基于ANSYS有限元的Ag-Cu-Ti合金钎焊金刚石磨粒残余应力分析与优化研究



基于ANSYS有限元的Ag-Cu-Ti合金钎焊金刚石磨粒残余应力分析与优化研究

朱迪,吕明,孟普

(蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠233030)

摘要：研究金刚石包埋深度分别为20%、40%、50%、60%、80%的钎料对单层钎焊金刚石工具性能的影响。利用有限元软件ANSYS对Ag-Cu-Ti合金钎焊金刚石过程中形成的残余应力进行数值模拟，采用线性和静态的分析方法。研究结果表明，最大应力值位于金刚石和钎料界面结合处的最底部，应力从金刚石底部到顶部逐渐减小，金刚石受拉应力，钎料和工具基体受压应力。当金刚石的包埋深度介于20%与40%之间时，钎焊残余应力最小。

关键词：ANSYS；金刚石；残余应力；Ag-Cu-Ti合金；包埋深度

金刚石具有高耐磨性，高的硬度，高热容量、良好导热性、线性膨胀系数小等优点,金刚石的弹性模量也比自然界中其他矿物和硬质合金高很多[1]。金刚石磨削工具比其他工具对提高磨削加工精度和加工效率更为有利。为了充分利用单层超硬磨料砂轮的优势[2-5]，在20世纪90年代，国外开发了一种新型砂轮――单层钎焊超硬磨料砂轮，使用钎焊高温代替电镀磨料砂轮。单层钎焊超硬磨料砂轮正逐步取代电镀砂轮[6]。

金刚石砂轮由多种材料组成，钎料和钢基体的物理参数又是各不相同，导致连接界面和边缘处产生应力集中从而使钎焊金刚石磨削砂轮的磨粒脱落，严重影响钎焊金刚石工具的质量。本文通过ANSYS有限元分析与实验分析相结合,研究了不同包埋深度的钎料对金刚石磨粒残余应力的影响，在此基础上对钎料包埋深度进行了优化分析。

1实验材料与方法

1.1　材料

为了减少钎焊残余应力的计算量，在大量生产实践经验上，把瞬态热弹性分析转化为静态纯弹性分析，把金刚石模型简化成球形，同时取球形半径是0.2 mm，金刚石密度取3.523 g/cm3，弹性模量选用882 GPa，泊松比是0.069 1[7]。由于温度对金刚石的热传导系数影响不是很大，统一选用1 800 W/(m·℃)。

钎料Ag-Cu-Ti的泊松比选用0.3，其材料性能如表1所示，钢基体选用45钢。其中E表示弹性模量，K表示热传导系数，T表示温度，α表示热膨胀系数，σ0.2表示屈服强度。

表1　钎料Ag-Cu-Ti合金的物性

1.2　方法

在钎焊之前，对金刚石颗粒和钢铁基体进行超声波清洗以保证接触面光滑，整个试件的安装如图1所示。钎焊过程在真空炉中进行，同时调整好钎焊时的各种工艺参数，保证最佳钎焊时间、钎焊温度和升降速度等条件。

图1　数值模拟模钎焊金刚石接头Fig.1　Numerical simulation of diamond brazed joint

2建立有限元模型及分析计算

2.1　建立有限元模型

考虑到钢铁基体形状属于矩形，而残余应力是在钎焊过程和冷却过程之间产生的，钎料的熔点又比较低(900 ℃),故冷却温度选在900 ℃以下。由于金刚石和钢铁基体接触面积很小，可以假设此处的冷却速度很均匀，实际情况和这种假设也比较符合。在冷却阶段，当温度选择在900～300 ℃时，冷却速度是25 ℃/min;温度选择在300～25 ℃时，冷却速度是5 ℃/min。

图2表示金刚石试样在钎焊时的放大图形。建立有限元几何模型时可以把六面体金刚石简化成球体，过渡层厚度因其很薄可以忽略不计。钎料厚度分别取包埋金刚石深度的40%、50%、60%，导角半径基本为钎料厚度的一半。由于残余应力主要集中在钎料和钢铁基体的结合处，故此处的网格划分要更加细致，根据模型的轴对称关系，模型建立的金刚石网格划分见图3。其中，金刚石模型的单元个数是193，钎料单元个数是87，钢基体单元个数是9 435个，金刚石的热膨胀系数是3.2×10-6k-1，泊松比是0.069 1，弹性模量是882 GPa[8]。

图2　钎焊金刚石试样Fig.2　Sample of diamond brazed

图3　钎焊金刚石接头网格划分Fig.3　Mesh rezoning of diamond brazed joint

2.2　结果分析

金刚石磨粒在钎料Ag-Cu-Ti合金中包埋深度分别为40%、50%和60%时，von Mises应力如图4所示。

图4　不同包埋深度金刚石钎焊接头von Mises应力图Fig.4　Von Mises stress sketches on diamond brazed joint in different embedding depth

由图4分析可知，当金刚石的包埋深度为50%时，应力最大值位于金刚石和钎料与基体交界面的中心位置，此时的最大拉应力是1 050 MPa，最大压应力是 0.66 MPa。钎焊金刚石用包埋40%深度的金刚石钎料时残余应力主要分布在金刚石和Ag-Cu-Ti钎料界面的中心位置，钎料部位的应力是拉应力，其值是654 MPa，金刚石受到的应力也主要是拉应力，其最大值是841 MPa。包埋金刚石60%深度时应力最大值仍然分布在金刚石和钎料的接近角界面处，就整个试样看，整个试样收到的应力是拉应力，并且钎料的包埋深度也很大，当试样在冷却过程中钎料会收缩的更加严重，以致拉伸金刚石和基体，此时的拉应力最大值是1 140 MPa，最小拉应力是2 MPa。

包埋金刚石60%深度时的钎料产生的残余应力比包埋金刚石50%深度时的大，但其影响幅度低于包埋金刚石40%深度时的钎料钎焊时产生的残余应力。金刚石在钎焊过程的应力主要集中在金刚石附近的小区域里，如果钎料和基体的热膨胀系数与金刚石的热膨胀系数相差不大，即应力集中没有对金刚石附近区域形成较大影响时，可以认为金刚石颗粒牢固地被钎料钎焊到基体上。从三者的对比情况分析，低于包埋金刚石40%深度时的钎料钎焊金刚石时产生的残余应力会更小，更利于提高砂轮的使用寿命。

3优化方案

从图4的3个钎料厚度得到的残余应力图分析，残余应力在金刚石包埋深度40%时是三者中最小的，继续优化研究包埋深度40%以下和60%以上两种情况，取包埋深度80%和20%钎料厚度的情况，其应力如图5所示。

从图5可以看出，钎料厚度达到金刚石的20%时试件受到的残余应力都是拉应力，其最大拉应力是909 MPa。包埋80%金刚石厚度的钎料残余应力最大应力点仍然是金刚石与钎料结合的底部点，其最大应力值是957 MPa。

图5　20%、80%包埋深度金刚石钎焊接头von Mises应力图Fig.5　Von Mises stress sketches on diamond brazed joint in 20% and 80% embedding depth

通过各种钎料厚度情况下的残余应力大小分析对比，列出图6。由图可知，较小的钎料厚度并不能降低残余应力的值，磨粒始终会存在残余应力。当钎料包埋金刚石的深度达到20%时残余应力介于937～988 MPa，包埋金刚石的深度达到40%之间时残余应力介于642～787 MPa之间。总体而言，相对于其它种类的钎料厚度，包埋金刚石的深度达到20%～40%时残余应力最小。在金刚石的包埋深度达到60%时残余应力应该达到最大值，当金刚石的包埋深度继续增加时残余应力反而会下降，此时的残余应力虽然小但却不满足实际的需要和条件。

图6　von Mises的最大拉应力比较Fig.6　Comparison of the maximum tensile stress

4结论

①利用有限元软件ANSYS建立Ag-Cu-Ti合金真空钎焊金刚石模型，对钎焊后的残余应力进行分析，结果表明金刚石承受拉应力，钎料和基体都承受压应力，其值大小与钎料的厚度有关。

②当金刚石的包埋深度从20%到80%变化时，残余应力呈现先减小后增大的趋势，包埋深度为40%，米塞斯等效应力出现最小值。可知，此时钎焊金刚石工具的整体性能较好。

参考文献：

[1] 陈楚,张月娥.焊接热模拟技术[M].北京：机械工业出版社，1985.

[2] 陈楚.数值分析在焊接中的应用[M].上海：上海交通大学出版社，1985.

[3] 方容川.固体光谱学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2001.

[4] 徐超,孙凤莲,秦优琼，等.金刚石与硬质合金钎焊接头应力场分析[J].焊接学报，2003，24(2)：47-50.

[5] 秦优琼,孙凤莲,岳喜山.钎焊时压力载荷对金刚石接头残余应力的影响[J].哈尔滨理工大学学报，2004，9(3):99-101，104.

[6] 中国磨料磨具工业公司. 磨料磨具手册[M].北京：兵器工业出版社，1993.

[7] Zhou Y M, Zhang F L, Fu K X, et al. Brazing of diamond with Ag-Cu-Zn alloy activated by Cr and Ti powder under different environments[J].International Journal of Precision Technology, 2009,1(2):139-146.

[8] 杨仕娥,李会军,边超，等.CVD金刚石膜生长过程Raman分析[J].真空与低温，2002,8(2)：90-92.

(责任编辑：李华云)

Research on Thermal Stress of Brazed Diamond Grain with

Ag-Cu-Ti Brazing Alloy Based on ANSYS

ZHU Di, LV Ming, MENG Pu

(Departments of Mechanical & Electrical Engineering, Bengbu College, Bengbu Anhui233000, China)

Abstract：The influence of the solder layer thickness to the properties of monolayer brazed diamond tools was studied. The embedding depth of diamond was 20%, 40%, 50%, 60%, 80%, respectively. When finite element software ANSYS was used to study the residual stress of diamond brazed with Ag-Cu-Ti alloy brazing, the brazing process could be thought as an isothermal process. Therefore the linear and static analysis method were used to research the residual stress formed during brazing process. Results show that the maximum stress appears at the interface between diamonds and brazing alloy, stress decreases from the bottom of the diamond to the top of the diamond; the diamond abrasive endures tensile stress, however, the brazing alloy and tools substrate endures compressive stress. When the embedding depth of the diamond is between 20% and 40%, the residual stress has the minimum value.

Keywords：ANSYS; diamond; residual stress; Ag-Cu-Ti alloy; embedding depth

通讯作者：吕明(1973-)，男，山西太原人，讲师，硕士，主要研究方向为先进制造技术、材料工程等。

作者简介：朱迪(1994-)，男，安徽淮南人，主要研究方向为机械设计制造。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201311305016)；安徽高等学校省级自然科学研究项目(KJ2013Z197)

收稿日期：2014-07-03

中图分类号：TG74

文献标识码：A

文章编号：1671-5322(2015)01-0039-04

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201501009