熱流道板真空釬焊有限元模擬與分析

胡青春，滕智，姜曉平，梁燦棉

（1.華南理工大學，廣州 510641；2.廣東星聯精密機械有限公司，廣東 佛山 528251）

0 前言

真空釬焊熱流道板時，由于釬焊溫度高、整體加熱時間長、設備耗費能源多、工件大小形狀各異及裝爐量和裝爐方式的不同等因素，需要根據實際情況調整加熱工藝曲線。在現有真空釬焊研究中，釬焊對象大多為薄壁或中小零部件，工件升溫快、溫差小、到溫時間短，各階段的加熱及保溫時長相對也短，更多關注釬焊溫度和相應的保溫時間，忽略了升溫過程中加熱速率及保溫時間的設置是否合理，也未探究工件在釬焊溫度下的實際保溫時長，加熱工藝曲線的設置往往憑借經驗。目前，可借鑒的真空加熱的相關經驗公式也具有局限性，大部分經驗公式往往以工件有效厚度為單一變量，忽略了面積、體積、形狀等其他因素，只能推出大概的均熱時間范圍。此外，加熱速率及保溫溫度的大小也會影響均熱時間的長短，而相關經驗公式只是根據常規熱處理要求所確定的溫度范圍推導出各階段的保溫時長，當以上幾個因素發生改變時，難免會存在較大誤差或不適用的情況。對于厚壁、體積較大的多層熱流道板真空釬焊來說，為了保證焊接質量，并兼顧效率，在考慮以上若干因素的同時，還需根據釬焊要求制定合理的加熱工藝曲線。

真空釬焊過程處于密閉、高溫狀態，測溫方式較少，難以觀測整體情況，采用數值模擬的方法對其溫度場情況進行預測是一種有效的方式，有利于工藝的優化及減少能耗[1-5]?；诖?，該文根據真空加熱的特點及釬焊要求，預先設定工藝方案，采用Ansys有限元軟件數值模擬的方法，分析釬焊升溫過程，進而調整工藝方案，并于熱流道板實際釬焊時布置熱電偶測溫，驗證有限元分析的準確性。

1 釬焊模型的建立

1.1 幾何建模

該文運用SolidWorks 軟件建立釬焊設備及釬焊件的三維模型，之后導入Ansys 軟件進行有限元模擬與分析。該次釬焊對象為熱流道板，分為主流道板和分流道板，材質為H13 鋼。主流道板為兩板式焊接結構，分為上板和下板，兩板外形尺寸基本相同；分流道板為三板式焊接結構，分為上板、中板和下板，三板外形尺寸也基本相同。主流道板與分流道板的整體尺寸分別為440 mm × 96 mm × 70 mm，370 mm ×296 mm × 60 mm。釬料為BNi-2 鎳基釬料，進爐加熱前預置于相配合的兩板之間。主流道板與分流道板的釬焊件模型如圖1 所示。熱流道板裝配好之后整體放入真空爐中釬焊。釬焊所用設備為益發施邁茨真空爐，加熱元件為18 根石墨棒，均布于熱區，隔熱層為40 mm 石墨硬氈，真空爐整體呈對稱結構。真空爐及托盤的三維模型如圖2 所示。

圖1 熱流道板釬焊件模型

圖2 釬焊設備模型

1.2 基本假設

①由于整個升溫過程都是在高真空下進行的，忽略對流因素，只考慮熱輻射和熱傳導作用。

②石墨棒的溫度始終均勻，數值大小即為設定的載荷方程[6]。

③認為材料各向同性、均質，其密度、比熱容、導熱系數、輻射率等與空間位置無關，均是溫度的函數[7]。

④釬焊件為室溫裝爐，初始溫度設置為25 ℃。

⑤由于爐殼始終通水冷卻，將其溫度固定為25 ℃。

⑥忽略釬焊過程中釬料熔化時對整體溫度的影響[8]。

⑦忽略真空爐底部支撐架、爐體密閉性和噴氣孔對溫度的影響[9]。

2 熱電偶測溫點

根據實際測溫需求，分別于主流道板和分流道板上加工若干深度不一的孔放置熱電偶，熱電偶孔須避開流道槽部分，孔徑3.2 mm。主流道板測溫點分別位于靠近上板和下板之間的焊接面t1、上板次表面t2處。分流道板測溫點分別位于中板中部T1、靠近上板和中板之間的焊接面T2、上板次表面T3處。主流道板及分流道板測溫點如圖3 所示。

圖3 測溫點

3 結果與分析

3.1 擬定工藝方案

考慮到生產加工的要求，該文旨在分析和制定能同時適用于使用BNi-2 膏狀釬料和非晶態釬料釬焊熱流道板的加熱工藝曲線。BNi-2 釬料的固相線和液相線分別為971 ℃，999 ℃，根據釬焊要求，釬焊溫度應適當高于釬料液相線溫度，一般設置在1 010～1 177 ℃[10]，由于釬焊溫度較高，可將升溫過程設置為三段加熱[11]。同時，為保證釬焊質量，應使釬焊件在釬料固相線溫度之前達到熱平衡狀態，之后整體溫度均勻地達到釬焊溫度，可設置930 ℃保溫臺階。BNi-2 非晶態釬料不含黏結劑，升溫速率不受限制，而膏狀釬料含有黏結劑，其揮發溫度為200 ℃左右，升溫速率不能太快，否則易導致黏結劑劇烈揮發。因此，在低溫階段，除了預熱釬焊件之外，對于使用膏狀釬料的情況，還能在此階段除去黏結劑，以便后續階段能快速升溫。

分析熱流道板的外形特點可知，主流道板與分流道板的厚度相近，但尺寸大小差別較大，可預先對分流道板進行仿真分析，之后應用相同的工藝于主流道板，以對比分析兩者之間的差異。變化加熱速率及保溫溫度，初步擬定2 種工藝方案。方案1：從室溫加熱85 min 升至450 ℃，保溫150 min；從450 ℃加熱60 min 升至930 ℃，保溫100 min；從930 ℃加熱22 min升至1 040 ℃，保溫60 min。方案2：從室溫加熱56 min升至500 ℃，保溫150 min；從500 ℃加熱43 min 升至930 ℃，保溫100 min；從930 ℃加熱25 min 升至1 100 ℃，保溫60 min。2 種方案總的升溫時長分別為477 min，434 min。

3.2 模擬結果分析及調整方案

圖4、圖5 分別為以上2 種工藝方案的數值模擬結果。在加熱階段，釬焊件溫度均低于爐溫，尤其在溫度較低時，加熱滯后現象更加明顯，即使在450 ℃/500℃下進行了更長時間的保溫，釬焊件也未達到相應的溫度。除450 ℃/500 ℃保溫階段之外，各保溫階段結束前釬焊件均已到溫，尤其在930 ℃保溫溫度下停留了較長時間，說明保溫時間可適當縮減。而1 040 ℃/1 100 ℃釬焊溫度段，結合均熱時間，后續可根據實際釬焊效果，靈活調整保溫時長，有限元模擬時暫不更改。此外，不同階段釬焊件升溫情況也不相同，在高溫段升溫速率大于低溫段，450 ℃/500 ℃，930 ℃，1 040 ℃/1 100 ℃的加熱滯后時間依次減小。加熱初期，釬焊件的溫度較低，即使與爐溫相差很大，升溫依舊較慢。相應地，當進入保溫階段時，溫差不斷縮小，升溫速率越來越小，釬焊件溫度越接近爐溫升溫越慢，導致需要更多的時間才能達到保溫溫度。因此，在加熱前期，加熱速率和保溫溫度不宜太小，保溫時間也應盡可能縮短，否則將在前期加熱過程中耗費太多時間，影響效率的提高[12]。當釬焊件溫度和爐溫逐漸上升，傳熱效率提高，相應的加熱滯后時間也不斷減小。

圖4 方案1 模擬結果

圖5 方案2 模擬結果

2 種工藝方案下，釬焊件不同位置的溫差變化趨勢基本相同，溫差在加熱階段逐漸增大，于加熱和保溫的轉折附近達到最大值，之后逐漸減小。釬焊件在450 ℃/500 ℃保溫階段結束前，2 種方案下的溫度均遠高于釬料黏結劑的揮發溫度，且溫差已經很小，整體溫度均勻，完全可以直接升溫。因此，為提高效率，可縮減低溫段保溫時間。此外，相較于方案1，保溫結束時，方案2 中釬焊件溫度較高，升溫速率和溫差也較大，因而加熱時間亦可縮短。轉入下一階段加熱，即使方案2 中以較大加熱速率升溫，于930 ℃保溫臺階的加熱滯后時間也與方案1 相差不多，但溫差依然稍高于方案1。整個升溫過程中，最大溫差值均在第二加熱階段，但都小于50 ℃，可認為不會產生加熱畸變[13]。在第三段升溫過程中，2 個方案均能以較小溫差升到釬焊溫度，但方案1 中即使以較小的加熱速率升到較低的釬焊溫度，其均熱時間也比方案2 略長，可見在真空加熱過程中，溫度對傳熱效率影響很大，倘若以相同速率升溫及維持相同的保溫時間，釬焊件在高的釬焊溫度下停留時間更長，在合理范圍之內，能使釬料與母材更充分地作用。

基于以上分析，重新調整加熱工藝曲線。由于溫差較小，釬焊溫度加熱段的升溫速率可采用方案2 中的值，釬焊溫度設為1 100 ℃，并減小第一和第二階段的加熱及保溫時間。調整后的工藝方案：從室溫加熱50 min 升至450 ℃，保溫120 min；從450 ℃加熱40 min 升至930 ℃，保溫65 min；從930 ℃加熱25 min升至1 100 ℃，保溫60 min?？偟纳郎貢r長為360 min。

3.3 調整后的模擬結果

修改載荷參數，再次求解有限元模型，模擬結果如圖6 所示。調整工藝后，由于加熱及保溫時間縮短，在450℃保溫階段結束時，與方案1 和方案2 相比，釬焊件溫度更低，但整體溫度均勻，且高于黏結劑揮發溫度，當進入下一階段加熱時，釬焊件便很快達到450 ℃。相較于在低溫階段維持過長保溫時間，在釬焊件整體溫差較小時直接升溫加熱能提高傳熱的效率，縮短到溫時間。對比方案2 模擬結果可知，在第一階段的加熱速率不變和保溫溫度降低50 ℃之下，釬焊件的整體升溫速率減小，這再次證明溫度對傳熱效率有著顯著影響。而相較于方案1，在各加熱階段以較大的加熱速率升溫，總的到溫時間縮短、加熱效率變高，但溫差也隨之增大。最大溫差值在50 ℃左右，處于合理范圍，倘若繼續增大加熱速率，則會使釬焊件內外的溫度梯度差變大，產生應力變形等不利影響。此外，釬焊件分別在930 ℃保溫階段結束時及1 100 ℃保溫階段結束前達到熱平衡狀態，升溫過程符合釬焊要求。

圖6 調整后的模擬結果

3.4 主流道板模擬及分析

采用調整后的工藝方案，模擬主流道板的升溫過程，仿真結果如圖7 所示。整個升溫過程，主流道板的溫差也處于合理范圍之內，說明可與分流道板采用相同的加熱速率，但各階段均熱時間卻有所減小。第一階段保溫結束時，主流道板也尚未達到保溫溫度，但整體溫度高于分流道板。在930 ℃，1 100 ℃保溫階段，主流道板加熱滯后時間明顯短于分流道板，其中，在1 100 ℃釬焊溫度段均熱時間比分流道板少20 min 左右。而釬焊件在釬焊溫度下的實際保溫時長對接頭質量影響很大[14]，裝爐量較少時，將主流道板與分流道板一同釬焊，應控制釬焊溫度和保溫時間，避免造成焊接質量差異過大，倘若分開釬焊，亦可采用相同工藝，只需調整主流道板釬焊溫度下的保溫時間或同時縮減第二段保溫時間即可。此外，對比主流道板和分流道板的升溫情況可知，均熱時間的確定不能單一考慮釬焊件有效厚度值，還應綜合考慮形狀、大小等因素，結合經驗公式確定的上下限范圍，才能更準確地評估各階段的保溫時間。

圖7 主流道板模擬結果

3.5 試驗驗證

實際釬焊主流道板及分流道板時，布置熱電偶測量并記錄釬焊件各測溫點不同時間的溫度值，與數值模擬結果比較，如圖8 所示。有限元模擬結果與實際值基本吻合，但也存在偏差，可能是幾方面的原因導致的。首先，數值模擬時簡化了有限元模型，釬焊件及釬焊設備的材料參數由文獻獲取，可能與實際值存在偏差。此外，實際檢驗過程中，熱電偶測溫也存在誤差。但總的來說，模擬值與實際值的偏差處于合理范圍之內，因此，可認為有限元模擬是可靠的。

圖8 模擬與實測結果對比

4 結論

該文結合釬焊要求，運用Ansys 有限元軟件進行數值模擬，研究和分析了熱流道板真空釬焊的升溫特性，制定出適用于BNi-2 非晶態釬料和膏狀釬料的熱流道板真空釬焊工藝曲線，并運用于實際釬焊試驗，符合生產實踐。模擬及試驗結果表明：真空釬焊過程存在滯后現象，尤其在低溫階段，輻射效率低、升溫慢，需要更長的加熱和保溫時間，但從提高效率的角度出發，不宜將時間過多延長，在高溫段輻射效率高、升溫快，相應地可適當縮短時間；傳熱效率及釬焊件溫差隨著加熱速率的增大而增大，在確保溫差于合理范圍之內，可采用大的加熱速率，縮短到溫時間；均熱時間受多方面因素影響，當需要同爐釬焊時，不能簡單以有效厚度值歸類，還須綜合評估釬焊溫度及保溫時間是否合理，否則應分次焊接。采用有限元模擬的方法，有效彌補了經驗公式的不足，使工藝參數設置更加合理，并總結出相關規律，能為之后其他零部件的真空釬焊提供參考。