叶片组件钎焊中钎料介质流动填充机制研究

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压气机静子组件是压气机的重要组成部分。静子组件的强度很大程度取决于叶片与内外环之间钎焊连接的质量,焊接质量不佳则会导致压气机工作时出现震动以及较大噪音,甚至损坏,给压气机的安全稳定运行带来巨大隐患。在目前静子组件叶片钎焊生产过程中,缺少对于钎料流动填充过程机制的研究,焊缝填充质量不佳以及焊接圆角连接强度不足的情况经常出现。因此研究钎料在熔融状态下的流变特性、探究钎料在狭窄焊缝中的毛细填充规律、以及建立钎料流动填充预测模型对于了解钎焊过程进而完善钎焊工艺具有重要意义。(1)得到了平板狭缝中流体毛细填充解析模型,同时建立了流体力学仿真模型来预测液体毛细流动规律。将钎焊时焊缝填充过程以及焊接圆角成型过程综合考虑,计算了钎料填缝速度并且得到了焊接圆角形状变化过程。通过对焊接圆角进行受力分析发现凹形圆角对于减小应力集中具有更好的效果,在焊接时应通过改变钎料初始涂覆形状以及调节钎焊保温时间来得到具有更好力学性能的焊接圆角。(2)使用分子动力学方法计算了熔融银基钎料的相关物性,得到其接触角与表面张力均随着温度升高会有一定程度的减小,在1200K温度下接触角约为11.5°,表面张力约为1.17N/m;在1500K温度下接触角约为9.2°,表面张力约为1.05N/m。对于粘度的计算使用平衡计算方法(EMD方法)得到银的稳态粘度在1200K温度下约为5.96mpa·s,而在1500K温度下约为4.92mpa·s。同时使用非平衡方法(NEMD方法)得到了银钎料的粘度随温度的变化关系以及粘度与剪切力的相关性,分析了其流变特性。(3)考虑了钎料流动填充时叶片基板的溶解过程,建立熔融钎料毛细填充过程的分子动力学仿真模型,分析基板溶解对于流动过程的影响。结果显示溶解效应给钎料填充过程带来了额外驱动力,在一定程度上加快了钎料的填充速度。本文在流体力学计算结果的基础上考虑了溶解带来的影响,对填充速度预测结果作出了修正。(4)设计了可视化实验进行毛细填充速度验证。分别使用牛顿流体与非牛顿流体进行了实验,验证了流体毛细填充的前沿界面发展规律以及填充速度规律。设计了高温钎焊实验验证了钎料填充距离与焊缝宽度和焊接温度的相关性,同时得到了具有较优力学性能的焊接圆角。本文通过对熔融银基钎料物性计算以及钎焊时钎料流动填充的研究,较好地预测了钎焊时钎料的毛细流动填充规律,为改善钎焊工艺如钎料涂覆量、焊接温度以及焊接保温时间等工艺参数提供理论依据,并为实现自动化钎焊过程建立理论基础。
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