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鋁合金接觸反應(yīng)釬焊接頭力學(xué)響應(yīng)及中間層厚度的確定

查看：1294 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:48:34

摘要：接觸反應(yīng)釬焊是目前常用的材料連接方法。為了合理選擇中間層材料的厚度，本文以Si作中間層接觸反應(yīng)釬焊LF21鋁合金為例，采用有限元(FEM)模擬的辦法，對(duì)不同寬度的釬縫對(duì)外加拉伸載荷的力學(xué)響應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，釬縫對(duì)外載荷的力學(xué)響應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)位于接頭表面的釬縫與基體的界面處；且最大應(yīng)力值與外載荷呈線性關(guān)系。即釬縫對(duì)外載荷的力學(xué)響應(yīng)的實(shí)質(zhì)是對(duì)外載荷的線性放大，因此本文將此放大系數(shù)定義為釬縫的力學(xué)響應(yīng)因子。隨著釬縫寬度的增加，其力學(xué)響應(yīng)因子增大，釬縫的承載能力降低。在試驗(yàn)證明FEM計(jì)算結(jié)果的可靠性的基礎(chǔ)上，給出了Si為中間層進(jìn)行LF21鋁合金接觸反應(yīng)釬焊時(shí)，其合適的釬縫寬度范圍是50~80μm。最后本文根據(jù)相圖對(duì)相應(yīng)的Si中間層厚度進(jìn)行了理論計(jì)算，得到Si中間層的厚度范圍為6.6~10.0μm。

關(guān)鍵詞：接觸反應(yīng)釬焊；有限元數(shù)值模擬；釬縫力學(xué)響應(yīng)因子；中間層厚度計(jì)算

0 序言

從原理上講，接觸反應(yīng)釬焊（CRB）依靠材料間的冶金反應(yīng)（如共晶反應(yīng)）產(chǎn)生液相來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的連接［1］，目前該工藝已被應(yīng)用于陶瓷［2,3］、金屬間化合物［4］、復(fù)合材料［5,6］等多種材料的連接中。為了控制釬焊過程中產(chǎn)生的液相量，通常在釬焊中普遍采用中間夾層的接頭形式，這樣液相總量以中間層的厚度來(lái)確定。為此中間層的厚度是接觸反應(yīng)釬焊中要求考慮的重要參數(shù)之一，中間層太厚，生成液相太多，對(duì)母材溶蝕嚴(yán)重；太薄，則液相量小，難以得到致密、牢固的接頭。而采用試驗(yàn)的方法確定中間層的厚度是一個(gè)繁瑣的過程，因此本文以Si作中間層接觸反應(yīng)釬焊LF21鋁合金為例，采用有限元方法模擬了不同寬度的釬縫對(duì)外加拉伸載荷的力學(xué)響應(yīng)過程，確定了最佳的釬縫寬度范圍；并根據(jù)相圖對(duì)相應(yīng)的Si中間層厚度進(jìn)行了理論計(jì)算和選擇。

1 有限元模型

假定Al合金接觸反應(yīng)釬焊釬縫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件為10mm×50mm的棒形試樣，兩側(cè)為基體LF21鋁合金；中間是Al-Si合金釬縫，在接觸反應(yīng)條件下其成分為近共晶成分［7］。從試件尺寸分析，外加拉伸載荷在接頭附近為均勻載荷，而且試件顯然是軸對(duì)稱的。因此建立圖1所示的二維FEM網(wǎng)格模型，采用4節(jié)點(diǎn)等參單元，計(jì)算中釬縫寬度在10~150μm變化，因此FEM單元格劃分也隨之增加，對(duì)于10μm寬的釬縫，網(wǎng)格為2900個(gè)單元，2955個(gè)節(jié)點(diǎn)；最后150μm寬的釬縫時(shí)，由于釬縫區(qū)網(wǎng)格細(xì)分，因此單元總數(shù)增加到4180個(gè)。

有限元數(shù)值模擬軟件為商用非線性有限元程序包MARC.2000，基體及釬縫材料均假設(shè)為線彈性，計(jì)算中涉及到的材料常數(shù)如表1［8］所示。拉伸過程的FEM模擬計(jì)算中，所用邊界條件為模型左邊固定；右邊加均勻拉伸載荷，且載荷隨時(shí)間由0~100MPa變化。在此，考慮到LF21鋁合金的屈服強(qiáng)度僅為42MPa，為充分反映基體屈服對(duì)接頭界面應(yīng)力響應(yīng)的影響，特別地降低40~50MPa區(qū)間內(nèi)的外加拉伸載荷的加載速率，整個(gè)加載過程如圖2所示。

2 釬縫界面對(duì)外加載荷的力學(xué)響應(yīng)

FEM計(jì)算結(jié)果表明，釬焊接頭在靠近其表面的區(qū)域內(nèi)對(duì)外載荷有明顯的力學(xué)響應(yīng)--釬縫及其界面處的應(yīng)力集中。圖3是不同時(shí)刻，寬度為10μm的釬縫界面處對(duì)拉伸載荷的力學(xué)響應(yīng)過程的宏觀應(yīng)力等值分布圖。可見在外加拉伸載荷作用下，隨著外載荷的增加接頭應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力值呈線性增加。圖4是不同寬度的釬縫對(duì)同一外載荷下的響應(yīng)，當(dāng)釬縫寬度變化時(shí)，接頭力學(xué)響應(yīng)也明顯發(fā)生變化：應(yīng)力集中趨勢(shì)越來(lái)越明顯；且在分布區(qū)域由窄釬縫下的界面區(qū)變成了寬釬縫下的界面和釬縫區(qū)。圖5給出了不同釬縫寬度下，界面應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力與外載荷的響應(yīng)情況及其擬合的結(jié)果，其中符號(hào)點(diǎn)為計(jì)算值；直線為對(duì)計(jì)算值的擬合。可見釬縫界面處對(duì)外載荷的響應(yīng)本質(zhì)是將其進(jìn)行了線性放大。在此將圖中各直線的斜率(對(duì)外力的放大倍數(shù))定義為釬焊接頭的力學(xué)響應(yīng)因子，簡(jiǎn)稱力學(xué)響應(yīng)因子Fr。顯然Fr直接反映接頭的承載能力--強(qiáng)度：Fr越大，外載荷被放大的程度就越高，這樣接頭的承載能力就越弱。

3 LF21鋁合金接觸反應(yīng)釬焊及釬縫強(qiáng)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上FEM模擬計(jì)算的可靠性，采用Si粉作中間層進(jìn)行LF21鋁合金的接觸反應(yīng)釬焊，同時(shí)測(cè)定釬縫的抗拉強(qiáng)度。釬焊試件為58mm×25mm棒料對(duì)接，中間層Si的加入量為15~50g/m2(折合厚度為6.44~21.5μm)，這樣就可以得到具有不同釬縫寬度的接頭。釬焊在真空環(huán)境下完成，釬焊溫度600℃，保溫時(shí)間15min，壓力0.5MPa。最后將釬焊好的試件加工成拉伸試件，并在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
圖6是典型接頭及其斷口的組織分析試件進(jìn)行截面組織分析，釬縫平均寬度為50μm，拉伸試件斷在釬縫及界面處。試驗(yàn)結(jié)果表明釬縫界面處的確是力學(xué)敏感區(qū)域，圖7是試驗(yàn)測(cè)得的釬縫寬度WL與其抗拉強(qiáng)度σb的關(guān)系。10μm寬的釬縫，其平均抗拉強(qiáng)度為116.1MPa，幾乎與基體強(qiáng)度相同（117MPa）；當(dāng)釬縫增至150μm時(shí)，其強(qiáng)度僅為67.2MPa。可見，對(duì)應(yīng)由圖7中的結(jié)果得到的Fr與釬縫寬度的關(guān)系，σb、Fr隨WL的變化趨勢(shì)有良好的匹配關(guān)系--釬縫寬度增加，F(xiàn)r增大；釬縫強(qiáng)度降低。

以上試驗(yàn)事實(shí)充分證明了前面FEM模擬的可靠性。而且由圖7的結(jié)果可以得出，對(duì)于Si為中間層進(jìn)行的Al合金接觸反應(yīng)釬焊接頭而言，為保證接頭的連接強(qiáng)度，要求釬縫寬度不超過80μm。同時(shí)考慮到傳統(tǒng)釬焊中自然間隙下釬縫寬度為50~150μm，因此認(rèn)為采用Si作中間層進(jìn)行Al接觸反應(yīng)釬焊時(shí)，釬縫寬度應(yīng)該控制在50~80μm的范圍內(nèi)。

4 Si中間層厚度的確定

按照接觸反應(yīng)釬焊釬縫組織是共晶體進(jìn)行計(jì)算，就可以得出初始厚度為W0的中間層M接觸反應(yīng)釬焊Al時(shí)，所能產(chǎn)生釬縫的寬度WL為

式中：K為共晶體中鋁基體與中間層材料的原子百分比之比；mdM為中間層材料的體積摩爾數(shù)；mdAl為鋁的體積摩爾數(shù)。所謂體積摩爾數(shù)，就是單位體積內(nèi)所包含的物質(zhì)的量，即

式中： md為體積摩爾數(shù)（moles/cm3）； ρ為物質(zhì)密度（g/cm3）；m′為摩爾質(zhì)量（g/mole）。

根據(jù)Al、Si及各自物理參數(shù)，可以得到二者的體積摩爾數(shù)分別為0.01、0.083moles/cm3。由Al-Si共晶體中Si的原子百分含量為11.2%，因此式(1)中K值為7.93。最后可得出釬縫寬度WL與所選Si中間層厚度WSi的關(guān)系為

結(jié)合前面的計(jì)算結(jié)果，用Si作為中間層進(jìn)行Al的接觸反應(yīng)釬焊時(shí)，為保證接頭的連接強(qiáng)度，中間層材料的厚度應(yīng)在6.6~10.1μm的范圍內(nèi)。

5結(jié)論

（1）釬焊接頭對(duì)外載荷的力學(xué)響應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)位于釬縫與基體的界面處；且最大應(yīng)力值與外載荷呈線性關(guān)系。即釬縫對(duì)外載荷的力學(xué)響應(yīng)的實(shí)質(zhì)是將其進(jìn)行了線性放大。

（2）隨著釬縫寬度增加，其力學(xué)響應(yīng)因子Fr增大；釬縫的承載能力降低。對(duì)于以Si為中間層得到的LF21鋁合金接觸反應(yīng)釬焊接頭而言，試驗(yàn)測(cè)得的釬縫寬度由10μm增至150μm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度相應(yīng)地由116.1MPa降至67.2MPa。因此為保證接頭的連接強(qiáng)度，釬縫寬度的理想范圍是50~80μm。

（3）根據(jù)相圖對(duì)相應(yīng)的Si中間層厚度進(jìn)行了理論計(jì)算，得到合適的Si中間層的厚度范圍為6.6~10.0μm。

作者簡(jiǎn)介：
董占貴，男，1972年出生，博士。主要研究?jī)?nèi)容為Al合金釬焊、金屬與陶瓷低溫連接等。(end)

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