工艺过程对散热器电子束钎焊残余应力影响的数值模拟

第２９卷第５期焊接学报Ｖ０１．２９Ｎｏ．５２００８年５月ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮＭａｙ２００８

工艺过程对散热器电子束钎焊

残余应力影响的数值模拟

李军民，陈芙蓉

（内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特０１００５１）

摘要：利用ＡＮＳＹＳ软件，建立二维有限元模型，分析了两种不同钎焊工艺对

１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢散热器电子束钎焊接头残余应力的影响，旨在筛选出一种合适的工艺

及参数。结果表明，对于径向残余应力，采用直接加热钎焊工艺，钎焊面上出现明显的

应力集中区域；而采用分阶段加热钎焊工艺，钎焊面上没有应力集中区出现，且应力变

化曲线比直接加热钎焊工艺平缓得多；对于周向残余应力，分阶段加热与直接加热钎焊

工艺相比，拉应力峰值减小了１１．２％。两种钎焊工艺的周向残余拉应力峰值均大于径

向残余拉应力，钎焊面的危险部位沿圆周方向，即电子束扫描加热的方向。

关键词：电子束钎焊；残余应力；数值模拟

中图分类号：ＴＧ４５４文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０Ｘ（．２００８）０５—００６９—０４孕羊民

Ｏ序言

具有毛细管管板接头的钎焊结构件——１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢散热器是航天飞机发动机中的一个重要组成部分。采用传统真空炉钎焊时，要求对工件进行整体加热，因其升温、降温速度缓慢，导致结构件在高温和真空中的停留时间很长，钎料合金元素易挥发，毛细管因直径较小，壁较薄，也极易产生熔蚀、堵塞和泄露等缺陷。而电子束钎焊以高能电子束作为热源，同时又是局部加热，与真空炉钎焊相比，热循环时间可以缩短到１／１０—１１２０；另外钎焊接头在高温停留时间短，减少了钎料中合金元素的挥发，得到的接头性能良好［１－２］。

钎焊温度场决定着钎焊应力场，是影响钎焊质量的关键因素。在进行真空电子束钎焊时，束流大小、加热时间等焊接参数对钎焊温度场都会产生很大的影响，且高温时（７００℃以上）进行实时温度测控和残余应力测量都比较困难。通过计算机技术模拟散热器电子束钎焊过程，筛选出最佳的钎焊工艺及参数，从而获得钎焊面均匀的温度和残余应力分布，成为一种快捷而准确的预研方法。利用ＡＮＳＹＳ软件，就工艺过程对散热器电子束钎焊残余应力的影响进行了有限元数值模拟。

收稿日期：２００７—０７—０８

基金项目：教育部科学技术研究重点项目（２０６０２５）１散热器电子束钎焊工艺过程

散热器为燃油一滑油散热器，由两端管板、中间隔板和薄壁管组成，其尺寸是直径们７ｍｎｌ，高１６０ｍｍ，管板厚２ｍｍ，薄壁管６２ｍｒｆｌＸ０．２ｍｉｎ，共４１９根。母材为１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢，其晶粒长大温度为１１５０℃，故应避免在该温度以上长时间加热ｂＪ。所用钎料为俄制铜基钎料ＢＩ－ｆＰ一２，其熔点为９６０—９７０℃。加热方式为电子束以ｌｋＨｚ的频率在散热器钎焊面上由内到外依次进行环形高速扫描加热，扫描轨迹为圆环形，如图１所示。

图１散热器电子束钎焊示意图

Ｆ．叼．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＥＢＢｐｒｏｃｅｓｓ假定电子束钎焊工艺按以下两种方式进行。

（１）以一定的焊接速度直接加热升温至钎焊温度以

　万方数据

７０焊接学报第２９卷

上，保温时间２ｍｉｎ，关断束流使零件在真空条件下冷却。（２）采用分阶段加热，即先以一定的焊接速度加热升温至８５０。９００℃，保温时间１．５ｍｉｎ，再以较慢的速度升温至１０００℃，保温时间１．５ｍｉｎ，然后将钎焊面升温至钎焊温度以上，保温时间１．５ｍｉｎ。关断束流使零件在真空条件下冷却。

２有限元分析

２．１有限元模型

根据散热器的几何形状，取其一端钎焊面建立分析模型，如图２所示。划分单元网格时应考虑到数值解的稳定性、收敛性和精确性。原则上网格划分越细，节点个数越多，就越接近真实求解区域。考虑到计算机性能，在满足计算精度的条件下，单元数目应尽量少一些。网格单元类型应根据工件的几何形状来选择，应尽可能使边界单元无畸变，减小几何误差【４Ｊ。网格划分结果如图３所示，所选单元类型为Ｐｌａｎｅ３５二维热分析实体单元，其单元数为８３０２个，节点数为１９４７７个。

图２散热器几何模型

Ｆｉｇ．２Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｒａｄｉａｔｏｒ

图３散热器有限元模型

Ｆｉｇ．３Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｒａｄｉａｔｏｒ２．２热输入

电子束加热方式为从内到外依次环形加热，由于电子束扫描频率高，可以认为在一定时间内，电子束扫描加热过程中忽略了移动造成的加热先后，而是按照一定的扫描带（环形）进行加热［５’６］。扫描带内任意一点热流密度表达式为

ｑ（ｒ）＝ｑ，。ｅｘｐ［一．｜｝（ｒ—ｒｏ）２］（１）

式中：ｇ（ｒ）为热流密度；ｇ一为扫描中心位置最大比热流，ｋ为能量集中系数，与电子束束斑直径ｄ有关，』｜｝＝１２／ｄ２；ｒ０为电子束扫描半径；，为到电子束扫描中心的距离。对于圆形扫描轨迹

．一望丝胜，们

Ｖ∞一２兀ｒｎ～７ｃ、。７式中：ｕ为加速电压；，为束流；叩为热效率。

２．３散热边界条件的确定

由于工件在真空条件下进行加热，真空度达２Ｘ

１０一一５×１０～Ｐａ，因此，在进行温度场计算时不考虑

由空气对流产生的散热。真空电子束钎焊属于高温

钎焊，热辐射的散热作用在高温时不可忽略，是钎焊

结构件的主要散热方式，另外工件内部的热传导也是

其散热方式之一。

３计算结果与分析

３．１温度场计算结果

直接加热电子束钎焊散热器的工艺参数为：加

速电压Ｕ＝６０ｋＶ，束流，＝８—２０ｍＡ，束斑直径ｄ＝６ｍｌｎ，加热时间ｔ＝１６０ｓ。图４为完成整个加热过程后，保温２ｍｉｎ时钎焊面的温度分布云图，即焊接到１６０ｓ时，这时钎焊面的温度范围为８８６．９０１℃，温度最低值仍出现在钎焊面的顶部和底部，仍低于钎料的熔化温度，也就是说会造成钎焊面上该部位钎料仍未熔化，将产生未焊透缺陷。

图４直接加热工艺１６０ｓ时钎焊面的温度分布

Ｆｉｇ．４Ｔｅｒｒｌｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆａｙｉｎｇｆａｃｅａｔ１６０ｓｂｙｄｉ—ｒｅｃｔ－ｈｅａｔｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓ　万方数据

第５期李军民，等：工艺过程对散热器电子束钎焊残余应力影响的数值模拟７１

分阶段加热电子束钎焊散热器的工艺参数为：

加速电压Ｕ＝６０ｋｖ，束流，＝５—２０ｍＡ，束斑直径ｄ

＝６ｍｌｎ，加热时间ｔ＝３３１ｓ。图５为完成第三阶段

整个钎焊面加热后，保温时间１．５ｍｉｎ时钎焊面的

温度分布云图，这时钎焊面的温度范围为１０４２—

１０５１℃，且在钎焊温度范围之内。

图５分阶段加热工艺３３１ｓ时钎焊面的温度分布

Ｆｉｇ．５Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌａｙｉｎｇｆａｃｅａｔ３３１Ｓｂｙ

ｓｔａｇｅ－ｂｙ－ｓｔａｇｅｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ

通过以上两种钎焊工艺温度场的数值计算，结果表明，采用分阶段加热钎焊工艺，即把整个电子束钎焊过程分成三个“加热一保温”阶段时，可以获得均匀的钎焊面温度分布，且在钎焊温度范围之内。３．２残余应力场计算结果

３．２．１两种钎焊工艺钎焊面应力分布云图

图６ａ为直接加热钎焊工艺钎焊面的径向残余应力分布云图，由图可见，钎焊面中心部位为压应力，最大值为１９６．８ＭＰａ，随着向边缘方向的延伸，逐渐过渡为拉应力，拉应力关于中心对称分布，且在钎焊面的上、下部位出现应力集中区域，呈分散的扇形分布，其最大值为２５６．７ＭＰａ；图６ｂ为直接加热钎焊工艺钎焊面的周向残余应力分布云图，从图中可以看出，钎焊面中心部位呈现较小的压应力，随着向边缘方向的延伸，过渡为拉应力，且关于中心对称分布，其最大值为３３８．４ｌＰａ，之后又逐渐转变为压应力，最大值为３３６．３ＭＰａ。

图７ａ为分阶段加热钎焊工艺钎焊面的径向残余应力分布云图，由图可见，钎焊面中心部位为压应力，最大值为１９８．２ＭＰａ，随着向边缘方向的延伸，逐渐过渡为拉应力，拉应力关于中心呈圆形对称分布，钎焊面上没有明显应力集中区域，其最大值为２６３．７ＭＰａ；图７ｂ为分阶段加热钎焊工艺钎焊面的周向残余应力分布云图，从图中可以看出，钎焊面中心部位呈现较小的压应力，随着向边缘方向的延伸，过渡为拉应力，且关于中心对称分布，其最大值为３００．５ＭＰａ，

图６直接加热工艺钎焊面的径向和周向残余应力分布Ｆ叼．６Ｒａｄｉａｌａｎｄｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆａｙｉｎｇｆａｃｅｂｙｄｉｒｅｃｔ－ｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ

图７分阶段加热工艺钎焊面的径向和周向残余应力分布Ｆ叼．７Ｒａｄｉａｌａｎｄｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆａｙｉｎｇｆａｃｅｂｙｓｔａｇｅ－ｂｙ－ｓｔａｇｅｈｅａｔｉｎｇ

ｐｍｃｅｓｓ　万方数据

　万方数据

工艺过程对散热器电子束钎焊残余应力影响的数值模拟

作者：李军民， 陈芙蓉， LI Junmin， CHEN Furong

作者单位：内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特,010051

刊名：

焊接学报

英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

年，卷(期)：2008,29(5)

参考文献(6条)

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