基于ANSYS的溫度壓力復合傳感器焊接應力應變分析

姜曉龍，王德偉，李玉欣，孫 帥

(1.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001； 2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；3.中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

0 引言

隨著我國航天飛行器的快速發(fā)展，許多型號任務提出了多物理量、多參數(shù)并行測量和處理的需求，一體化多功能復合傳感器受到越來越多的關(guān)注。

一體化多功能復合傳感器的主要研究對象是復合信息，這種復合信息包含至少兩個甚至多個物理量，可以是力、聲、濕度、溫度、光照度、磁場等以某種準則疊加的結(jié)果。市面上常見的比較成熟的復合傳感器是溫度和壓力兩個物理量的測量[1-5]。

現(xiàn)有的溫度/壓力復合傳感器主要有兩種方式復合：A.將溫度芯片和壓力芯片組裝在一起的傳感器。通過這種方式復合，溫度敏感芯片和壓力敏感芯片需要分別進行封裝，并與被測介質(zhì)隔離。但這種封裝方式的兩個芯片距離較遠，不能同時感受到小的局部區(qū)域溫度和壓力信號。B.將溫度敏感芯片和壓力敏感芯片制作在同一塊芯片上，實現(xiàn)單芯片多功能。但溫度芯片通常基于鉑基，而壓力芯片則基于單晶硅，在制作工藝上想要將這兩個敏感芯片制作在同一個芯片上，兼容性很差，制作出性能良好的單芯片溫度/壓力復合傳感器十分困難，因此將測量不同物理量的芯片組裝在一起是比較常用的復合方式[6-9]。

某型號溫度/壓力復合傳感器在批產(chǎn)過程中，近1/4的產(chǎn)品出現(xiàn)壓力輸出準確度不合格現(xiàn)象，經(jīng)過復測，確認了產(chǎn)品的故障，并通過查詢生產(chǎn)記錄及過程檢驗記錄，尋找導至產(chǎn)品發(fā)生故障的工步。通過分析，確定了該工步對傳感器的影響，并對產(chǎn)品實施了相應的改進，大大提高了產(chǎn)品成品率。

1 結(jié)構(gòu)簡介

某型號溫度/壓力復合傳感器主要由殼體、底座、壓力芯體、溫度芯片以及相關(guān)調(diào)理電路等組成。壓力芯體感受壓力信號，溫度芯片感受溫度信號，再經(jīng)調(diào)理電路對兩個信號的處理，輸出電信號，完成壓力和溫度測量。圖1為溫度/壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 復合傳感器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Compound sensor structure diagram

2 故障現(xiàn)象

為用戶提供某批次88只配套使用的溫度/壓力復合傳感器，其生產(chǎn)過程中出現(xiàn)22只產(chǎn)品準確度不合格現(xiàn)象。公式(1)為該產(chǎn)品準確度的計算公式：

(1)

式中：S—準確度，kPa或℃；Ii—傳感器各測試點電流輸出，mA；I0—傳感器各理論電流輸出，mA；IFS—滿量程輸出標準值，16mA；FS—滿量程測量值，kPa或℃。

在被測傳感器全量程范圍內(nèi)選擇下限點、上限點和常壓輸出作為測試點，要求3個測試點由公式(1)計算的準確度均在±0.5 kPa范圍內(nèi)，經(jīng)過對該批次產(chǎn)品的測試及計算，有22只產(chǎn)品準確度不合格，如表1所示。

表1 故障產(chǎn)品準確度測試數(shù)據(jù)Tab.1 Faulty product accuracy test data

續(xù)表1

表1中的準確度為3個測試點計算結(jié)果絕對值最大值。

3 故障分析

3.1 故障原因分析

通過查詢產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄和過程檢驗記錄發(fā)現(xiàn)：總裝完成后，傳感器準確度合格；進行下一工步——殼體與底座焊接，該工步完成后，測試產(chǎn)品常壓輸出，此時發(fā)現(xiàn)22只傳感器產(chǎn)品準確度不合格，由此懷疑是殼體與基座間焊接產(chǎn)生的焊接應力導致了準確度不合格現(xiàn)象。

3.2 焊接應力消除

常用焊接殘余應力的消除方法有3種：熱處理法、機械法和振動法。熱處理法可消除產(chǎn)品中80%～90%的殘余應力，也是應用最為廣泛和效果最好的方法。因此，為了消除傳感器產(chǎn)品中的焊接應力，采用熱處理方法，將22只不合格產(chǎn)品進行了溫度循環(huán)試驗。表2為該22只不合格產(chǎn)品溫度循環(huán)前、后測試常壓輸出的數(shù)據(jù)對比及該測試點的準確度計算結(jié)果。

由表1及表2常壓輸出對比可知：產(chǎn)品在進行溫度循環(huán)前的常壓輸出與焊接后直接測得的常壓輸出存在差異，且前者小于后者。該現(xiàn)象表明，傳感器產(chǎn)品在焊接后一定時間內(nèi)仍在釋放焊接應力，使得常壓輸出數(shù)據(jù)減小。

在進行溫度循環(huán)試驗前，經(jīng)過長時間監(jiān)測，22只產(chǎn)品的常壓輸出基本不發(fā)生變化，變化量趨于0 mA，焊接殘余應力經(jīng)過短時間“自然時效”釋放完畢，但仍存在殘余應力，使得產(chǎn)品準確度并不合格，如表2中準確度數(shù)據(jù)所示。

表2 溫循前后故障產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of normal pressure output data for faulty products before and after temperature cycle

3.3 焊接應力近似仿真分析

焊接應力是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應力。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中這種應力和變形稱為瞬態(tài)焊接應力和變形；焊接溫度場消失后的應力和變形稱為殘余焊接應力和變形[10-11]。

3.3.1 原結(jié)構(gòu)仿真分析

傳感器產(chǎn)品兩個焊接件為回轉(zhuǎn)體。取焊接后產(chǎn)品某一截面為研究對象，內(nèi)部應力達到平衡，因此采用靜力學仿真分析，替代焊接過程仿真。將殘余應力分解成焊縫方向的縱向殘余應力與垂直于焊縫方向的橫向殘余應力。圖2為焊縫處殘余應力示意圖。

圖2 焊接殘余應力分解示意圖Fig.2 Welding residual stress decomposition schema

以ANSYS為仿真平臺，對該焊接殘余應力進行分析，查看對內(nèi)部壓力芯體產(chǎn)生的影響。以發(fā)生故障傳感器產(chǎn)品為分析對象，建立三位模型及有限元模型并添加邊界條件，進行有限元仿真分析。圖3為原結(jié)構(gòu)芯體受到的應力云圖。由圖3可知，焊接應力對壓力芯體產(chǎn)生的最大應力為1.557 2 MPa，使得芯體發(fā)生漂移。

圖3 壓力芯體應力云圖Fig.3 Pressure core body stress nephogram

3.3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真分析

通過以上的測試數(shù)據(jù)以及原結(jié)構(gòu)的仿真分析，確定為焊接殘余應力導致產(chǎn)品準確度不合格，因此需要采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計手段，對焊接部位進行優(yōu)化，減少焊接應力對壓力芯體的影響。考慮到該產(chǎn)品已定型，本研究中采取增加退熱應力槽深度辦法，減小焊接應力對芯體的影響。圖4為增加退熱應力槽深度前后及不同深度退熱應力槽時，該部位的應力云圖。

圖4 退熱應力槽應力云圖Fig.4 Stress cloud map of restress tank

由圖4可知，原結(jié)構(gòu)中退熱應力槽部位最大應力為305.08 MPa。當退熱應力槽深度增加至3 mm時，最大應力增加至344.3 MPa。當退熱應力槽深度進一步增加至4 mm時，最大應力減小至312.01 MPa。其均在采用的不銹鋼材料屈服極限214 MPa以上。進一步分析不同深度退熱應力槽焊接時，焊接應力對壓力芯體的影響，如圖5所示。

圖5 壓力芯體應力云圖Fig.5 Pressure core body stress nephogram

由圖5可知，原結(jié)構(gòu)壓力芯體承受的最大應力為1.557 2 MPa。將退熱應力槽深度增加2 mm后，壓力芯體承受的最大應力為0.269 78 MPa。進一步將退熱應力槽深度增加至4 mm時，壓力芯體承受的最大應力為0.068 275 MPa。相比較原始結(jié)構(gòu)，壓力芯體承受的最大應力減小了約27倍。

從以上分析結(jié)果可知，增加去應力槽后，焊接殘余應力在去應力槽位置進行隔離，可明顯減小焊接殘余應力對壓力芯體的影響。但考慮到底座的強度等原因，將退熱應力槽深度由原來的1 mm增加至2.5 mm。

4 驗證試驗

4.1 試驗樣件驗證

以底座中的退熱應力槽深度2.5 mm為審計參數(shù)，重新進行傳感器產(chǎn)品設計，并進行生產(chǎn)、組裝和前期的檢驗試驗。圖6為該樣件產(chǎn)品在經(jīng)過各個試驗后的常壓輸出情況。

圖6 樣件產(chǎn)品試驗點常壓輸出值Fig.6 Sample product test point constant pressure output value

經(jīng)過試驗，表3為總裝后和經(jīng)過出所檢驗后常壓輸出值及準確度值情況。

表3 樣件產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of normal pressure output data for sample products

由圖6及表3可知，優(yōu)化后的設計參數(shù)，即退熱應力槽深度為2.5 mm時，產(chǎn)品的常壓輸出變化量僅為0.042 mA，準確度為0.062 5，達到了指標要求。

4.2 故障產(chǎn)品返工驗證

對該批次不合格產(chǎn)品進行返工，將退熱應力槽深度增加至2.5 mm，并重新進行總裝及出所檢驗，除去14、15、27、77和79號產(chǎn)品用于分析故障原因外，其余產(chǎn)品經(jīng)過返工后，常壓輸出及準確度情況如表4所示。

表4 返工產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對比Tab.4 Comparison of normal pressure output data for reworked products

由表4可知，經(jīng)過將退熱應力槽加深后，不合格產(chǎn)品的常壓輸出變化量減小，準確度均合格。

5 結(jié)語

某型號溫度/壓力復合傳感器在批次生產(chǎn)過程中出現(xiàn)1/4的產(chǎn)品發(fā)生準確度不合格現(xiàn)象。經(jīng)過對生產(chǎn)過程文件查詢，其發(fā)生在底座與殼體焊接工步。采用熱處理方法進行應力消除，未達到預期效果。進一步采用有限元進行靜力學近似仿真分析，尋找到殘余應力與焊接位置應力、壓力芯體承受的應力之間的關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果對不合格產(chǎn)品進行退熱應力槽的優(yōu)化設計，將槽深由原來的1 mm加深至2.5 mm，并通過樣件驗證。再將優(yōu)化結(jié)果應用至不合格產(chǎn)品中，經(jīng)過檢驗，優(yōu)化后的傳感器產(chǎn)品均合格，驗證了分析的正確性。