釬焊間隙對釬焊接頭殘余應力的影響

肖逸鋒，張楠鑫，吳靚，張汭

(湘潭大學，湖南 湘潭 411105)

0 前言

管狀等靜壓石墨具有耐熱性好、熱膨脹系數低、抗熱震性能優異、耐化學腐蝕性強、導熱和導電性能好等一系列優點，被廣泛應用于電子、核能源、航天和航空、冶金和機械制造等行業[1-3]。而將等靜壓石墨與不銹鋼釬焊可以將兩種材料的優點結合起來，從而使其接頭在國防工業、民用產業等方面獲得更多可能。在焊接的過程中，由于等靜壓石墨與不銹鋼二者在熱膨脹系數上存在較大差異，極易在靠近釬縫的石墨側形成高應力梯度，即焊接接頭產生殘余應力是不可避免的。焊接殘余應力是造成各種焊接缺陷的重要因素，也是焊接熱應變脆化的根源，對焊接接頭的疲勞壽命有顯著影響[4]。因此，幾十年以來，國內外學者針對緩解石墨與不銹鋼焊接接頭殘余應力的方法開展了大量的研究工作[5]，并在塊狀對接、棒材搭接、板材搭接及管板線接觸式接頭的研究中取得了一系列進展，但對管狀石墨與不銹鋼的釬焊接頭的研究并不多。因此，研究管狀等靜壓石墨與不銹鋼的釬焊，緩解其釬焊接頭殘余應力，有著十分重要的意義。針對這個問題，Xu 等學者[6]對PEMFC金屬雙極板的釬焊接頭計算其殘余應力建立了數值模型，發現其殘余應力大小隨著其釬焊間隙的改變而改變。

通過文獻調研發現，不同的釬焊試驗中其釬焊間隙的預留大小是不同的[7]；釬料的厚度也并不是越厚越好，而是存在一個最佳值[8]。當釬焊間隙小于最佳值時，釬料內的變形梯度非常大，這會使應力消除變得非常困難，從而使得殘余應力增加，導致管狀接頭開裂；當釬焊間隙大于最佳值時，擴散距離增加，管子沒有焊滿，降低接頭強度；梅東方[9]研究了釬焊間隙對純銅釬焊Q235 鋼接頭組織與力學性能的影響，并進行了進行了試驗和討論，為管狀石墨與不銹鋼釬焊選擇合適的釬焊間隙提供了參考。但由于其熱膨脹系數不同，則最佳釬焊間隙也不一樣，其對管式釬焊接頭的指導意義不強。因此，研究管狀石墨與不銹鋼最佳的釬焊間隙對緩解其殘余應力的作用是十分必要的。

國內外學者在異種金屬焊接數值模擬分析方面已取得了突破的成就，但對管狀異種金屬釬焊的研究并不多[10]。因此，在前人研究的基礎上，采用有限元分析軟件，對等靜壓石墨管/BNi-2/304 不銹鋼管釬焊接頭進行模擬，研究該接頭釬焊間隙不同時殘余應力的變化情況，并結合試驗討論不同殘余應力對接頭性能的影響，從而為管式真空釬焊接頭的工程應用提供理論依據；同時由于碳材料之間存在共性，高強度石墨與不銹鋼的連接也為其他炭材料（如C/C 復合材料）與不銹鋼的釬焊連接提供一定理論依據[11]。

1 材料與方法

試驗選用母材為等靜壓石墨和304 不銹鋼，等靜壓石墨的主要性質見表1；304 不銹鋼的化學成分見表2，其釬焊性能參數見表3；釬料為非晶BNi-2 箔片釬料，其化學成分見表4，釬焊性能參數見表5。試樣裝配完成后高度為45 mm，局部裝配示意圖如圖1 所示，其中石墨管內徑為17.3 mm，17.5 mm，17.7 mm，17.9 mm，管壁厚4 mm；不銹鋼管內徑為16.0 mm，外徑為17.0 mm；釬焊間隙分別為50 μm，150 μm，250 μm，350 μm；固定釬料厚度。真空釬焊試驗在JTCZK-20-15 真空鉬片燒結爐中進行，真空度約為2×10-3Pa，連接溫度1010 ℃，保溫時間90 min，釬焊熱循環如圖2所示。

圖1 局部（1/4）試樣裝配示意圖

圖2 釬焊熱循環示意圖

表1 等靜壓石墨的主要性質

表2 304 不銹鋼的化學成分（質量分數，%）

表3 304 不銹鋼的釬焊性能參數

表4 非晶BNi-2 箔片釬料的化學成分（質量分數，%）

表5 非晶BNi-2 箔片釬料的釬焊性能參數

2 有限元模型的建立與計算

使用ANSYS 有限元分析軟件對等靜壓石墨/BNi-2/304 不銹鋼管狀釬焊接頭進行三維有限元模擬。假設：接頭均勻無缺陷且元素不發生過渡；定義等靜壓石墨為彈性體、BNi-2 與304 不銹鋼為彈塑性體，且均為各向同性，各部分間的連接點為共節點[12]；不考慮爐體的熱傳導和發生在爐內的熱輻射過程；以BNi-2 釬料熔化溫度960 ℃為零應力溫度，即認為此前的釬焊過程中不產生殘余應力，只對溫度區間20～960 ℃，冷卻速度為1 ℃/min 的降溫過程進行殘余應力分析。模擬所用的相關材料性能參數見表6[13]。

為簡化計算，選取接頭的1/4 建立3D 模型，并將各個部分連結成一個整體。首先，對各個部分進行掃掠網格劃分，得到均勻且質量較高的四面體網格，同時由于釬縫存在較大應力集中，故對此處做梯度細化網格以提高計算精度，網格劃分完成后如圖3 所示。其次，對模型進行溫度場模擬，后利用接頭的對稱性在模型的兩側和底面施加位移約束，最后將溫度場結果作為溫度載荷施加到靜應力場進行殘余應力計算。

圖3 模型網格劃分

3 結果分析

經釬焊過程模擬計算，釬焊接頭的Mises 殘余應力云圖如圖4 所示。由圖看出，由于石墨與不銹鋼間較大的熱膨脹系數差異，使得焊縫存在著較高殘余應力，次高殘余應力出現在304 不銹鋼和近縫區中，同時接頭頂端區域的應力分布也相對復雜多變。

圖4 等效應力分布云圖

為討論這些部位的殘余應力分布，選取軸向304不銹鋼路徑AB、釬料路徑CD、石墨路徑EF 及徑向頂端路徑GH 作以詳細分析，路徑具體設置如圖5 所示。軸向長度由底部向上50 mm，徑向由原點向外長度22 mm。最大限度的保證只有釬焊間隙對釬焊殘余應力存在影響，不存在其他人為方面的影響。

圖5 選取路徑示意圖

通過模擬分析不同路徑的殘余應力大小來驗證釬焊間隙對釬焊殘余應力的影響。從而找出間隙在50～350 μm 之間的最佳釬焊間隙，使得釬焊殘余應力最小，從而不影響實際應用，與試驗相驗證。

3.1 不同釬焊間隙下304 不銹鋼和BNi-2 釬料的等效應力

由于304 不銹鋼和BNi-2 釬料都為彈塑性材料，根據第四強度理論知，可用等效殘余應力分析該部分的接頭強度，結果如圖6 所示。從圖中可以看出在釬焊間隙為50～350 μm 之中，不銹鋼和釬料中的等效殘余應力分布情況大致相同，皆是由底部到頂部不斷減少，到距頂端約15 mm 的位置后逐漸減少。不銹鋼的最大等效應力在400～500 MPa，釬料中的最大等效應力在300～400 MPa。盡管兩路徑中的最大等效殘余應力都超過了材料的屈服強度，但由于材料本身的彈塑性特性，可以通過一定程度的塑性變形來緩解接頭內部存在的較大的熱應力，因此對接頭的強度沒有太大的影響。

圖6 不同釬焊間隙下路徑AB 和CD 的等效應力分布

3.2 不同釬焊間隙下石墨最大主應力

通過四點抗彎試驗驗證對于陶瓷-金屬的釬焊接頭，其最易斷裂點在陶瓷基體的最大殘余拉應力處[14]。等靜壓石墨作為脆性材料，殘余拉應力對其結構有著更為不利的影響。故對不同釬焊間隙條件下石墨側路徑EF 的最大主應力進行模擬，結果如圖7 所示，石墨側的最大主應力皆為拉應力。對于釬焊間隙為50 μm，150 μm，250 μm，350 μm 的管狀接頭，最大主應力峰值位于接頭頂端，其值為58.7 MPa，58.3 MPa，53.1 MPa，50.6 MPa。4 種尺寸的接頭均在距頂端2000 μm 處取得最大主應力的最小值，分別為5.16 MPa，5.44 MPa，6.16 MPa 和7.15 MPa。然后，隨著離頂端越遠，最大主應力先變小后略微升高最終穩定在一個范圍內。因此，接頭頂端到距頂端937.5 μm 的石墨基體皆是易發生脆斷的部位，影響接頭的力學性能。隨著釬焊間隙的不斷增加，最大主應力也不斷變大。但這并不意味著釬焊間隙越小越好，釬焊間隙過小時可能會產生母材間連接不充分等問題。為獲得高質量的釬焊接頭，應在滿足充分連接的前提下，盡可能使殘余應力較小。

圖7 不同釬焊間隙下石墨路徑EF 的最大主應力分布

3.3 不同釬焊間隙下端面殘余應力

為詳細討論端面接頭的殘余應力分布，分別對頂端路徑GH 的徑向應力、環向應力和軸向應力做模擬，計算結果分別如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 不同釬焊間隙下徑向應力分布

圖9 不同釬焊間隙下環向應力分布

圖10 不同釬焊間隙下軸向應力分布曲線

圖8 為不同釬焊間隙下路徑GH 的徑向應力分布曲線。從圖中可以看出，石墨側呈拉應力，不銹鋼側呈壓應力。這是因為等靜壓石墨的熱膨脹系數遠小于304 不銹鋼和BNi-2 釬料的熱膨脹系數，在冷卻階段由于界面已經完成連接，石墨會受到來自金屬的拉應力增加收縮量，304 不銹鋼和釬料受到石墨的壓應力而減小收縮量，使接頭變形達到平衡。同時，當釬焊間隙為50 μm，150 μm，250 μm 和350 μm 時，在其石墨側，距釬料612.5 μm，803.1 μm，800.0 μm 和990.6 μm 處取得最大徑向殘余應力，分別為69.453 MPa，63.3 MPa，60.9 MPa 和57.8 MPa。隨著釬焊間隙的不斷增加，石墨徑向殘余應力逐漸減小，對接頭的不利影響逐漸降低。但釬焊間隙增加時，304 不銹鋼側的徑向殘余應力也逐漸增加，304 不銹鋼與等靜壓石墨的相互作用力變大，增加到一定程度時，使得接頭在釬焊冷卻過程中由于熱應力釋放速率不均而拉斷接頭，嚴重影響接頭質量。因此，徑向應力的大小和分布是影響管狀釬焊接頭質量的重要影響因素。當釬焊間隙為50 μm 時，石墨側徑向殘余應力最大，304不銹鋼徑向殘余應力最小，母材連接可能不充分；當釬焊間隙為150 μm 時，石墨徑向殘余應力大量減小；304 不銹鋼徑向殘余應力沒有明顯變化，母材連結良好；當釬焊間隙為250 μm 時，石墨徑向殘余應力繼續減少，但304 不銹鋼徑向殘余應力增加，兩者相互作用可能拉斷接頭；當釬焊間隙為350 μm 時，石墨與不銹鋼相互作用力最大，接頭被拉斷；綜合考慮石墨和不銹鋼兩側徑向應力發現，當釬焊間隙為150 μm 時，能獲得良好接頭且在試驗中獲得證明。

圖9 為不同釬焊間隙下路徑GH 的環向應力分布曲線。從圖中可以看出，在304 不銹鋼和石墨環向殘余應力均呈壓應力，且在釬縫存在突變。由之前的分析知，壓應力對等靜壓石墨基體的斷裂和不銹鋼及釬料層結構的破壞影響不大，故環向殘余應力的大小和分布對接頭強度不起主要影響作用。

圖10 為不同釬焊間隙下路徑GH 的軸向應力分布曲線。靠近軸線的不銹鋼側壓應力不斷增加，至近釬縫發生突變為拉應力，又在釬料與石墨的連接界面突變為壓應力，隨著與界面的距離不斷增加，石墨所受壓應力也逐漸減小，最后基本保持不變。因此，軸向殘余應力的大小和分布依然不是影響石墨側接頭質量的主要因素。對于高密度石墨和金屬的釬焊接頭，在釬焊過程中未釋放的熱應力極易在石墨側產生裂紋[15]。結合圖10 分析，在頂端約束較少的情況下，石墨側近縫區（距釬縫約1 mm）存在著較大的徑向拉應力和環向壓應力、軸向壓應力，由于等靜壓石墨的抗拉強度較低，抗壓性能很好，因此更容易在徑向方向拉斷石墨基材，形成環形裂紋，從而影響接頭強度。再結合圖7 的結論，可知在釬焊間隙為350 μm 左右，沿軸線方向距頂部約900 μm，沿徑向方向距釬料層約600～1000 μm 處等靜壓石墨極易發生斷裂，產生軸向裂紋衍生至接頭端面，從而對管狀接頭強度產生不利影響。這一點可在試驗中得到證實，如圖11 所示。

圖11 試樣接頭試驗結果

4 結論

（1）經釬焊過程，304 不銹鋼兩側接頭和BNi-2 釬料的最大等效殘余應力分別可達400～500 MPa 和300～4000 MPa，但可通過一定的塑性變形緩解接頭中的熱應力集中，對接頭的強度影響不大。

（2）對于接頭的等靜壓石墨，徑向正應力是影響基體斷裂的主要因素，釬焊間隙增加，等靜壓石墨徑向殘余應力減小，接頭強度提升，但釬焊間隙過厚時會引起304 不銹鋼與等靜壓石墨的相互作用力變大，嚴重時會在熱應力釋放階段拉斷接頭，影響接頭質量。

（3）對于等靜壓石墨/BNi-2/304 不銹鋼管狀釬焊接頭，其接頭頂端的殘余應力分布集中且復雜，當釬焊間隙為150 μm 左右時，獲得良好接頭；當釬焊間隙為50 μm 左右時，母材連接不充分；當釬焊間隙在250 μm 左右時，受304 側與石墨側的徑向殘余應力共同作用下，接頭在石墨側產生環形裂紋；當釬焊間隙在350 μm 左右時，沿軸線方向距接頭頂部約900 μm，沿徑向方向距釬料層約600～1000 μm 處的等靜壓石墨為接頭薄弱區，并產生軸向裂紋并衍生至接頭端面產生環狀裂紋。