ANSYS自蔓延法连接铝基复合材料过程数值模拟(2)
1 绪论
1.1 选题背景及意义
金属基复合材料（Metal Matrix Composites，简称MMCs）是将金属与增强体结合而成的材料。常用金属基有镁、铝、钛等轻金属，将增强体以SiC、Al2O3、Cr2O3等陶瓷颗粒形式加入金属，能使其获得高比强度、比刚度，低热膨胀系数以及良好的抗辐射、抗疲劳、导热、导电等优良的综合性能，基于以上优点，金属基复合材料广泛用于航空、航天、电子、机械等领域[1-3]。特别是铝基复合材料以其密度低、基体合金选择范围广、制造成本低、工艺多样等优点成为金属基复合材料中备受关注的热点，SiCp/Al复合材料就是其中一种[4-5]。
但由于铝基复合材料的内部结构非常复杂，使得复合材料的连接要比其他材料，比如性质相同的材料复杂的多，所以研究者们在探索复合材料的道路上一直困难重重。为满足铝基复合材料的广泛应用，解决其连接问题在工程应用上显得尤为重要，目前通常采用的焊接方法多为熔焊、钎焊和扩散焊。本课题采用钎焊的方法连接铝基复合材料，热源为自蔓延反应产生的热量。
自蔓延反应（Self-propagating Reaction）能在极短的反应时间内产生足够大的集中热量，将自蔓延反应作为钎焊的热源，产生的热可用来熔化钎料实现复合材料的连接，它具有很多优势，比如连接效率高、对母材的热影响小、热应力低[6-7]，因此采用自蔓延反应进行SiCp/Al复合材料的连接能改善传统钎焊过程的很多问题。但在实际操作中，利用自蔓延反应产生的热量来连接材料也有一定的局限性。研究表明，Al/Ni自蔓延薄膜的燃烧波移动速度最快可达30m/s，降温速度极快，可在几十毫秒内从1400℃降到室温[8-10]，这就为测量实验中的数据，如温度场和应力场造成很大困难。随着各种分析方法，如差分法、有限元等方法的发展，焊接工作者们探索出了一种新方法来获得焊接过程中的各项数据，那就是利用模拟分析技术来计算焊接热应力和残余应力。传统的焊接研究多采用实验手段的方法，但一些焊接方法用实验测量很难实现，并且无法保证测量结果的准确性，如本文的自蔓延法，由于反应膜太薄以及反应速度过快导致了数据测量困难。如果在航天、军工等重要的焊接结构制造过程中，由于实验测量的不准确导致了焊接结构的失败，那将造成无法挽回的损失。而数值模拟有其他测量方式不可比拟的优势，很多焊接过程都可以采用数值模拟技术。
下面将对铝基复合材料的钎焊发展进行简要介绍，并对数值模拟技术做详细叙述，然后提出本课题的主要研究内容。
1.2 铝基复合材料的钎焊发展
钎焊是一种适用范围较广泛的高质量连接方法。铝基复合材料的钎焊具有很多优势，但是也不可避免地存在问题。相比起其他方法，钎焊的加热温度要低很多，所以对母材的影响也较小，在这种情况下SiC等增强体与基体的界面反应也会大大减小；与熔焊相比，钎焊具有接头美观以及能很好地适应精密结构复杂件的特点。然而增强体会阻碍钎料在木材上的润湿和铺展，降低连接质量，并且增强体还会在一定程度上阻碍焊接的温测，由于钎焊的优劣势共存，使得它成为国内外研究的热点问题[11-12]。
近年来很多中外学者对SiCp/Al复合材料钎焊做了各方面的研究。
邹家生等采用低熔点Al-28Cu-5Si-2Mg钎料在真空中对SiCp/LY12进行了实验，该实验证明钎焊工艺、SiC颗粒的体积分数和焊后时效处理均会影响接头强度，在550℃的钎焊温度下，体积分数10%的SiCp/LY12复合材料接头强度在保温时间为3min时接头强度达到最大；随SiC颗粒的数量增加，钎焊接头的剪强度会有明显降低；钎焊接头焊后立即进行一定条件的固溶时效处理，接头强度会提高很多[11]。常玲玲等对SiCp/Al进行化学复合镀Ni处理，再分别用Al-Ni-Cu和Al-Ag-Cu钎料对处理后的复合材料进行氩气保护钎焊，实验结果表明，镀镍层与Al基反应生成Al3Ni和A13Ni2化合物，镀层也会与钎料发生界面反应生成稳定化合物，从而使接头连接更牢固[13]。Z.S.Yu对电磁场辅助钎焊SiCp/Al的机制研究表明，焊缝中偏聚随着所加电流强度的提高而减小，最后均匀分布，在0.5T的磁场强度和100Hz，70A的电流条件下，焊缝中颗粒分布类似于复合材料，接头强度最高[14]。SiCp/Al复合材料钎焊中存在的问题有：界面上生成脆性Al4C3降低焊后接头强度，颗粒表面润湿性差阻碍钎料的铺展，钎焊加热冷却过程中容易造成界面脱粘等[15]。