基于MSC.Patran的真空釬焊夾具設(shè)計(jì)

羅錫

（中國航空工業(yè)計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

0 引言

液冷模塊作為某型飛機(jī)機(jī)載核心計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，具有重量輕、耐壓強(qiáng)度高、散熱效果好等特點(diǎn)。為了滿足液冷模塊重量和耐壓指標(biāo)的需求，設(shè)計(jì)的液冷流道壁厚僅為0.7 mm，考慮模塊組件在生產(chǎn)加工過程中需經(jīng)歷真空釬焊、真空氣淬、時(shí)效、數(shù)控加工等環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)給出的壁厚公差為±0.1mm。通過近2年的研制和使用情況來看，液冷模塊由于壁厚不均勻、超差導(dǎo)致在使用中出現(xiàn)鼓包、泄漏等高風(fēng)險(xiǎn)故障。因此，在液冷模塊的生產(chǎn)加工中，特別是真空釬焊過程中，通過釬焊夾具的設(shè)計(jì)，保證模塊組件真空釬焊后的平面度0.1 mm，是達(dá)到最終設(shè)計(jì)指標(biāo)、滿足使用要求的關(guān)鍵。

1 液冷模塊釬焊夾具需求分析

圖1 夾具方式1及模塊平面度時(shí)間序列圖

液冷模塊由框體和蓋板真空釬焊焊接而成，蓋板厚度6 mm，框體厚度14.8 mm，焊接后厚度大于20 mm，后期校平困難，要保證最終成品的腔體壁厚公差±0.1 mm，必須保證焊接后尺寸為250 mm×170 mm的模塊組件平面度在0.1 mm之內(nèi)。

為此，前期利用常規(guī)的真空釬焊工藝經(jīng)驗(yàn)，制造了夾具、方鋼、矩形夾等釬焊夾具，并進(jìn)行了真空釬焊，采用豎向三方鋼、夾具、矩形夾的釬焊夾具裝夾，裝夾方式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，焊接后平面度在0.22～0.41 mm之間，無法滿足要求。

對采用釬焊夾具方式1的模塊焊接后變形情況分析，長度方向變形量較大，豎向三方鋼模式無法抑制長度方向的變形，因此將豎向裝夾方鋼改為橫向裝夾進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，裝夾方式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，焊接后平面度在0.128～0.21 mm之間，無法滿足0.1 mm的要求。

圖2 夾具方式2及模塊平面度序列圖

通過采用常規(guī)釬焊夾具設(shè)計(jì)，并對液冷模塊這類腔體厚板零件的真空釬焊實(shí)驗(yàn)來看，夾具方式無法滿足需求，必須采用全新的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)來滿足平面度0.1 mm的釬焊需求。

2 模型建立

MSC.Patran軟件分析分為3個(gè)步驟：前處理（模型建立和網(wǎng)格劃分）、加載求解和后處理。

2.1 模型的建立

首先，為了掌握模塊蓋板和框體零件在真空釬焊溫度場中的零件變形，需建立模塊組件的零件模型。用Autodesk Inventor軟件進(jìn)行模塊組件的三維建模，實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 模塊組件實(shí)體模型

其次，根據(jù)對前期釬焊夾具進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)前期的所有夾具都是通過螺釘來固定壓緊，每個(gè)模塊的壓緊力矩、壓緊位置都不能做到一致，導(dǎo)致各模塊變形不一致，并且平面度無法達(dá)到0.1 mm。為了進(jìn)一步改善模塊焊接平面度，利用夾具在蓋板面抑制釬焊零件變形的經(jīng)驗(yàn)，考慮不用螺釘夾緊的方式，靠夾具的自重進(jìn)行模塊的壓緊，設(shè)計(jì)了如圖4的模塊釬焊夾具，考慮模塊組件的厚度20.8 mm，同時(shí)限制左右前后的變形，設(shè)計(jì)4 mm的凹槽，考慮熱傳遞，增加φ7 mm減重孔。

圖4 模塊夾具實(shí)體模型

2.2 模型的材料屬性

模塊組件采用進(jìn)口6061鋁合金材料，模塊模型的屬性為各向同性，6061鋁合金材料參數(shù)：密度ρ=2.7 g/cm3、線膨脹系數(shù)23.6μm/（m·K）、彈性模量E=68.9 GPa、泊松比μ=0.33。

鋁合金真空釬焊采用的夾具一般為不銹鋼材料，因此模塊夾具選用牌號(hào)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，夾具模型的屬性為各向同性，1Cr18Ni9Ti材料：密度 ρ=7.85 g/cm3，線性膨脹系數(shù)17.6μm/（m·K），彈性模量E=206 GPa，泊松比 μ=0.25～0.3。

3 Patran軟件模擬仿真分析

3.1 模塊夾具的變形分析

將釬焊夾具三維模型導(dǎo)入Patran仿真軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示，并對模塊施加溫度場，如圖6所示，定義相應(yīng)的不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料密度、線性膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等一系列參數(shù)。

圖5 夾具網(wǎng)格劃分

圖6 夾具溫度場加載

為考察釬焊夾具在真空釬焊各溫度段變形情況，對釬焊過程中涉及的幾個(gè)溫度點(diǎn)的變形量進(jìn)行了仿真分析，釬焊夾具在各種溫度仿真變形如圖7～圖10所示。

圖7 夾具400℃變形

圖8 夾具550℃變形

通過仿真分析得出了夾具在釬焊過程中不同溫度場Z軸的變形量，具體變形量如表1所示，變形量在模塊焊接溫度592℃時(shí)最大，達(dá)到0.111 mm，新釬焊夾具設(shè)計(jì)能滿足模塊焊接平面度的要求。

圖9 夾具570℃變形

圖10 夾具592℃變形

表1 夾具不同溫度場變形量

3.2 模塊溫度場仿真

按照對釬焊夾具的仿真過程，對純模塊組件（蓋板和框體）進(jìn)行了模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、溫度場加載，定義相應(yīng)的6061鋁合金材料密度、線性膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力等一系列參數(shù)。進(jìn)行模塊在592℃時(shí)熱變形仿真分析，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 模塊組件592℃變形

通過仿真得出，液冷模塊組件在不加載任何夾具的時(shí)候，變形量達(dá)到1.36 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平面度0.2 mm要求，必須抑制模塊組件的變形量至少1.2 mm，才能保證焊接模塊后的平面度。

3.3 夾具和模塊溫度場仿真

為了考察模塊與模塊夾具焊接實(shí)際情況保持一致，將2個(gè)釬焊夾具和模塊的蓋板、框體組合，導(dǎo)入仿真軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖12所示，并對夾具材料特性和模塊材料特性進(jìn)行相應(yīng)的定義，進(jìn)行溫度場的仿真，夾具和模塊組件的熱變形仿真結(jié)果如圖13所示，去除夾具顯示的模塊組件熱變形仿真如圖14所示。

圖12 模塊組件與夾具網(wǎng)格劃分

圖13 模塊組件與夾具592℃整體變形

圖14 模塊組件592℃變形

通過仿真結(jié)果來看，當(dāng)將夾具和模塊組合裝夾后，夾具的變形量在0.0787 mm，位于2個(gè)夾具中間的模塊組件的變形量為0.0469 mm，仿真結(jié)果表明該釬焊夾具和裝夾方式能夠滿足模塊組件焊接后平面度0.1 mm要求。

4 釬焊夾具焊接試驗(yàn)

為了驗(yàn)證夾具對模塊焊接平面度的影響，進(jìn)行了模塊的真空釬焊焊接試驗(yàn)。按照仿真時(shí)的裝夾方式，將模塊放于2個(gè)夾具中間，不裝夾任何其它工裝，進(jìn)行爐中焊接，爐中擺放形式如圖15所示。

圖15 夾具裝夾爐中釬焊

模塊焊后平面度較好，但釬料未充分溶化。通過分析認(rèn)為，僅考慮了模塊組件和夾具的熱變形，未考慮夾具的吸熱。焊接時(shí)夾具為上下2塊，焊接時(shí)夾具吸熱較大，從而導(dǎo)致模塊組件溫度升高緩慢，在最高溫度時(shí)，夾具達(dá)到592℃，但模塊組件未達(dá)到焊接溫度592℃。因此，用夾具焊接時(shí)須調(diào)整工藝參數(shù)，延長保溫時(shí)間3 min，按調(diào)整的工藝曲線，重新進(jìn)行了模塊的焊接試驗(yàn)，焊接后模塊組件如圖16所示。

圖16 工藝曲線調(diào)整后焊接模塊

通過對調(diào)整后模塊的試驗(yàn)，耐壓滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并用三坐標(biāo)對焊接后模塊組件進(jìn)行平面度測量，測量結(jié)果為蓋板面0.094 mm，框體面0.075 mm，完全能滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)語

通過采用MSC.Patran軟件對焊接夾具、模塊、模塊和夾具組合的熱仿真分析，設(shè)計(jì)了變形量滿足需求的焊接夾具。液冷模塊組件采用仿真設(shè)計(jì)的釬焊夾具進(jìn)行焊接試驗(yàn)，夾具和夾具自由裝夾，采用滿足焊接要求的工藝曲線，焊接后組件平面度小于0.1 mm，滿足生產(chǎn)要求。該仿真分析簡化了焊接實(shí)驗(yàn)過程，可提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，為釬焊夾具設(shè)計(jì)運(yùn)用提供了理論依據(jù)。

［1］ 中國航空材料手冊編輯委員會(huì).航空材料手冊［M］.2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

［2］ 馮占森,李爭，丁高劍.基于ANSYS的液壓支架連桿體焊縫結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化分析［J］.焊接技術(shù)，2012，41（8）：20-22.