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alal2o3异种材料零件钎缝处的应力分析 金属-陶瓷连接结构是一种异质材料连接的结构，其强度和热膨胀系数差异很大。在额外机械的作用下，结构通常显示连接界面的失败模式，其中一些是通过额外的温度载荷引起的。 界面韧性断裂力学的发展已经对此作出了越来越深入的理论解释。 但是另一方面, 连接过程的温度变化在金属-陶瓷结构件界面处导致的力学响应却很少有研究。 钎焊方法是金属-陶瓷结构件的一种常见连接方法。 由于两种材料的热膨胀系数不匹配, 焊后冷却过程将导致钎缝界面处形成较大的应力-应变场, 并可能出现焊接热裂纹。 同时有研究表明, 选择具有合适性能参数的中间层合金将有助于改善异种材料连接的界面应力问题。 为此本文作者采用有限元方法(FEM, Finite Element Method)研究了焊后冷却过程导致的Al-Al2O3结构件钎缝处的力学响应特征。 同时通过分析中间层合金热膨胀系数变化对钎焊圆角处最大剪切应力的影响, 给出了优化的材料热膨胀匹配方案。 1 轴对称结构模型 图1所示为Al-Al2O3钎焊件结构示意图。 Al2O3陶瓷表面镀有一层0.2 mm厚的Cu以改善可焊性。 中间层合金为Sn基低熔点合金, 厚度为0.1 mm。 该结构为轴对称结构, 其1/2部分相对应的二维FEM网格模型示于图2, 图3所示为钎缝圆角(在图1中被忽略)的局部放大图。 模型采用8节点等参单元, 共1 776个单元, 5 463个节点。 有限元数值模拟软件为商用非线性有限元程序包ANSYS5.6, 所有材料均假设为线弹性, 计算中采用的材料性能参数列于表1。 冷却过程是唯一的外加温度载荷, 考虑到所采用的Sn基中间层合金的熔点仅为180~190 ℃, 计算中采用的冷却温度范围为180~20 ℃。 2 剪切应力的分布 对于此类钎焊结构件, 由于钎缝长度远大于钎缝高度, 我们最关心的力学响应参数是剪切应力-应变场。 同时由于应力集中出现于几何奇异位置, 我们最关心的结构部位就是钎缝圆角附近。 图4所示为钎缝圆角附近剪切应力等值分布图, 图5所示为进一步的局部放大图。 可见最大剪切应力位于钎缝圆角处和靠近钎缝圆角的Al2O3陶瓷/Cu镀层金属界面处。 这一计算结果与试验结果相吻合, 即焊后裂纹主要出现于上述两个部位。 3 中间层合金热膨胀匹配方案设计 冷却过程之所以能够在钎焊件中引发应力-应变, 是由于结构中4种材料的热膨胀系数不匹配。 这一方面是Al2O3陶瓷与Al两个被连接对象之间的整体热膨胀失配, 另一方面是各层材料之间的局部热膨胀失配。 现假设Al2O3, Al和Cu 3种材料的热膨胀系数不可改变, 在此条件下分析了中间层合金热膨胀系数变化对钎缝圆角处最大剪切应力的影响, 进而给出了优化的中间层合金热膨胀匹配方案。 中间层合金热膨胀系数变化对钎缝圆角处最大剪切应力的影响示于图6。 计算中假设的中间层合金热膨胀系数, 最大值大于Al的相应值, 最小值小 于Al2O3的相应值。 计算结果表明, 当中间层合金的热膨胀系数与Al的热膨胀系数相匹配时, 钎缝圆角处的剪切应力最小。 也就是说, 对于研究所涉及的多层异种材料钎焊结构, 中间层合金的热膨胀系数应该与结构中热膨胀系数最大的Al相匹配, 这样才能最大限度地减小冷却过程在钎缝圆角处导致的剪切应力。 4 陶瓷/cu镀层金属界面模拟 由于异种材料之间热膨胀系数不匹配, 冷却过程将在Al-Al2O3钎焊件内部导致热应力。 有限元计算结果表明最大剪切应力位于钎缝圆角处和靠近钎缝圆角的Al2O3陶瓷/Cu镀层金属界面处。 同时为最大限度减小冷却过程在钎焊件内部导致的剪切应力, 中间层合金的热膨胀系数应该与Al的热膨胀系数相匹配。