Ti/TiAl钎焊接头应力的数值模拟 - 文章

Ti/TiAl钎焊接头应力的数值模拟

作者：曹健李卓然冯吉才谢凤春

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摘要：异种材料连接时在接头处容易产生较大的应力而导致连接强度的下降，对接头的应力分布进行分析有助于我们调整工艺参数以提高连接质量。本文利用有限元方法分析了采用Ag基钎料钎焊Ti合金与TiAl 时接头在冷却过程中的应力分布情况，并研究了连接温度对应力分布的影响。结果表明，在钎料与Ti合金和TiAl的连接界面处均存在一定程度的应力集中，其中钎料与Ti合金的连接界面应力相对较大。连接温度变化时，应力的分布基本没有变化，只是随着连接温度的降低，最大应力的数值随之减小。
关键词：钎焊；Ti；TiAl；数值模拟

0 序言

Ti合金由于具有比强度高，密度低，耐高温等优异的物理性能和化学性能而成为航空航天领域中应用最广泛的材料，而TiAl金属间化合物具有比重轻（约为3.8g/cm3），比强度高，刚性好，抗氧化性能和高温性能好，高温强度高等优点，是具有很大潜力的高温结构材料[1]。目前国内的生产应用中迫切要求实现这两种材料的连接。从TiAl连接的研究现状看，目前普遍采用的是钎焊连接方法[2,4]。但由于二者在物理性质和力学性能等方面均存在一定的差异，因此焊后冷却过程中容易在接头处产生较大的残余应力[5]。有限元法是目前工程应用很广泛的分析方法，该方法已经很好的解决了钎焊连接中应力分析问题[6]，本文采用Marc有限元分析软件，对接头的应力进行分析。

1 有限元模型

本文采用非线性有限元程序Marc2000作为有限元数值模拟的软件环境，连接试件按规定的尺寸进行加工：TiAl母材被加工成长为120mm，宽为100mm，厚度为3mm的薄板,；Ti合金被加工成底端外径为60mm，顶端外径为80mm，壁厚为5mm，高为30mm的锥形管状件，焊接实际件照片如图1所示。三维有限元网格划分如图2-a)所示，该模型采用8节点等参三维应力单元。网格划分过程中忽略了筒型件的锥度而将其考虑为直筒型。考虑到了钎料对母材的润湿，在有限元网格划分时添加了圆角过渡，从而能够与实际情况更加逼近，图2-b)为网格的放大图。计算中所有的材料均假设为线弹性，施加的边界条件包括施加于试件底面的所有节点（z=0）的位移边界条件（沿z轴固定），施加于对称面（x=0）上所有节点的位移边界条件（沿x轴固定），施加于对称面（y=0）上所有节点的位移边界条件（沿y轴固定）和施加于TiAl上表面的载荷边界条件（F=100N）。由于钎焊试验中采用均匀的辐射加热，将温度载荷施加到所有单元上，加热过程中钎料发生熔化，应力集中会因此而缓解，本文主要考虑冷却过程，计算中应用的材料特性如表1所示。

图1Ti/TiAl钎焊构件实际照片

图1有限元单元网格划分

表1 有限元计算中应用的材料参数

2 计算结果及分析

2.1 接头的拉应力分布

图2为固定连接时间t=300s时，不同连接温度时TiAl/钎料/Ti钎焊接头的X方向拉应力分布。可以看出在钎料附近的应力集中比较明显，钎料内部主要受到拉应力，两侧母材主要受到压应力作用，其中钎料/Ti界面的应力值小于钎料/TiAl界面的应力值，最大应力值点出现在钎料与TiAl连接端点处。在连接过程中，随着温度的下降，接头各部分的应力分布没有发生明显变化，只是应力数值逐渐下降。该构件中远离界面的位置处于压应力状态。

图2 X方向拉应力分布

图3为固定连接时间为300s，不同连接温度钎焊接头Y方向拉应力的分布情况。由于构件为对称结构，可发现Y方向应力分布与X方向应力分布对称。焊后仍然是钎料内部受拉应力，钎料与两侧母材连接界面受压应力。应力集中最大的区域在钎料与TiAl连接界面附近。随着连接温度的升高应力集中的数值逐渐增大，在焊后的降温过程中，应力集中的区域逐渐扩大，各处应力值逐渐增加。远离界面的位置处于压应力状态。

图3 Y方向拉应力分布

2.2 接头的剪应力分布

图4为固定连接时间为300s，不同连接温度钎焊试件剪切应力的分布情况。由于在划分网格时考虑到了钎料对母材的润湿而添加了圆角过渡，可以在一定程度上缓解应力集中情况，这与实际钎焊过程是比较接近的，这在剪应力的模拟过程中体现的尤为明显。从图中可以看出，剪应力主要集中在连接界面附近的钎料表面，在远离界面的位置基本没有剪应力存在，在钎料内部也没有剪应力存在。在端点处易形成剪应力集中是由于材料的热胀系数不一致，在冷却过程中产生不同的收缩程度。而在中心部位即使形成了应力集中也可以向四周释放，从而没有剪切应力。

图4 钎焊接头剪应力分布

2.3 接头的等效应力分布

图5所示为固定连接时间为300s，不同连接温度连接接头的等效应力分布情况。等效应力考虑了界面的各种应力的作用效果的综合。从图中可以发现，等效应力的分布情况与剪应力的分布情况比料类似，只是在钎料内部也存在了较大的应力。在远离界面位置处没有应力，等效应力的最大值点出现在钎料靠近TiAl侧的外表面附近，在这里X方向和Y方向的拉应力及剪应力同时达到最大值。不同连接温度下等效应力的分布情况基本类似，但是应力最大值的增大比较明显，当连接温度为1223K时最大应力为105.7MPa，连接温度为1273K时最大应力增大为113.7MPa。实验发现裂纹主要在钎料外侧首先产生，这与等效应力的分布情况时比较类似的。

图5 钎焊接头的等效应力分布

3 试验验证

为了验证数值模拟的结果，对接头进行了室温剪切试验。FEM分析中并未考虑随着连接温度的变化而变化的组织结构，所以在验证过程必须在界面组织不发生变化的前提下进行。实验参数范围内对断口进行能谱分析的结果说明断裂主要发生于钎料层，而通过有限元计算，应力集中最严重的区域正是钎料内部靠近外侧。表2为不同连接温度下接头的剪切强度值。其温度范围与数值模拟过程中相同，可以发现在该温度范围内随着连接温度的升高，接头的剪切强度下降，而有限元计算中随着温度升高接头应力增大。从而初步验证了有限元分析结果的正确性。

表2不同连接温度下连接接头的室温剪切强度（t=1.8ks）

4 结论

（1）采用Ag基钎料钎焊Ti合金与TiAl金属间化合物时，由于材料物理性能上的差异，在冷却过程中变形程度不同，在界面处产生一定程度的应力集中。

（2）应力集中主要集中于钎料内部靠近TiAl界面处，随着连接温度的升高，各应力分布状态未发生明显的变化，但是应力最大值相应增大。

（3）对模拟结果进行试验验证，在实验范围内，随连接温度的升高剪切强度下降，试件断裂于钎料内靠近TiAl侧连接界面处，即模拟计算中应力集中最严重区域，从而说明该应力模拟过程基本正确。

参考文献：
[1] 刘会杰, 冯吉才. TiAl基合金连接技术的研究进展[J]. 焊接, 2001(4): 6~10.
[2] Toshimitsu Tetsui. Effects of brazing filler on properties of brazed joints between TiAl and metallic materials. Intermetallics,2001(9): 253-260 .
[3] Liu, Huijie , Feng, Jicai .Vacuum brazing TiAl-based alloy to 40Cr steel using Ag-Cu-Zn filler metal. Journal of Materials Science Letters, 2002, 21( 1): 9-10.
[4] T.Noda, T.Shimizu, M.Okabe et al. Joining of TiAl and steels by induction brazing[J]. Materials Science and Engineering, 1997, A239-240: 613~618.
[5] J. X. Zhang, R. S. Chandel, Y.Z.Chen, H.P.Seow, Effect of residual stress on the strength of an alumina-steel joint by partial transient liquid phase (PTLP) brazing[J]. .Journal of Materials Processing technology, 2002, 122(2): 220-225.
[6] .P. Dadras, J..M. Ting, M.L. Lake, Brazing residual stresses in Glidcop-Al12Si-Be[J]. .Journal of Nuclear Materials, 1996, 230(2) : 164-172. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/1/2005)


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