摘要：為改善某整流器試樣結(jié)構(gòu)焊接工藝，對高溫真空鎳基合金釬焊過程展開了數(shù)值模擬研究，建立了高溫釬焊真空爐中鎳基合金釬料融化-潤濕填充焊縫的流動(dòng)模型。數(shù)值計(jì)算基于流體體積(volume of fluid，VOF)方法，綜合考慮表面張力、重力、相變潛熱等因素，采用層流模型求解得到了釬料隨時(shí)間變化的流動(dòng)行為。得到了固、液態(tài)釬料體積分布和溫度場分布。雖然母材表面出現(xiàn)少部分釬料流失行為，并且在局部觀察到有焊瘤的形成，但焊縫內(nèi)釬料的整體填充效果良好，驗(yàn)證了釬焊工藝的釬料布置和溫度控制的合理性。給出了關(guān)于時(shí)間和溫度的釬料填充焊縫體積比的經(jīng)驗(yàn)公式，為實(shí)際釬焊過程提供參考。

釬焊是指低于焊件熔點(diǎn)的釬料和焊件同時(shí)加熱到釬料熔化溫度后，利用液態(tài)釬料填充固態(tài)工件的縫隙使金屬連接的焊接方法。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是釬焊應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，其工作環(huán)境十分惡劣，伴隨著很高且分布不均勻的工作溫度、高應(yīng)力和氧化、熱腐蝕，故其所采用的鑄造材料多為具有較高強(qiáng)度和良好抗氧化、抗腐蝕能力的鎳基高溫合金。鎳基高溫合金熔焊性能較差，通常利用真空釬焊連接工件。真空狀態(tài)下，爐內(nèi)氣體非常稀薄，對流傳熱作用極其微弱，壓氣機(jī)整流器葉片與外環(huán)之間的焊接結(jié)構(gòu)便是通過真空釬焊形成的。整流器不斷對空氣做功，其制造工藝直接影響壓氣機(jī)的工作性能，所以保證較高的焊接強(qiáng)度非常重要。

由于傳統(tǒng)高溫焊接試驗(yàn)成本較高，并且內(nèi)部焊接過程難以直接觀測，許多學(xué)者開始采用數(shù)值模擬方法來預(yù)測焊接成型過程。Takeshita等基于有限元方法提出了一種預(yù)測釬焊接頭抗拉強(qiáng)度的方法，并且預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合良好。汪殿龍等對導(dǎo)管感應(yīng)釬焊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了釬焊溫度場的分布規(guī)律。陳興等利用內(nèi)聚力模型對三點(diǎn)彎釬焊接頭裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的裂紋起裂最大載荷和實(shí)驗(yàn)值非常接近，并根據(jù)損失累積解釋了裂紋擴(kuò)展規(guī)律。這些預(yù)測釬焊接頭性能（應(yīng)力場、殘余應(yīng)力分布等）的數(shù)值模擬已較為成熟，但僅涉及釬焊接頭的力學(xué)性能。而完整的釬焊包括釬料的涂覆、融化、毛細(xì)填充等過程，對這些過程進(jìn)行一體化研究能夠還原真實(shí)的釬焊過程，為焊縫設(shè)置、釬料布置等提供參考。

在微小尺寸焊縫中，毛細(xì)力作為主要驅(qū)動(dòng)力，主導(dǎo)了液態(tài)釬料填充過程，故研究毛細(xì)流動(dòng)的規(guī)律對改善生產(chǎn)工藝具有重要意義。李昊宸等通過實(shí)驗(yàn)研究了液-液兩相毛細(xì)流動(dòng)的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)兩相驅(qū)替時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸角余弦與外加壓差存在線性關(guān)系，并基于該結(jié)論得到兩相驅(qū)替時(shí)的液體流動(dòng)規(guī)律。Wang等基于表面力模型和連續(xù)表面力(continuum surface force，CSF)模型分別模擬了毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)下的倒裝芯片填充過程，結(jié)果表明表面力模型在預(yù)測流體前沿形狀方面優(yōu)于CSF模型，而CSF模型對焊點(diǎn)之間毛細(xì)力的預(yù)測更準(zhǔn)確。姚興軍等基于流體體積(volume of fluid，VOF)和CSF模型求解了4種不同間距的平行平板間毛細(xì)流動(dòng)過程，數(shù)值結(jié)果與解析結(jié)果比較吻合，表明該方法對變截面的毛細(xì)流動(dòng)模擬效果較好。Khor等采用有限體積法對不同焊點(diǎn)排列形狀的倒裝芯片毛細(xì)填充過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)不同的焊點(diǎn)排列方式會導(dǎo)致毛細(xì)流動(dòng)行為與填充時(shí)間也不同。婁建偉對壓氣機(jī)和內(nèi)外環(huán)之間的縫隙連接進(jìn)行了釬焊仿真，得到了毛細(xì)填充過程中銀釬料流動(dòng)前沿運(yùn)動(dòng)和焊接圓角的形成過程。

綜上所述，前人的釬焊研究多集中在固體熱應(yīng)力分析和接頭成型，關(guān)于高溫真空釬焊中釬料融化-流動(dòng)填充過程的數(shù)值模擬報(bào)道較為稀少。為了更好地了解釬料融化過程，研究液態(tài)釬料潤濕、鋪展行為，為改善實(shí)際釬焊工藝及為生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)，現(xiàn)開展整流器試樣結(jié)構(gòu)釬料融化、流動(dòng)填充的數(shù)值計(jì)算，評估在表面張力和重力的驅(qū)動(dòng)下液態(tài)釬料填充焊縫的效果。還原真空爐內(nèi)固態(tài)釬料融化為液態(tài)釬料，并在毛細(xì)作用下填充焊縫的過程。驗(yàn)證本釬焊工藝的釬料布置、焊縫間距設(shè)置和溫度控制的合理性。最終給出焊縫內(nèi)釬料填充體積比的經(jīng)驗(yàn)公式，為實(shí)際釬焊過程提供參考。