陶瓷/金属钎焊接头残余应力的数值模拟

摘要

陶瓷与金属由于热膨胀系数的不同和接头界面组织结构的不均匀性，焊后在陶瓷侧的边缘处会产生很大的残余应力，严重影响了接头的强度。研究陶瓷/金属接头中残余应力的大小和分布，寻找降低残余应力的方法是陶瓷/金属连接中的一个重要问题。 本文用热弹塑性有限元方法，在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下，研究了接头形式对残余应力的大小和分布的影响规律。研究结果表明，试件形状、接头形式、钎料性能和中间层性能等参数对残余应力的大小有较显著的影响。方形试件比圆形试件的残余应力要大，对可能产生应力集中的棱边进行圆角过渡处理后，也可以降低残余应力峰值，陶瓷的焊接面凸起情况下的残余应力也比平面或凹陷情况下的残余应力要小，钎料和中间层与陶瓷和金属的热膨胀系数差别越小、钎料和中间层的屈服强度越小，残余应力越小。 本文研究了在钎焊过程中已经产生残余应力的陶瓷/金属接头，承受瞬态温度载荷、瞬态力载荷和交互载荷作用的情况，分析了在载荷施加过程中应力的分布情况。发现在外加力载荷的作用下，陶瓷外表面z向残余应力比载荷作用前有所降低。试件最终的残余应力与拉压应力作用的先后顺序无关，只与压应力的大小有关。钎焊接头在175℃有较大的应力；随着温度的升高，接头的应力下降；当温度升高到450℃后冷却过程中，温差的影响使接头的热应力增大；在温度降到-100℃再升温时，接头部分金属的塑性变形和热膨胀系数不匹配的综合影响，使接头的残余应力不能马上降低。简单分析了交互载荷作用下残余应力的变化规律。 本文同时研究了缺陷对残余应力分布的影响，发现圆形焊件中心位置的缺陷对残余应力的分布趋势没有影响，只对残余应力的大小有一定影响。随着钎着率的逐渐增大，轴向残余应力和等效应力都降低，在钎着率超过80％以后，轴向残余应力和等效应力都趋于稳定。圆形焊件一侧的缺陷将改变残余应力的分布趋势，残余应力最大点出现在缺陷位置的两侧。缺陷位置的残余应力分布以缺陷为中心，在远离缺陷的一侧，缺陷对残余应力分布的影响较小，残余应力分布与无缺陷情况下的残余应力分布类似。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1探索可靠的连接方法

1.2.2陶瓷/金属的连接机理

1.2.3陶瓷/金属的连接材料

1.2.4陶瓷/金属焊接接头力学性能

1.2.5用有限元法分析陶瓷/金属接头残余应力

1.3课题的主要内容

第2章残余应力的有限元理论

2.1引言

2.2陶瓷/金属接头弹塑性变形的本构关系

2.2.1理论解析的假设

2.2.2弹塑性小变形的本构关系

第3章陶瓷/金属接头残余应力有限元分析

3.1有限元程序

3.1.1几何模型的简化

3.1.2网格划分

3.1.3边界条件的处理

3.1.4载荷加载

3.1.5结果后处理

3.1.6程序流程

3.2试件形状对残余应力的影响

3.2.1方形试件的残余应力

3.2.2计算结果验证

3.2.3圆形试件的残余应力

3.2.4圆角半径对残余应力的影响

3.3试件接头形式对残余应力的影响

3.4钎料性能与厚度对残余应力的影响

3.5中间层材料对残余应力的影响

3.6本章小节

第4章陶瓷/金属接头受动载时的应力分析

4.1引言

4.2力载荷对接头残余应力的影响

4.2.1加载次序的影响

4.2.2载荷大小的影响

4.3温度载荷对接头残余应力的影响

4.4交互载荷对接头残余应力的影响

4.5本章小结

第5章缺陷对接头残余应力的影响

5.1引言

5.2缺陷在接头中央的情况

5.3缺陷在接头侧面的情况

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢