Ti(C,N)/45号钢钎焊接头残余应力模拟分析

摘要:根据实际钎焊条件,采用有限元数值模拟方法对Ti(C,N)/45号钢钎焊接头残余应力的大小及分布进行分析,结果表明,在钎焊温度为880℃条件下,接头轴向残余应力在Ti(C,N)金属陶瓷侧表现为拉应力,45号钢侧表现为压应力,且拉应力的峰值出现在Ti(C,N)金属陶瓷侧的外边缘靠近钎缝的很小区域内。

关键词:有限元数值模拟;钎焊;拉应力;压应力

中图分类号:TG407文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)04-0015-02

Ti(C,N)基金属陶瓷具有耐磨、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、韧性好、导热率高等一系列优点,其密度只有硬质合金的一半,成为目前人们研究的最成功的WC-Co硬质合金的替代品。但它的缺点是塑性变形能力差、难加工、难以制作复杂结构件,单独使用不太理想。若能这种把金属陶瓷与塑性、韧性及抗冲击能力强的钢等金属的结合,使产品既有陶瓷的长处,又有金属的优点,使其性能得到最佳发挥,必将在航空、航天以及汽车等领域具有广阔的应用前景。

采用钎焊法连接Ti(C,N)与45号钢时,由于Ti(C,N)基金属陶瓷与45号钢在性能上差异较大,使得接头内产生较大的残余热应力。而这种内应力严重时会使焊缝内部产生裂纹,降低接头的强度甚至直接造成开裂,限制了Ti(C,N)基金属陶瓷材料在工程的广泛应用。目前测量焊后接头残余应力大小及分布一般采用X射线衍射法,但对于结构复杂的构件来说有些部位无法测量,且受X射线的穿透深度和衍射斑点尺寸的限制,只能测量接头平面的小区域的残余应力。此外,金属陶瓷/金属接头中残余应力分布复杂、梯度大,难以实现准确测量,因而研究者转向采用有限元法进行分析计算,并以计算结果作为缓解接头残余应力的依据。

一、有限元模型建立

本文研究Ti(C,N)/45号钢钎焊接头冷却后的残余应力问题,建立Ti(C,N)/钎料/45号钢焊接接头的数学模型:假定接头在高温下焊接状况良好,所得焊缝无任何缺陷,由880℃冷却到室温20℃,计算接头中的残余应力的大小及分布。在建立金属陶瓷/钢钎焊对接接头的几何模型时,由于整个接头在两个方向是对称的,计算中取四分之一实际模型建模。由于接头的断裂与靠近焊接件表面的残余应力状态有关,因此分析时简化为二维问题。残余应力可能在离钎缝处约2～3mm内有较大的值,因此在对接头残余应力状态进行分析时取近缝两侧各5mm作有限元分析。如图1所示,线1、2、3和4为垂直于Z轴的平面,与试件外边缘即(Z=3.0mm)的距离分别为0、0.25mm、0.5mm和1.5mm,线5、6、7和8与连接界面的距离分别为0、0.15mm、0.5mm和2.0mm,钎料层厚度为0.1mm。

二、Ti(C,N)/45号钢接头应力计算结果分析

图2为Ti(C,N)/45号钢接头中的轴向应力σx的有限元模拟结果,其中的四条曲线分别代表了在四个不同Z值的线上(图1)沿着x方向的分布。1、2、3、4线依次向Ti(C,N)试件内部深入,纵轴为σx的应力值。表明了在Ti(C,N)侧的轴向应力最大值出现在靠近连接界面处(连接界面的坐标为X=5.0mm)。图2中线1上的轴向应力最大值在X=4.8mm处,σx=120MPa,随着向Ti(C,N)内部深入,轴向应力迅速减小,至线4上时轴向应力在Ti(C,N)一侧已变为负值,在中心部分呈现为压应力状态,这说明在Ti(C,N)上轴向应力的梯度很大。由图2还可以看出σx的最大值随Ti(C,N)表面距离不同也发生变化,线1处的最大值位置为X=4.8mm,线2处 X=4.0mm,线3上X值相对与线2同样呈减小趋势。在45号钢一侧,轴向应力在表面表现为压应力,中心为拉应力,与Ti(C,N)金属陶瓷正好相反,与实际分析的结果相符合。

图3中的四条曲线代表了Ti(C,N)金属陶瓷一侧轴向应力在Z方向的变化,5、6、7、8线上的值代表了逐渐远离连接界面上的应力。从图中可看出应力呈轴对称分布,σx在Z方向的总体变化规律是:金属陶瓷表面的轴向应力最大,向中心过渡时σx减小,在靠近连接界面的中心附近为负值。值得注意的是,线5是连接界面,线6是最靠近连接界面,但其上应力值的最大值都不如线7上的值,这说明了σx的最大值位于Ti(C,N)表面,并在连接界面附近,当偏离这一位置,无论靠近连接界面还是远离连接界面,σx的值都有所下降。

图4中的四条曲线分别代表图1中线1、2、3、4上Z方向残余应力σz沿着X方向的分布情况。由图可知,从远离外表面依次向试件内部深入,Ti(C,N)侧的Z向残余应力表现为压应力且应力的值增长迅速,最大值出现在靠近连接界面处,即X=4.6mm(连接界面坐标为X=5.0mm)。45号钢一侧的应力变化趋势类似,只是其表现为迅速增大的拉应力。

图5给出了接头内X方向剪切应力的计算结果。1、2、3、4四条曲线依次代表向中心过渡的三条不同的Z线。从图可见在Ti(C,N)表面的连接界面处的剪切应力最小,靠近表面的应力线上的应力梯度最大,在稍微偏离连接界面时,剪切应力迅速增加,并在离界面的不远处呈正值,并有一极大值,越过这一位置再远离连接界面时剪切应力逐渐降为零。此外,图中曲线以焊缝为中心大体呈对称分布且在焊缝附近(X=5.0mm至X=5.1mm间为焊缝区域)取得最大压应力76.5MPa,沿着远离焊缝的方向压应力迅速减小,在距焊缝约2.0mm(即X=3.0mm)位置压应力的变化趋于平稳,且逐渐过渡为拉应力,达到最大拉应力13.9MPa后应力值又减小,且趋于向于0。从试件外表面的线1向试件中心的线4过渡中,焊缝两侧的剪应力呈上升趋势,但增幅很小。

图6中的四条曲线分别代表Ti(C,N)基金属陶瓷侧线5、6、7、8上的残余剪应力的大小及分布情况。由图可知,线5、6、7上残余剪应力皆表现为压应力,其最大值出现在靠近Ti(C,N)外表面,沿着远离焊缝的方向最大压应力逐渐减小,且最大值出现的位置向Ti(C,N)中心的靠近,在距离Ti(C,N)外表面约0.5mm(即Z=2.5mm)处剪应力取得最大值76.8MPa,到线7时,其最大剪应力43.3MPa,出现在距Ti(C,N)外表面约0.75mm(即Z=2.25mm)。到线8处,即远离焊缝约2.0mm时,残余剪应力表现为拉应力,在Z=2.25mm处拉应力取得最大值13.9MPa。

三、结论

在钎焊温度为880℃,通过对钎焊接头应力模拟分析对比可知,接头轴向残余应力在Ti(C,N)金属陶瓷侧表现为拉应力,45号钢侧则表现为压应力,且拉应力的峰值出现在Ti(C,N)金属陶瓷侧的外边缘靠近钎缝的很小区域内。从而可知近缝区Ti(C,N)金属陶瓷侧高的轴向残余应力是造成接头在低工作应力下失效破坏的主要原因。

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作者简介:马骋(1975-),男,湖南邵阳人,江苏海事职业技术学院讲师,工程师,硕士,研究方向:金属、异种材料焊接。