不锈钢板翅结构钎焊残余应力及其影响因素

利用有限元软件ABAQUS,对不锈钢板翅结构在真空钎焊过程中产生的残余应力进行有限元分析,讨论钎缝间隙,隔板厚度、翅片内距、翅片内高,翅片厚度、钎焊温度、翅片层数、材料匹配程度以及压力对残余应力的影响.计算结果表明,由于镍基钎料和不锈钢母材力学性能的不匹配,在钎焊接头中产生了较大的残余应力.钎角处应力集中且状态复杂,成为最薄弱环节.钎缝间隙、隔板厚度、翅片内距、翅片厚度、材料匹配程度以及压力是残余应力的主要影响因素,钎焊温度、翅片层数以及翅片内高对残余应力的影响不大.     

钎缝厚度对不锈钢板翅结构蠕变的影响

利用有限元软件ABAQUS,建立不锈钢板翅结构高温蠕变的有限元计算模型,讨论钎缝厚度对蠕变的影响.结果表明,钎缝厚度对蠕变的影响很大.由于钎料和母材力学性能的不匹配,导致不锈钢板翅结构产生了复杂的残余应力.随着钎缝厚度的变化,残余应力发生变化,从而对蠕变产生影响.在钎缝区域,随着钎缝厚度增加,焊态残余应力降低,导致蠕变应变降低,接头强度提高.在垂直于隔板的翅片区域,钎缝厚度对焊态残余应力没有影响,蠕变变化很小.在隔板区域,随着钎缝厚度增加,焊态残余应力降低,导致蠕变应变降低.研究结果为不锈钢板翅结构高温强度设计提供参考.     

Modelling of temperature field and residual stress of vacuum brazing for stainless steel plate-fin structure

This paper presented a finite element (FE) modeling of the temperature field and residual stress of the vacuum brazing for a counterflow stainless steel plate-fin structure. A sequential coupling calculation procedure was developed by using commercial program ABAQUS. The brazing temperature field and brazed residual stress distribution regularities have been successfully achieved. The results show that the brazed joint suffers high tensile residual stress and the fillets become the weakest zone. In the plate, the longitudinal stress is large and would have to play the main role on strength while the transverse and shear stress are very small. The residual stresses in fin are complex and their distribution in the parallel fin is much different from that of vertical fin. These results provide the theoretical knowledge for the optimization of process and the control of brazed residual stresses for stainless steel plate-fin structure.     

不锈钢板翅结构钎焊残余应力及其高温蠕变松弛行为三维有限元分析

利用有限元软件ABAQUS,对不锈钢板翅结构在钎焊过程中产生的残余应力及其高温下的蠕变松弛行为进行三维有限元分析,得到了残余应力的变化规律.结果表明,由于镍基钎料BNi-2和不锈钢母材304力学性能的差异以及夹具的约束作用,钎焊后在接头处产生了较大的残余应力.在高温环境下,由于蠕变松弛,残余应力大幅度下降.在蠕变稳态阶段,钎缝处仍然存在一定的残余应力;钎角处蠕变应力和应变集中,易萌生裂纹,成为最薄弱环节.研究结果为板翅结构的高温强度设计提供参考.     

板翅结构钎焊残余应力与热变形的有限元分析

对微小尺寸的镍基钎焊不锈钢板翅结构在真空钎焊过程中产生的残余应力分布与热变形状况进行研究分析.采用有限元方法对三层结构的钎焊过程进行了热-力分析,分析考虑真空钎焊的加热特点同时考虑板翅材料和镍基钎料与温度相关的材料特性,得到了钎焊过程中结构的温度变化规律以及钎焊后的残余应力分布和热变形特征.结果表明,隔板与翅片具有不同的热变形特征,板翅钎焊接头钎角处应力状况复杂,易萌生裂纹导致板翅结构的失效,需要选择合适的钎焊时间以得到较好的钎焊接头.     

不锈钢板翅结构钎焊残余应力对蠕变的影响

利用有限元法,对微小尺寸的镍基钎焊不锈钢板翅结构进行600 ℃下的蠕变有限元分析,讨论钎焊残余应力对蠕变变形的影响.结果表明,由于镍基钎料BNi-2和不锈钢母材SS304力学性能的差异以及钎焊夹具的约束作用,钎焊后在接头处产生了较大的残余应力,对不锈钢板翅结构高温下的蠕变行为产生很大影响,在强度设计中不能忽略.初始应力和蠕变应变的分布规律具有一致性.隔板和翅片具有不同的应力应变分布特征,隔板侧的蠕变开裂的倾向比翅片大.钎角处蠕变应力和应变集中,易萌生蠕变裂纹.研究结果为不锈钢板翅结构钎焊接头的高温强度设计提供参考.     

Numerical Analysis of Residual Stress for Copper Base Brazed Stainless Steel Plate-Fin Structure

Copper base stainless steel plate-fin structure has been widely used as a heat exchanger in many fields. The nonlinear thermal reaction on the residual stress in brazing process of the plate-fin structure was studied in this paper. A finite element model (FEM) was proposed to simulate the heat transfer and the sequential residual stress generated in the plate-fin and filler metals based on thermal elastic-plastic theory. By the stress distribution in four paths marked in the structure obtained from FEM results, it is found that the maximum residual tensile stress occurs in the brazed joint next to the plate side and a crack would initiate in this region. Also, the first principle stresses of reference nodes were calculated and the conclusion is consistent with the simulation results. These results would provide some constructive instructions in the practical brazing procedure.     

新型含钯镍基钎料钎焊不锈钢接头的性能分析

对新型Ni-Pd-Ag-Cr-Si钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢的接头性能进行了分析。结果表明,新型Ni-Pd-Ag-Cr-Si钎料对1Cr18Ni9Ti不锈钢有良好的润湿性;钎焊接头中,紧靠钎缝与母材界面的是与该界面平行的长条形齿状镍钯基固溶体致密组织。这种固溶体具有较高的强度和塑性,钎缝宽度为170μm时,钎缝仍具有较高的剪切强度,利于保证钎焊不锈钢产品质量不发生重大变化。     

Cu基钎料MIG钎焊接头断裂行为分析

研究用Cu3SilMn钎料、Cu10Mn6Ni钎料分别MIG钎焊镀锌Q235钢板及1Cr18Ni9Ti不锈钢板。试验结果表明,在钎料／母材界面分别存在Si、Mn富集带,经XRD分析Si是以Fe2Si相形式存在,而Mn是以固溶体形式存在;用Cu3SilMn、Cu10Mn6Ni钎料钎焊镀锌Q235钢板接头抗拉强度试样均断在母材,抗拉强度为308．2－308．7MPa,钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢板,拉伸均断在钎缝,其抗拉强度分别是331．5MPa、423．6MPa;拉伸断口分析发现,断裂起裂点在搭接钎缝的根部,主要是母材成分与少量的钎料成分混合、溶解而成,是脆性断口;止裂点在钎缝金属中（Cu3SilMn钎料）或在近界面上（Cu10Mn6Ni钎料）,是塑性断口。     

TC4钛合金/304不锈钢异种材料蜂窝结构钎焊工艺

采用Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni和Ag-28Cu两种钎料分别对TC4钛合金面板/304不锈钢蜂窝芯异种材料蜂窝结构进行了钎焊,对钎焊界面组织和蜂窝结构的力学性能进行了对比分析. 结果表明,Ti基钎料与304不锈钢蜂窝芯箔材界面润湿反应性能较差且Ti基钎料钎缝显微硬度较高,导致钎焊界面强度低,蜂窝拉伸力学性能差. Ag基钎料与304不锈钢蜂窝芯箔材和TC4面板均发生显著的界面反应,钎焊温度830 ℃,保温时间10 min时,蜂窝抗拉强度为10.35 MPa,呈蜂窝芯破坏特征. Ag基钎料蜂窝抗拉强度明显优于Ti基钎料结果,适用于TC4钛合金面板/304不锈钢蜂窝芯异种材料蜂窝钎焊.     

Cr对Ni-P系钎料钎焊不锈钢接头性能的影响

研究了钎焊温度对Ni-P系钎料铺展件能及其真空钎焊OCr13不锈钢接头力学性能的影响.结果表明,Ni-P系钎料铺展面积随钎焊温度的升高而增大,并且相同温度下不含Cr的Ni-P钎料铺展面积大于Ni-Cr-P的铺展面积;钎焊温度从925℃升高到1000℃过程中,Ni-P、Ni-Cr-P钎料钎焊不锈钢接头的室温剪切强度均增大,并且在相同钎焊工艺下,不含Cr的Ni-P钎料钎焊不锈钢接头室温剪切强度优于Ni-Cr-P钎焊接头强度30～40MPa;Ni-P系钎料钎焊接头高温强度随温度升高而下降,测试温度超过500℃时,相同温度下含Cr的钎料能够提高钎焊接头强度0～30 MPa.     

先进功能材料钎焊连接研究进展

以复相陶瓷、纤维增强陶瓷基复合材料以及热电材料为例，从钎料成分设计、钎缝界面组织调控、接头残余应力缓解以及钎焊接头性能评测等角度，讨论了近年来发表的研究成果. 结果表明，在钎料中添加活性元素以及对母材表面改性的方法，能够有效改善钎料润湿性和界面结合强度；对于界面元素扩散以及母材过渡溶解的问题，可以设计制备复合钎料或阻隔层进行解决；接头残余应力的大小受材料热膨胀系数差异的影响较大，目前已提出了多孔中间层、梯度复合层以及母材表面机械加工等多种创新方法，但研究成果的应用仍停留在小尺寸样件，对于缓解大尺寸接头的残余应力问题仍有待解决. 最后对相关研究方向进行了总结和展望，期望推动航空航天构件连接的发展进程.     

非晶态镍基钎料箔润湿成缝特征及其对钎焊接头形态的影响

通过分析控制非晶态镍基钎料箔用量的钎焊试验结果,对非晶态镍基钎料箔的润湿成缝特征及钎焊接头形态进行了研究.结果表明,即使在钎料不足的情形下,钎料残余层也始终存在,在熔融钎料同母材的相互作用下,钎料残余层/母材界面向母材一侧发生迁移;钎料残余层厚度随钎料量的增加而增大,但界面迁移深度与钎料箔大小无关.熔融钎料成缝行为遵循能量最低原理,其受自身重力、粘滞力和表面张力引起的附加压力共同作用,流动成缝时具有粘性流体的特征,贴近母材表面的边界层流速趋缓,母材向熔融钎料中的溶解则进一步降低了其流动性,最终凝固形成钎料残余层.     

SnAg1.0Cu0.5对Ag30CuZnSn药芯钎料润湿性能及钎焊接头力学性能的影响

向Ag30CuZnSn药芯钎料药粉中添加SnAg1.0Cu0.5(SAC105)粉末,研究了不同SAC105含量对Ag30CuZnSn药芯钎料钎缝组织及钎焊接头性能的影响. 结果表明,SAC105的加入可以显著提高Ag30CuZnSn药芯银钎料的润湿铺展性能,随着SAC105的添加量增加,Ag30CuZnSn药芯银钎料的润湿铺展面积增大. 这主要是因为Sn元素的增加能显著降低钎料的熔化温度,从而增大液态金属的过热度,降低液态金属的粘度,增强液态金属的流动性,最终提高Ag30CuZnSn钎料在304不锈钢表面的润湿铺展性能. SAC105添加量为20% (质量分数)时,钎缝组织最细,主要由交织状的银基固溶体构成,相应的钎焊接头抗剪强度最大为453 MPa,提高了29.9%.     

金刚石与硬质合金钎焊接头应力场分析

采用ANSYS有限元数值模拟软件，运用瞬态非线性分析的方法，模拟出以Ag—Cu—Ti为钎料的金刚石与硬质合金钎焊接头的焊后应力场，并预报出钎缝厚度对钎焊接头应力大小和分布的影响，从而分别得出焊后金刚石层、钎料层与硬质合金区域的应力场分布，通过对应力场彩云图以及数据组的综合分析，找到焊后应力集中的危险区域；在数控真空钎焊炉中进行钎焊试验，由于施加压力的不同，得出钎缝厚度不同的焊接试件。而后进行抗剪强度试验，得出了钎料层厚度并不是越厚越好，而是存在一个最佳值的规律，计算所得规律与试验结果基本吻合。     

不锈钢套管接头电子束钎焊的组织分析

确定了不锈钢管件套接接头电子束钎焊的工艺参数，并获得了良好的钎焊接头。利用扫描电镜和能谱分析仪，对电子束钎焊试样的显微组织进行了分析。结果表明，钎缝区主要是固溶体组织和少量的化合物；母材区除了奥氏体组织外，还存在Cu元素的晶闻扩散。     

铟对低银Ag-Cu-Zn钎料显微组织和性能的影响

研究了低银Ag-Cu-Zn钎料(ωAg≤20%)的熔化特性、铺展性能、钎料显微组织。以黄铜/304不锈钢作为母材,采用火焰钎焊方法,进行了搭接钎焊试验。结果表明,低银Ag-Cu-Zn钎料显微组织主要由铜基固溶体、银基固溶体、Cu Zn化合物相构成。In的添加降低了Ag-Cu-Zn钎料的固、液相线温度,改善了钎料润湿性能;添加In的低银Ag-Cu-Zn钎料在凝固过程中析出富In的银基固溶体,起到了固溶强化的效果,改善了钎焊接头的显微组织,从而提高了钎缝接头的力学性能。使用17Ag Cu Zn-1In火焰钎焊黄铜/304不锈钢,钎焊接头成形美观、组织致密、无缺陷存在,综合性能与含银量为25%的BAg25Cu Zn Sn银钎料的性能相当,节银效果显著。     

玻璃与金属真空钎焊接头残余应力影响参数分析

玻璃和金属焊接接头由于设计不合理,将致使接头存在较大的焊接残余应力,会严重削弱接头强度.应用顺次耦合有限元热应力计算方法,对平板玻璃和金属在真空条件下的钎焊过程进行了数值模拟,分析了玻璃、金属、钎料厚度、钎焊压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响,并观察了焊接接头拉伸断裂后的形貌特征.结果表明,金属厚度增加会增大残余应力,并且其对残余应力影响最显著;钎焊压力和钎焊温度的增加可以降低残余应力;玻璃和钎料厚度对残余应力的影响不大;焊接接头的拉伸断裂区域位于玻璃和金属焊接接头界面贴近玻璃一侧.     

Effect of Ce Addition on the Microstructure and Properties of Ag17CuZnSn Filler Metal

The effect of trace amounts of rare earth element Ce on the wettability, mechanical properties and microstructure of Ag17CuZnSn filler metal was investigated systematically by means of microstructure and spectroscopic characterizations. H62 brass and 304 stainless steel were brazed with Ag17CuZnSn-xCe filler metals. The results indicate that wettability and oxidation resistance of filler metal are remarkably improved with adding trace amount of Ce. The shear strength of brazed joint increases 29% compared to that of brazed joint without adding Ce. Moreover, it is observed that the trace amount of Ce in Ag17CuZnSn filler metal refines the brazed joint matrix microstructure. The elements diffusion is examined during the brazing process. More Ce can diffuse into the stainless steel than that of either Cu or Zn. Compared to the Cu solid solution, Fe prefers to diffuse into the Ag solid solution. When the Ce content is 0.3 wt.%, some bright and brittle Ce-bearing particles appear in the bottom of dimples which deteriorate the shear strength of brazed joint. The results of this study can stimulate the use of low-silver brazing filler metals for various applications.     

不锈钢板翅结构蠕变的有限元分析

基于有限元软件ABAQUS,利用Norton蠕变本构关系及镍基钎料BNi-2和不锈钢母材SS304在600℃的蠕变参数,对不锈钢板翅结构进行蠕变有限元分析,预测其在高温环境下服役105h的应力、应变分布规律和危险位置.利用有限元分析获得了板翅结构在钎焊过程中产生的残余应力的分布规律,讨论了残余应力对蠕变变形的影响.结果表明,由于钎料和母材力学性能参数的不匹配以及钎焊夹具的约束作用,产生了较大的残余应力,对板翅结构的蠕变变形产生较大影响,故在板翅结构的高温强度设计中,残余应力不可忽略.钎角处蠕变应力和应变集中,易萌生裂纹,成为最薄弱的环节.