9料钎焊陶瓷接头残余应力场的数值模拟.pdfVIP

复合钎料钎焊陶瓷接头残余应力场的数值模拟 李雅范1，姬书得2。杨建国3，方洪渊3 (1．哈尔滨电机厂交直流有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040；2．沈阳航空航天大学， 辽宁沈阳110136；3．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001) 【摘要】作为陶瓷／金属或陶瓷／陶瓷连接的主导方法之一，钎焊广泛地应用于工业等领域。但由于金属与陶 瓷的热膨胀系数差异大，导致陶瓷接头在钎焊降温过程中产生很大的残余应力，造成接头的强度下降，因此陶 瓷接头的应力缓解问题也就成为了陶瓷／金属或陶瓷／陶瓷连接亟待解决的问题之一。 本文主要应用非线性有限元软件MARC研究朋203颗粒增强复合钎料钎焊A1203陶瓷接头的残余应力场，从微 小尺寸与实际尺寸两方面对陶瓷接头的变形及应力场进行了研究。在变形方面，有限元计算结果表明：陶瓷接 头钎缝区域的变形大于陶瓷基材的变形；在陶瓷一钎缝界面附近，变形连续过渡。在应力方面，模拟结果表明： 陶瓷接头的最大应力位于陶瓷一钎缝界面；应力主要集中于陶瓷一钎缝界面附近；陶瓷颗粒的加入对陶瓷钎焊 接头的应力起到了缓解作用，其缓解程度随陶瓷颗粒体积比的增加而增大。 此外，通过陶瓷钎焊接头的剪切强度实验定性地验证了接头剪应力的模拟结果；同时采用背散射电子像对陶瓷 接头的组织进行了分析，解释了陶瓷接头的剪切强度随陶瓷颗粒体积比的增加而先增大后变小的原因。 【关键词】Ag-Cu·Ti复合钎料；A1203／A1203；有限元；残余应力 金属连接的主导方法之一【l】。而其中的活性钎焊方法 l 前言 得到了较快的发展与较深的研究。活性钎焊方法利用 近些年来，在高温高压屏蔽电机上，陶瓷焊接 活性元素与陶瓷发生反应，基本可以解决陶瓷与金属 作为一项新的材料焊接技术，国外已经开始使用。我 的润湿性问题i21；但由于陶瓷与金属的热膨胀系数差 们在对国外技术转让过程中，陶瓷端子的焊接是三项 异大，有时差别近七倍，从而在接头处产生很大的残 不转让技术之一，这给屏蔽电机的制造技术国产化带 余应力，使接头强度下降叫l。为了降低接头的残余 来很大的困难。对此，我们已经立题进行研究。本文 应力以提高接头的强度，科研工作者采用了诸如加入 作为前期技术储备，从陶瓷焊接应力及微观组织状态 中间层、加入金属网、利用激光在陶瓷表面打孔等方 的角度，分析研究了陶瓷焊接接头特性，对陶瓷焊接 法I蛐】，这些措施的应用在不同程度上起到了缓解残 接头的可靠性进行了初步探索。 余应力的作用，提高了接头的强度。但是这些方法也 陶瓷材料具有强度高、硬度高、弹性模量大、 存在工艺过程复杂、成本高的特点，因而限制了其应 热膨胀系数小、密度低、耐高温、抗腐蚀及耐磨等优 用。 异的力学性能和物理化学性能，目前它在航空、航天、 在钎料中加入陶瓷颗粒的思想是在复合材料的 军工、核能、汽车及刀具制造等领域的应用越来越广 颗粒增强体的理论上提出的。由于钎料的基体是普通 泛。世界经济发达国家早在60、70年代就投入大量的钎料合金，其塑韧性好；而陶瓷颗粒具有低的热膨 资金和人力进行该领域的研究，我国从80年代开始 胀系数，它的存在会降低钎料整体的热膨胀系数，使 也对其进行大规模研究。从而使与之相伴的陶瓷与金 陶瓷与金属接头的热膨胀系数更加匹配，这样可缓解 属连接就成为了焊接领域的一个热点课题。 接头的残余应力，提高其强度。其增强效果主要依赖 对于陶瓷与金属连接主要需解决三个方面的问 于颗粒在复合钎料中所占体积百分数、分布的均匀程 题：金属与陶瓷的润湿问题、金属与陶瓷接头的应力 度、颗粒直径以及颗粒与钎料基体的结合情况等因 缓解问题及