九层玻璃／铝阳极焊接接头残余应力应变数值模拟.pdfVIP

学兔兔 第5期(总第180期) 机 械 工程 与 自动 化 NO．5 2013年 l0月 MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUT()MATI()N Oct． 文章编号：1672—6413(2013)05—0092—03 九层玻璃／铝阳极焊接接头残余应力应变数值模拟米 李 娟，刘翠荣，陈慧琴，阴 旭，吴志生 (太原科技大学 材料工程学院，山西 太原 030024) 摘要：利用有限元分析软件MARC，对冷却后的九层玻璃／铝阳极焊接试件进行数值模拟分析，获得了九层 阳极冷却试件内残余应力和应变分布。模拟结果表明，试件冷却后各处的冷却收缩量不同．其内部存在残余 应力和应变，试件发生翘曲；过渡层内的等效应力最大。且关于铝层呈对称分布；铝层内的等效应力值达到 了屈服极限，表明铝层发生了塑性变形，且铝层内的等效应变最大。 关键词：阳极焊接；九层玻璃／铝试件；MARC；残余应力应变 中图分类号：TG404 文献标识码：A 0 引言 件的对称性，选定试件的1／4建立有限元模型，如图1 阳极焊接是一种利用电和热的联合作用来实现材 所示。该模型中的试件以(90 为中心线，AA 为边线， 料固态连接的焊接方法，已经得到了广泛应用n]。采 BB 为对角棱线。边界条件包括0点的固定约束条 用玻璃(陶瓷)与金属材料进行阳极焊接的过程中，由 件、对称面上的对称边界条件以及热传导边界条件。 于玻璃与金属材料热膨胀系数的差异，结束后的冷却 过程中会产生残余应力和应变，过大的残余热应力可 在较小的热膨胀系数的晶片表面造成裂痕，而过大的残 余应变则可能导致热膨胀系数较大的晶片表面变形凸 起[2]，直接降低了接头强度，影响连接质量和MEMS产 品性能[：I]。文献E4~6]分析了二层、三层和五层玻璃／ 铝试件冷却后试件内残余应力应变分布和试件冷却翘 曲变形情况。本文使用有限元分析软件MSC．MARC， 图 1 九层玻璃与铝阳极试件有限元模型 模拟分析了九层玻璃与铝阳极试件冷却过程。 试件初始温度为450℃，环境温度为2O℃。试件 1 建立有限元模型 内各种材质的热物理性能和力学性能参数如表1所 建立模型时，将试样的过渡层当作一个实体，因此 示，并考虑材料性能随温度的变化。考虑到玻璃和铝 玻璃与铝阳极试件几何模型为：玻璃一过渡层一铝。 弹性模量和强度极限的差异，有限元分析采用小变形 网格划分采用三维八节点六面体实体单元。考虑到试 弹塑性分析，其理论基础为弹塑性理论。 表 i 试样中材料的物理性能和力学性能参数 材料 弹性模量(Pa) 线膨胀系数(K ) 比热容[J／(kg·K)] 泊松比 热传导系数[W／(m·K)] 屈服强度(Pa) Glass 6．275×10lo (3．2～3．9)X10— 840 O．2 1．55 1．5×1O0 Al203·Si02 3．7Xl0n 6．S×10— 880 0．22 31 Al 6．8×101o 2．56×1O～5 900～999 0．31 237 3．4×107 2 数值模拟结果分析 于底面中心O点为变形固定约束点，因此该处所有位 2．1 接头残余变形分布特点 移值为零。由图2(a)可知，由于玻璃和铝弹性模量和