真空釬焊液冷模塊殘余應力研究*

羅 錫，王 祥

(中國航空工業計算技術研究所，陜西西安 710068)

0 引言

液冷模塊如圖1所示，作為某型飛機機載核心計算機的關鍵結構件，具有重量輕、耐壓強度高、散熱效果好的特點。

圖1 液冷模塊結構圖

液冷模塊在使用過程中，腔體內部受壓，常規使用壓力為1 MPa，個別液冷模塊在正常使用的情況下，出現鼓包現象，局部產生塑性變形，但未破裂。液冷模塊的內部流道通過真空釬焊焊接形成，液冷模塊的生產加工過程中需經歷真空釬焊、真空氣淬、時效、數控加工、打壓等環節，各工藝環節產生的殘余應力都會對液冷模塊最終的使用產生影響。因此，對液冷模塊真空釬焊及以后各環節殘余應力分析研究，找出影響最終液冷模塊殘余應力的生產環節，在液冷模塊的生產加工中加以消除，是確保液冷模塊安全可靠使用的關鍵。

1 液冷模塊殘余應力測量方法

測量殘余應力的方法大致可以分為機械法和物理法兩類。機械法包括切槽應力釋放法、套孔應力釋放法、逐層應力釋放法、盲孔應力釋放法等，它們都是通過機械的方法將應力釋放出來供測量。物理法包括超聲波測定方法、X射線測定法、電磁測定法、硬度法、開裂法、光測法、中子衍射法等。

筆者利用盲孔法對液冷模塊進行殘余應力測量。

盲孔法測量［2］殘余應力是指在有殘余應力的部位鉆一個小孔，因小孔附近的殘余應力被釋放，孔區附近的殘余應力場發生變化，只要測出該局部區域的應變變化量，即可計算出鉆孔處釋放前的殘余應力值。假定一塊各向同性的平板中存在某一殘余應力，若鉆一小孔，孔邊的徑向應力下降為零，孔區附近應力重新分布，如圖2所示，陰影區為鉆孔后應力的變化，該應力稱為釋放應力，由應變計感受其應變。

圖2 鉆孔應力釋放原理圖

盲孔法是把研究對象假設為均勻應力狀態，設孔無偏心，應變柵無橫向效應，未發生塑性變形，即主要考慮孔深度的影響。

圖3是被測試件鉆孔各階段的應力狀態。在其上鉆一個盲孔，相當于將盲孔的應力去除，這一過程用力學模型表示為c，狀態b是在淺盲孔邊界上施加與原始應力大小相等、方向相反的部分應力。顯然狀態a與b的疊加等于狀態c，狀態c為鉆孔后的應力狀態。分析測試過程，測量的應變計讀數是鉆孔前后的應變變化值。即狀態c的應變減去狀態a的應變，也就是狀態b力學模型下的應變值。

圖3 盲孔法鉆孔各階段應力圖

通常表面殘余應力是平面應力狀態，兩個主應力和主方向角三個未知數，要求用三個應變敏感柵組成應變花進行測量，每個敏感柵的中心布置在同一半徑上如圖4所示。

圖4 鉆孔時應變計敏感柵布置圖

只要測出該局部區域的應變變化量，即可按公式(1)、(2)計算出鉆孔處釋放前的殘余應力值 σ1，σ2，θ。

式中:ε0°，ε45°，ε90°分別為 0°、45°、90°方向上的釋放應變;σ1，σ2分別為最大，最小主應力;θ為最大主應力與ε0電阻應變片參考軸的夾角;E為被測零件材料的彈性模量;A、B為應變花的釋放系數，需要說明的是，釋放系數A、B與應變花的幾何尺寸、孔徑、孔深及材料的彈性模量 E及泊松比μ有關，應用時必須對每種被測材料進行標定，A、B系數不能通用。

2 液冷模塊殘余應力測量

2．1 測量設備及應力釋放系數

液冷模塊殘余應力實驗設備采用打JHZK型精密殘余應力打孔裝置、JH－30殘余應力測試儀、BX120－3CA應變花、φ1．5麻花鉆鉆頭和502粘接劑。

液冷模塊零件材料為進口6061鋁合金［1］，彈性模量68．9 GPa，泊松比0．33，通過對實驗材料同牌號標準試樣在拉力機上對鉆孔釋放系數進行標定，標定的殘余應力釋放系數為:A= －0．265，B= －0．797。

2．2 測量步驟

(1)將應變花按應變計粘貼通用方法準確粘貼在試樣測量點上，并焊好測量導線。粘貼前試樣表面應打磨，但在打磨時不能破壞原有殘余應力場。

(2)按JH－30殘余應力檢測儀說明要求連接線纜。以試片的應變花作為補償片，將各應變計所接電橋進行平衡清零。

(3)安裝鉆具，必要時開啟照明燈，初步對準應變花中心位置。觀察鉆頭始終與應變花中心保持重合。檢測儀平衡清零。

(4)鉆孔，調節好鉆頭深度，連接好手電鉆，即可開鉆。保持合適的壓力，鉆至與夾具套筒間貼合，即預定孔深1．5 mm，拔出鉆頭，過3～5 min，等檢測儀指示穩定時，按 ε0°，ε45°，ε90°測出殘余應變釋放量，按σ1，σ2直接讀出最大和最小主應力數值，按θ顯示最大主應力與ε0°電阻片參考軸的夾角，自動打印測量數據。

2．3 試樣選取及測點分布

為了準確掌握液冷模塊的殘余應力狀況，避免應殘余應力過高導致使用中鼓包現象，對真空釬焊液冷模塊生產過程中可能產生殘余應力工序的樣件都需要測量，為此，根據液冷模塊生產工藝，選取7種狀態的液冷模塊進行殘余應力測量，分別為:真空釬焊后、固溶處理和熱時效后、真空釬焊前的結構件、數控成型后未打壓件、打壓測試后的成品件、使用一段時間的成品件、鼓包故障件。

鼓包現象主要出現在模塊薄板面，盡量選擇薄板面測量，并且與鼓包故障件鼓包處類似結構處。模塊殘余應力測點選擇，焊接后的殘余應力測量:在焊后模塊的薄板和厚板上，及縱側面各2點;固溶處理和熱時效后的殘余應力測量:在熱時效后模塊的壁板和厚板上，及橫和縱側面各2點;真空釬焊前的結構件:正反兩面各測2點;數控成型后未打壓件:厚板內側導流筋上測量2點;打壓測試后的成品件:在模塊的薄板和厚板上各2點;使用一段時間的成品件:模塊薄板面測量1點，;鼓包故障件:模塊薄板面測量4點，按上述方案進行殘余應力測量。

3 殘余應力測量結果及分析

根據液冷模塊殘余應力測試需求，按測試方案，進行了液冷模塊的殘余應力測試，測試過程如圖4所示，液冷模塊各狀態殘余應力測試結果見表1。

圖5 模塊盲孔法鉆孔及應力測試圖

殘余應力是模塊還未承受荷載而早已存在構件截面上的初應力，在模塊服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘余應力的重新分布，不但會降低結構的剛度和 穩定性而且在溫度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。

平面殘余應力場中，為方便比較各點殘余應力大小或判定某點的屈服狀態，把二維狀態的殘余應力等效成一維殘余應力，然后直接用它去對各點進行比較或評判屈服狀態，該一維殘余應力即殘余應力等效為殘余應力最大主應力，σ2為殘余應力最小主應力，單位為MPa。在工件某區域內按一定原則選取多個檢測點，這些點的殘余應力等效值的平均值稱為該區域的殘余應力水平，單位為MPa。通過測試結果計算出液冷模塊各點的切向應力，等效應力，得出各液冷模塊試件的殘余應力水平，見表2。

表1 殘余應力測試結果

從檢測結果看，液冷模塊焊前結構件的殘余應力水平約為16 MPa左右，焊接后的殘余應力水平約為22 MPa左右，固溶處理后殘余應力水平約為15 MPa左右，機加工后殘余應力水平約為33 MPa左右，打壓試驗后殘余應力水平約為90 MPa左右，使用一段時間后殘余應力水平約為92 MPa左右，鼓包后的殘余應力水平陡增為190 MPa左右，殘余應力變化趨勢如圖6所示。

表2 模塊殘余應力水平

從圖6中可看出，液冷模塊打壓前的殘余應力水平都在33 MPa范圍內，但打壓后殘余應力水平陡然上升達到了90 MPa左右。從各點的殘余應力切向應力數值看，打壓試驗前應力值都很小，打壓后各點的殘余應力切向應力數值略有提高，還有個別點等效應力值較大，而與此對應的殘余應力數值也較大。

通過測試分析可得出，液冷模塊在打壓測試后導致殘余應力較大，后期使用后殘余應力與工作應力相互疊加，超過材料的屈服強度導致鼓包產生。

圖6 液冷模塊殘余應力變化趨勢

4 結語

通過對真空釬焊液冷模塊生產過程中產生殘余應力的工序進行測試分析，在釬焊前、釬焊后、固溶時效后、數銑成型后的殘余應力均小于6061材料許用強度41 MPa，打壓測試后模塊壓力達到90 MPa，已經超過材料許用強度，雖然未達到材料屈服強度，但已存在安全隱患，存在使用鼓包的可能。因此，調整打壓測試工藝的時機，或者打壓測試后進行殘余應力消除，是保證液冷模塊安全使用的前提條件。

［1］ 中國航空材料手冊編輯委員會．航空材料手冊［M］．第2版．北京:中國標準出版社，1998．

［2］ 黃 晶，劉宇光，張 濤，等．厚板焊接殘余應力的試驗研究［J］．中國艦船研究，2009，4(5):33－37．