上海交通大学硕士学位论文不锈钢毛细管板结构真空电子束钎焊温度场模拟姓名：梁智申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：姚舜20040201不锈钢毛细管板结构真空电子束钎焊温度场模拟 摘 要 具有毛细管板接头的钎焊结构件在航空飞行器的发动机中有着重要的应用 用传统的真空辐射炉对此类构件进行钎焊难以满足结构件的设计要求 真空电子束钎焊方法作为一种新颖的焊接方法 具有高效节能热影响区小等优点适合此类零件的焊接 本文根据不锈钢真空电子束钎焊的特点 将电子束点热源转化为扫描加热时的面热源 建立了一个三维温度场有限元分析模型 利用A N S Y S 软件进行钎焊温度场模拟并做相关工艺试验用热电偶对工件表面温度进行测量 将测量数据与计算结果相比较二者显示出很好的一致性证实该有限元分析模型是合理的 随后本文利用该模型分析了不同规范参数电子束斑直径扫描半径束流扫描轨迹对钎焊温度场的影响预测出能够获得理想钎焊温度场的规范参数并用这些规范参数对实际工件进行钎焊 获得了良好的钎焊接头和与计算结果相吻合的实验数据 进一步证明所建立的温度场有限元分析模型是合理的 关键词毛细管板接头电子束钎焊温度场有限元分析 ANSYS 分析软件 T H E T E M P E R A T U R E F I E L D S I M U L A T I O N I N V A C U U M E L E C T R O N B E A M B R A Z I N G O F A S T A I N L E S S S T E E L P I N - T O - P L A T E J O I N T A B S T R A C T C o m p o n e n t s w i t h p i n - t o - p l a t e j o i n t s a r e a p p l i e d i n a e r o c r a f t e n g i n e . U s i n g t h e c o n v e n t i o n a l v a c u u m r a d i a t i o n s t o v e t o b r a z e t h e s e c o m p o n e n t s c a n t m e e t t h e t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t . V a c u u m e l e c t r o n b e a m b r a z i n g ( V E B B ) a s a n e w b r a z i n g t e c h n i q u e h a s m a n y a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h e f f i c i e n c y , l o w h e a t i n p u t a n d l o w t h e r m a l e f f e c t s . V E B B i s s u i t a b l e t o b r a z e t h e s e c o m p o n e n t s . A c c o r d i n g t o t h e p r o p e r t y o f V E B B o f a p i n - t o - p l a t e j o i n t , w e l o o k o n t h e e l e c t r o n b e a m h e a t r e s o u r c e a s a r e a h e a t r e s o u r c e i n s t e a d o f s p o t h e a t r e s o u r c e a n d u s e t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d w i t h a t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l t o s i m u l a t e t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f t h e b r a z e d p a r t s w i t h s o f t w a r e A N S Y S . S o m e r e l a t i v e e x p e r i m e n t s a r e d o n e . T h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e b r a z e d j o i n t w a s m e a s u r e d b y a t h e r m o - c o u p l e . T h e m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d r e s u l t s w e r e c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r , s h o w i n g g o o d a g r e e m e n t w h i c h v e r i f i e s t h e m o d e l w e e s t a b l i s h e d . T h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t p r o c e s s p a r a m e t e r s ( E B d i a m e t e r , E B s c a n r a d i u s , E B c u r r e n t a n d E B s c a n t r a c k ) w a s a n a l y z e d w i t h r e s p e c t t o t h e t e m p e r a t u r e f i e l d , a n d t h e n w e d o s o m e e x p e r i m e n t s w i t h p a r a m e t e r s t h a t w i l l p r o d u c e i d e a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a c c o r d i n g t o f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s r e s u l t s . G o o d b r a z i n g j o i n t s w e r e o b t a i n e d a n d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s a r e v e r y c l o s e t o t h e v a l u e s t h e m o d e l p r e d i c t e d w h i c h p r o v e d t h a t t h e m o d e l I e s t a b l i s h e d w a s f e a s i b l e a g a i n . K E Y W O R D S : P i n - t o - p l a t e j o i n t , e l e c t r o n b r a z i n g , T e m p e r a t u r e f i e l d , F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s , A N S Y S s o f t w a r e 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 梁智 日期2004 年 2 月 12 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名梁智 指导教师签名姚舜 日期2004 年 2 月 12 日 日期2004 年 2 月 12 日 符号说明 符号 名称 U 加速电压(kV) I 电子束流(mA) q 电子束功率(W) 表面发射率 热效率 密度(kg/m3) 导热系数( W/moC ) C 比热容(J/kgoC ) TM 熔点(oC ) 0 斯忒藩波耳兹曼常数 W/(m2k4) k 能量集中系数(m-2) d 束斑直径(mm) r0 扫描半径(mm) h 对流传热系数( W/moC ) Tmax 最高温度(oC ) tH 高温停留时间(s) 2 第一章 绪论 1.1 真空电子束钎焊课题背景 随着航空航天技术的发展 对空间飞行器推进系统发动机的性能要求越来越高同时为了适应现代战争的需要战略战术武器和军用卫星对推进系统的快速制造能力质量可靠性和机动性能都提出了很高的要求因此采用先进的制造工艺来满足上述需求已成为当务之急 某航天器件发动机推力室喷注器毛细管钎焊结构如图 1-1 所示材料为1 C r 1 8 N i 9 T i G H 3 0 3 0或1 C r 1 8 N i 9 T i G H 3 1 2 8 毛细管外径0 . 6 m m壁厚0 . 1 5 m m根据不同工艺要求钎料采用 B N i - 2 Q N i - 3 或低硼七号合金 图 1 - 1 某发动机推力室喷注器毛细管钎焊结构 Fig1-1 capillary tube brazing structure of engine 采用传统的真空炉中钎焊工艺由于钎焊炉中温度分布不均匀毛细管直径较小壁较薄极易产生熔蚀堵塞和泄漏等问题而这种结构的设计要求往往比较严格不允许有任何一根毛细管堵塞并要求钎缝 100密封无泄漏因此对钎焊的过程控制精度有较高要求钎焊工艺温度参数区间范围很小因而普通钎焊炉加热过程的温度控制精度一般为5和加热时间控制精度一般为1m i n 难以满足工艺要求生产质量极不稳定报废率很高实际生产中3 为了避免经过复杂精度加工并装配成型的产品在最后一道工序钎焊工序中产生批量报废一般只能采用单件生产的方式这种方式生产周期长成品率及生产效率较低严重影响型号产品的研制进度 此外由于钎焊时加热是靠真空炉辐射加热升温降温速度慢钎料在高温真空中的停留时间较长钎料的合金成分容易挥发损失毛细管容易软化管壁容易产生较大的熔蚀如果毛细管不被熔蚀穿透在常规的强度气密试验中就无法发现缺陷从而势必造成安全隐患降低了钎焊接头的综合