基于A(yíng)NSYS的溫度壓力復(fù)合傳感器焊接應(yīng)力應(yīng)變分析

姜曉龍，王德偉，李玉欣，孫 帥

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001； 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

0 引言

隨著我國(guó)航天飛行器的快速發(fā)展，許多型號(hào)任務(wù)提出了多物理量、多參數(shù)并行測(cè)量和處理的需求，一體化多功能復(fù)合傳感器受到越來(lái)越多的關(guān)注。

一體化多功能復(fù)合傳感器的主要研究對(duì)象是復(fù)合信息，這種復(fù)合信息包含至少兩個(gè)甚至多個(gè)物理量，可以是力、聲、濕度、溫度、光照度、磁場(chǎng)等以某種準(zhǔn)則疊加的結(jié)果。市面上常見(jiàn)的比較成熟的復(fù)合傳感器是溫度和壓力兩個(gè)物理量的測(cè)量[1-5]。

現(xiàn)有的溫度/壓力復(fù)合傳感器主要有兩種方式復(fù)合：A.將溫度芯片和壓力芯片組裝在一起的傳感器。通過(guò)這種方式復(fù)合，溫度敏感芯片和壓力敏感芯片需要分別進(jìn)行封裝，并與被測(cè)介質(zhì)隔離。但這種封裝方式的兩個(gè)芯片距離較遠(yuǎn)，不能同時(shí)感受到小的局部區(qū)域溫度和壓力信號(hào)。B.將溫度敏感芯片和壓力敏感芯片制作在同一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)單芯片多功能。但溫度芯片通?；阢K基，而壓力芯片則基于單晶硅，在制作工藝上想要將這兩個(gè)敏感芯片制作在同一個(gè)芯片上，兼容性很差，制作出性能良好的單芯片溫度/壓力復(fù)合傳感器十分困難，因此將測(cè)量不同物理量的芯片組裝在一起是比較常用的復(fù)合方式[6-9]。

某型號(hào)溫度/壓力復(fù)合傳感器在批產(chǎn)過(guò)程中，近1/4的產(chǎn)品出現(xiàn)壓力輸出準(zhǔn)確度不合格現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)復(fù)測(cè)，確認(rèn)了產(chǎn)品的故障，并通過(guò)查詢(xún)生產(chǎn)記錄及過(guò)程檢驗(yàn)記錄，尋找導(dǎo)至產(chǎn)品發(fā)生故障的工步。通過(guò)分析，確定了該工步對(duì)傳感器的影響，并對(duì)產(chǎn)品實(shí)施了相應(yīng)的改進(jìn)，大大提高了產(chǎn)品成品率。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

某型號(hào)溫度/壓力復(fù)合傳感器主要由殼體、底座、壓力芯體、溫度芯片以及相關(guān)調(diào)理電路等組成。壓力芯體感受壓力信號(hào)，溫度芯片感受溫度信號(hào)，再經(jīng)調(diào)理電路對(duì)兩個(gè)信號(hào)的處理，輸出電信號(hào)，完成壓力和溫度測(cè)量。圖1為溫度/壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Compound sensor structure diagram

2 故障現(xiàn)象

為用戶(hù)提供某批次88只配套使用的溫度/壓力復(fù)合傳感器，其生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)22只產(chǎn)品準(zhǔn)確度不合格現(xiàn)象。公式(1)為該產(chǎn)品準(zhǔn)確度的計(jì)算公式：

(1)

式中：S—準(zhǔn)確度，kPa或℃；Ii—傳感器各測(cè)試點(diǎn)電流輸出，mA；I0—傳感器各理論電流輸出，mA；IFS—滿(mǎn)量程輸出標(biāo)準(zhǔn)值，16mA；FS—滿(mǎn)量程測(cè)量值，kPa或℃。

在被測(cè)傳感器全量程范圍內(nèi)選擇下限點(diǎn)、上限點(diǎn)和常壓輸出作為測(cè)試點(diǎn)，要求3個(gè)測(cè)試點(diǎn)由公式(1)計(jì)算的準(zhǔn)確度均在±0.5 kPa范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)對(duì)該批次產(chǎn)品的測(cè)試及計(jì)算，有22只產(chǎn)品準(zhǔn)確度不合格，如表1所示。

表1 故障產(chǎn)品準(zhǔn)確度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Faulty product accuracy test data

續(xù)表1

表1中的準(zhǔn)確度為3個(gè)測(cè)試點(diǎn)計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值最大值。

3 故障分析

3.1 故障原因分析

通過(guò)查詢(xún)產(chǎn)品的生產(chǎn)記錄和過(guò)程檢驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)：總裝完成后，傳感器準(zhǔn)確度合格；進(jìn)行下一工步——?dú)んw與底座焊接，該工步完成后，測(cè)試產(chǎn)品常壓輸出，此時(shí)發(fā)現(xiàn)22只傳感器產(chǎn)品準(zhǔn)確度不合格，由此懷疑是殼體與基座間焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力導(dǎo)致了準(zhǔn)確度不合格現(xiàn)象。

3.2 焊接應(yīng)力消除

常用焊接殘余應(yīng)力的消除方法有3種：熱處理法、機(jī)械法和振動(dòng)法。熱處理法可消除產(chǎn)品中80%～90%的殘余應(yīng)力，也是應(yīng)用最為廣泛和效果最好的方法。因此，為了消除傳感器產(chǎn)品中的焊接應(yīng)力，采用熱處理方法，將22只不合格產(chǎn)品進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)。表2為該22只不合格產(chǎn)品溫度循環(huán)前、后測(cè)試常壓輸出的數(shù)據(jù)對(duì)比及該測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確度計(jì)算結(jié)果。

由表1及表2常壓輸出對(duì)比可知：產(chǎn)品在進(jìn)行溫度循環(huán)前的常壓輸出與焊接后直接測(cè)得的常壓輸出存在差異，且前者小于后者。該現(xiàn)象表明，傳感器產(chǎn)品在焊接后一定時(shí)間內(nèi)仍在釋放焊接應(yīng)力，使得常壓輸出數(shù)據(jù)減小。

在進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)前，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，22只產(chǎn)品的常壓輸出基本不發(fā)生變化，變化量趨于0 mA，焊接殘余應(yīng)力經(jīng)過(guò)短時(shí)間“自然時(shí)效”釋放完畢，但仍存在殘余應(yīng)力，使得產(chǎn)品準(zhǔn)確度并不合格，如表2中準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)所示。

表2 溫循前后故障產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of normal pressure output data for faulty products before and after temperature cycle

3.3 焊接應(yīng)力近似仿真分析

焊接應(yīng)力是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場(chǎng)尚未消失時(shí)，焊件中這種應(yīng)力和變形稱(chēng)為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形；焊接溫度場(chǎng)消失后的應(yīng)力和變形稱(chēng)為殘余焊接應(yīng)力和變形[10-11]。

3.3.1 原結(jié)構(gòu)仿真分析

傳感器產(chǎn)品兩個(gè)焊接件為回轉(zhuǎn)體。取焊接后產(chǎn)品某一截面為研究對(duì)象，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到平衡，因此采用靜力學(xué)仿真分析，替代焊接過(guò)程仿真。將殘余應(yīng)力分解成焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力與垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力。圖2為焊縫處殘余應(yīng)力示意圖。

圖2 焊接殘余應(yīng)力分解示意圖Fig.2 Welding residual stress decomposition schema

以ANSYS為仿真平臺(tái)，對(duì)該焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，查看對(duì)內(nèi)部壓力芯體產(chǎn)生的影響。以發(fā)生故障傳感器產(chǎn)品為分析對(duì)象，建立三位模型及有限元模型并添加邊界條件，進(jìn)行有限元仿真分析。圖3為原結(jié)構(gòu)芯體受到的應(yīng)力云圖。由圖3可知，焊接應(yīng)力對(duì)壓力芯體產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.557 2 MPa，使得芯體發(fā)生漂移。

圖3 壓力芯體應(yīng)力云圖Fig.3 Pressure core body stress nephogram

3.3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真分析

通過(guò)以上的測(cè)試數(shù)據(jù)以及原結(jié)構(gòu)的仿真分析，確定為焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品準(zhǔn)確度不合格，因此需要采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，對(duì)焊接部位進(jìn)行優(yōu)化，減少焊接應(yīng)力對(duì)壓力芯體的影響?？紤]到該產(chǎn)品已定型，本研究中采取增加退熱應(yīng)力槽深度辦法，減小焊接應(yīng)力對(duì)芯體的影響。圖4為增加退熱應(yīng)力槽深度前后及不同深度退熱應(yīng)力槽時(shí)，該部位的應(yīng)力云圖。

圖4 退熱應(yīng)力槽應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloud map of restress tank

由圖4可知，原結(jié)構(gòu)中退熱應(yīng)力槽部位最大應(yīng)力為305.08 MPa。當(dāng)退熱應(yīng)力槽深度增加至3 mm時(shí)，最大應(yīng)力增加至344.3 MPa。當(dāng)退熱應(yīng)力槽深度進(jìn)一步增加至4 mm時(shí)，最大應(yīng)力減小至312.01 MPa。其均在采用的不銹鋼材料屈服極限214 MPa以上。進(jìn)一步分析不同深度退熱應(yīng)力槽焊接時(shí)，焊接應(yīng)力對(duì)壓力芯體的影響，如圖5所示。

圖5 壓力芯體應(yīng)力云圖Fig.5 Pressure core body stress nephogram

由圖5可知，原結(jié)構(gòu)壓力芯體承受的最大應(yīng)力為1.557 2 MPa。將退熱應(yīng)力槽深度增加2 mm后，壓力芯體承受的最大應(yīng)力為0.269 78 MPa。進(jìn)一步將退熱應(yīng)力槽深度增加至4 mm時(shí)，壓力芯體承受的最大應(yīng)力為0.068 275 MPa。相比較原始結(jié)構(gòu)，壓力芯體承受的最大應(yīng)力減小了約27倍。

從以上分析結(jié)果可知，增加去應(yīng)力槽后，焊接殘余應(yīng)力在去應(yīng)力槽位置進(jìn)行隔離，可明顯減小焊接殘余應(yīng)力對(duì)壓力芯體的影響。但考慮到底座的強(qiáng)度等原因，將退熱應(yīng)力槽深度由原來(lái)的1 mm增加至2.5 mm。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)樣件驗(yàn)證

以底座中的退熱應(yīng)力槽深度2.5 mm為審計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并進(jìn)行生產(chǎn)、組裝和前期的檢驗(yàn)試驗(yàn)。圖6為該樣件產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)各個(gè)試驗(yàn)后的常壓輸出情況。

圖6 樣件產(chǎn)品試驗(yàn)點(diǎn)常壓輸出值Fig.6 Sample product test point constant pressure output value

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，表3為總裝后和經(jīng)過(guò)出所檢驗(yàn)后常壓輸出值及準(zhǔn)確度值情況。

表3 樣件產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of normal pressure output data for sample products

由圖6及表3可知，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)，即退熱應(yīng)力槽深度為2.5 mm時(shí)，產(chǎn)品的常壓輸出變化量?jī)H為0.042 mA，準(zhǔn)確度為0.062 5，達(dá)到了指標(biāo)要求。

4.2 故障產(chǎn)品返工驗(yàn)證

對(duì)該批次不合格產(chǎn)品進(jìn)行返工，將退熱應(yīng)力槽深度增加至2.5 mm，并重新進(jìn)行總裝及出所檢驗(yàn)，除去14、15、27、77和79號(hào)產(chǎn)品用于分析故障原因外，其余產(chǎn)品經(jīng)過(guò)返工后，常壓輸出及準(zhǔn)確度情況如表4所示。

表4 返工產(chǎn)品常壓輸出數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison of normal pressure output data for reworked products

由表4可知，經(jīng)過(guò)將退熱應(yīng)力槽加深后，不合格產(chǎn)品的常壓輸出變化量減小，準(zhǔn)確度均合格。

5 結(jié)語(yǔ)

某型號(hào)溫度/壓力復(fù)合傳感器在批次生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)1/4的產(chǎn)品發(fā)生準(zhǔn)確度不合格現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程文件查詢(xún)，其發(fā)生在底座與殼體焊接工步。采用熱處理方法進(jìn)行應(yīng)力消除，未達(dá)到預(yù)期效果。進(jìn)一步采用有限元進(jìn)行靜力學(xué)近似仿真分析，尋找到殘余應(yīng)力與焊接位置應(yīng)力、壓力芯體承受的應(yīng)力之間的關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行退熱應(yīng)力槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將槽深由原來(lái)的1 mm加深至2.5 mm，并通過(guò)樣件驗(yàn)證。再將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用至不合格產(chǎn)品中，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，優(yōu)化后的傳感器產(chǎn)品均合格，驗(yàn)證了分析的正確性。