解析九层玻璃／铝阳极焊接接头残余应力应变数值模拟

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1、学兔兔www.xuetutu.com第5期(总第180期)机械工程与自动化NO．52013年l0月MECHANICALENGINEERING＆AUT()MATI()NOct．文章编号：1672—6413(2013)05—0092—03九层玻璃／铝阳极焊接接头残余应力应变数值模拟米李娟，刘翠荣，陈慧琴，阴旭，吴志生(太原科技大学材料工程学院，山西太原030024)摘要：利用有限元分析软件MARC，对冷却后的九层玻璃／铝阳极焊接试件进行数值模拟分析，获得了九层阳极冷却试件内残余应力和应变分布。模拟结果表明，试件冷却后各处的冷却收缩量不同．其内部存在残余应力和应变，试

2、件发生翘曲；过渡层内的等效应力最大。且关于铝层呈对称分布；铝层内的等效应力值达到了屈服极限，表明铝层发生了塑性变形，且铝层内的等效应变最大。关键词：阳极焊接；九层玻璃／铝试件；MARC；残余应力应变中图分类号：TG404文献标识码：A0引言件的对称性，选定试件的1／4建立有限元模型，如图1阳极焊接是一种利用电和热的联合作用来实现材所示。该模型中的试件以(90为中心线，AA为边线，料固态连接的焊接方法，已经得到了广泛应用n]。采BB为对角棱线。边界条件包括0点的固定约束条用玻璃(陶瓷)与金属材料进行阳极焊接的过程中，由件、对称面上的对称边界条件以及热传导边界条件。

3、于玻璃与金属材料热膨胀系数的差异，结束后的冷却过程中会产生残余应力和应变，过大的残余热应力可在较小的热膨胀系数的晶片表面造成裂痕，而过大的残余应变则可能导致热膨胀系数较大的晶片表面变形凸起[2]，直接降低了接头强度，影响连接质量和MEMS产品性能[：I]。文献E4~6]分析了二层、三层和五层玻璃／铝试件冷却后试件内残余应力应变分布和试件冷却翘曲变形情况。本文使用有限元分析软件MSC．MARC，图1九层玻璃与铝阳极试件有限元模型模拟分析了九层玻璃与铝阳极试件冷却过程。试件初始温度为450℃，环境温度为2O℃。试件1建立有限元模型内各种材质的热物理性能和力学性能参数

4、如表1所建立模型时，将试样的过渡层当作一个实体，因此示，并考虑材料性能随温度的变化。考虑到玻璃和铝玻璃与铝阳极试件几何模型为：玻璃一过渡层一铝。弹性模量和强度极限的差异，有限元分析采用小变形网格划分采用三维八节点六面体实体单元。考虑到试弹塑性分析，其理论基础为弹塑性理论。表i试样中材料的物理性能和力学性能参数材料弹性模量(Pa)线膨胀系数(K)比热容[J／(kg·K)]泊松比热传导系数[W／(m·K)]屈服强度(Pa)Glass6．275×10lo(3．2～3．9)X10—840O．21．551．5×1O0Al203·Si023．7Xl0n6．S×10—8800

5、．2231Al6．8×101o2．56×1O～5900～9990．312373．4×1072数值模拟结果分析于底面中心O点为变形固定约束点，因此该处所有位2．1接头残余变形分布特点移值为零。由图2(a)可知，由于玻璃和铝弹性模量和图2为九层玻璃与铝试件典型位置位移曲线。由强度极限值的较大差异，试件冷却后玻璃部分的变形*国家自然科学基金资助项目(51275332)；山西省科技攻关项目(20100321084)收稿日期：2013—03—20；修回日期：2013-04—20作者简介：李娟(I987一)，女，山西阳泉人，在读硕士研究生，研究方向为多层玻璃与铝静电数值模拟

6、。学兔兔www.xuetutu.com2013年第5期李娟，等：九层玻璃／铝阳极焊接接头残余应力应变数值模拟·93·簿很小，最小值为1．29×10m；铝层部分变形很大，最32211变值较大，达到2．56×10_。；过渡层应变值介于玻璃505O5O0大值为4．305×10一m，变形主要集中在铝层，从而形××××和铝层应变值之间，数值偏小。三个典型位置中，中心××成了试件有规律的循环变化的位移曲线特征。三个典轴线处的应变最大，边线处应变次之，对角棱线处应变型位置处，对角棱线处的位移最大，边线处位移次之，最小。所有应变分量值都小于零，属于压缩应变。中心轴线处位移最小。

7、试件冷却后主要发生了沿厚度方向的收缩变形，收缩量约为2．79×10_。m，图2(a)和图2(b)中曲线的数值接近，基本特征相同。由于试件各处的冷却收缩量不同，试件冷却后内部存在残余应力和应变，试件发生翘曲。经计算，试件表面的绝对不平度为2．49×1O_。，单位长度不平度为2．49×lO一。5．o×lOlIo×1o1．5×l02．oxl0厚度／m图3九层玻璃与铝试件等效应变分布2．2接头残余应力分布特点图4为九层玻璃与铝试件的残余应力分布图。如图4(a)所示，等效应力沿厚度方向在过渡层上是最大的，过渡层两侧玻璃和铝层内的等效应力值较小，且其5．O×1O一1．0X1

8、0—1．5×10—2．0