針對光纖連接器在特殊環(huán)境應(yīng)用中經(jīng)受極端高溫和極端低溫交替變化,在焊縫處易產(chǎn)生疲勞裂紋、影響焊點可靠性的問題,建立了有限元模型,采用黏塑性本構(gòu)方程描述金錫焊點的力學(xué)行為,模擬光纖連接器在服役過程中連接界面處的應(yīng)力應(yīng)變場,探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對焊點應(yīng)力和變形的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn):裂紋萌生的危險點位于下端面焊料層與可伐合金底座的交界面上,其累積非彈性應(yīng)變值最大為1.22×10^-3;裂紋往往由上下端面萌生,逐漸向中心擴展,最終貫穿焊料層.通過比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對焊點應(yīng)力應(yīng)變影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊料層厚度為50μm,即底座孔內(nèi)徑為1.49mm,插針外徑為1.39mm時,焊料層中應(yīng)力和累積非彈性應(yīng)變值最小,發(fā)生疲勞損傷的可能性也最小. 

【文章來源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,48(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

熱循環(huán)加載曲線

置多個子步，每個子步步長為10s．在1/4模型的切分面上施加對稱約束，同時固定底面中心點．圖2熱循環(huán)加載曲線2模擬結(jié)果與分析根據(jù)以上幾何模型及邊界條件，建立光纖連接器密封結(jié)構(gòu)有限元模型，通過有限元分析，找到熱循環(huán)載荷作用下互連界面發(fā)生疲勞破壞的危險點，根據(jù)危險點的等效應(yīng)力和累積非彈性應(yīng)變值大小來判斷互連界面發(fā)生疲勞破壞的可能性，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．2.1焊縫應(yīng)力應(yīng)變分析保持底座孔內(nèi)徑D=1.45mm，插針外徑d=1.39mm，焊料層厚度δ=30μm(模型A)．圖3為熱循環(huán)結(jié)束后連接結(jié)構(gòu)橫截面形變云圖，由于各部分材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，在互連界面處產(chǎn)生較大的變形，焊料層端面非彈性應(yīng)變最大為1.22×10-3．焊料在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變包括與時間無關(guān)的塑性應(yīng)變和與時間相關(guān)的蠕變變形，整個歷程中產(chǎn)生的總應(yīng)變可以表示為彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與蠕變的總和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε為總應(yīng)變；elε為彈性應(yīng)變；ielε為非彈性應(yīng)變；plε為塑性應(yīng)變；crpε為蠕變應(yīng)變�？煞ズ辖鸬鬃跓嵫h(huán)過程中只發(fā)生彈性變形，熱循環(huán)結(jié)束時該部分的變形基本得以恢復(fù)，無應(yīng)變累積，對互連結(jié)構(gòu)的熱疲勞壽命無影響．焊料層具有黏塑性特性，黏塑性變形是熱激活的、不可恢復(fù)的，隨熱循環(huán)次數(shù)增加，焊料層的非彈性應(yīng)變不斷累積，最終導(dǎo)致互連結(jié)構(gòu)疲勞失效．圖4為焊料層非彈性應(yīng)變云圖，由圖可見：由上端面至下端面，焊料層的累積非彈性應(yīng)變值先減小再變大，焊料層中非彈性應(yīng)變值最大的節(jié)點為Node314685，位于下端面焊料層與可伐合金底座的交界面上．疲勞裂?

員硎疚??雜Ρ洹⑺芐雜Ρ溆肴?變的總和，如下式所示totalelielelplcrpεεεεεε，(1)式中：totalε為總應(yīng)變；elε為彈性應(yīng)變；ielε為非彈性應(yīng)變；plε為塑性應(yīng)變；crpε為蠕變應(yīng)變�？煞ズ辖鸬鬃跓嵫h(huán)過程中只發(fā)生彈性變形，熱循環(huán)結(jié)束時該部分的變形基本得以恢復(fù)，無應(yīng)變累積，對互連結(jié)構(gòu)的熱疲勞壽命無影響．焊料層具有黏塑性特性，黏塑性變形是熱激活的、不可恢復(fù)的，隨熱循環(huán)次數(shù)增加，焊料層的非彈性應(yīng)變不斷累積，最終導(dǎo)致互連結(jié)構(gòu)疲勞失效．圖4為焊料層非彈性應(yīng)變云圖，由圖可見：由上端面至下端面，焊料層的累積非彈性應(yīng)變值先減小再變大，焊料層中非彈性應(yīng)變值最大的節(jié)點為Node314685，位于下端面焊料層與可伐合金底座的交界面上．疲勞裂紋易在高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域形成，隨著熱循環(huán)周期增加，該區(qū)域不可恢復(fù)的非彈性應(yīng)變不斷累積，當(dāng)其累積到一定程度時，會導(dǎo)致焊料層中裂紋的萌生和擴展，在裂紋擴展到一定程度后，便會引發(fā)疲勞失圖3熱循環(huán)結(jié)束后連接結(jié)構(gòu)形變圖圖4熱循環(huán)結(jié)束后焊料層非彈性應(yīng)變云圖

【參考文獻】：
期刊論文
[1]月面熱環(huán)境的反演研究[J]. 任德鵬,賈陽,彭松.  宇航學(xué)報. 2018(04)

博士論文
[1]80Au/20Sn釬料合金力學(xué)性能研究[D]. 張國尚.天津大學(xué) 2010

碩士論文
[1]無鉛焊料中孔洞的表征及其對損傷與失效的影響研究[D]. 朱玲玲.浙江工業(yè)大學(xué) 2016
[2]智能功率模塊可靠性的有限元仿真研究[D]. 王勇.上海交通大學(xué) 2015
[3]空間熱循環(huán)和輻照環(huán)境對LF6鋁合金焊接組織及性能的影響[D]. 趙大為.河南理工大學(xué) 2010
[4]在激光二極管LD封裝中Au80Sn20焊點的可靠性研究[D]. 范琳霞.天津大學(xué) 2007



本文編號：3233972