摘要
为解决新型金属橡胶夹芯板的真空钎焊连接工艺参数与材料性能匹配不明确的问题，采用仿真与正交试验相结合的方法，研究了加热速率、最高加热温度以及保温时间对其剪切性能和结合强度的影响规律，并从宏细观角度分析了金属橡胶夹芯板的剪切损伤行为。结果表明，采用真空钎焊制备的金属橡胶夹芯板具有良好的剪切和连接强度。真空钎焊过程中，样件各区域温度相差不超过10 K。其残余应力主要集中在丝材与钎料结合处，且越靠近中心区域残余应力越小。最大残余应力与金属橡胶夹芯板的剪切性能和连接强度呈负相关。此外，通过极差分析得到制备金属橡胶夹芯板的最优钎焊工艺方案为1090 ℃，4 ℃/min和20 min。
夹芯结构因其轻质特性与良好的比刚度/比强度等优异性能，在航空航天、潜艇以及核工业等领域得到了广泛应
夹芯结构在工程应用中常面临多种失效形式，包括脱粘、屈曲、断裂以及坍塌等。在这些失效形式中，面/芯连接界面的脱粘问题尤为突出。常见的连接工艺包括铆接、缝合、胶结和焊接
研究表明钎焊工艺参数对面/芯连接强度有着至关重要的作
本研究针对新型金属橡胶夹芯板的真空钎焊连接工艺参数与材料性能匹配不明确的问题，选择加热速率、最高加热温度及保温时间3个因素，分析真空钎焊连接工艺对金属橡胶夹芯板剪切失效行为的影响。首先，根据真空钎焊工艺流程设计了制备金属橡胶夹芯板的正交试验；其次， 建立了不同真空钎焊连接工艺参数下的板丝模型；最后，讨论了真空钎焊连接工艺对金属橡胶软夹芯板的剪切性能和连接强度的影响规律。
金属橡胶材料制备过程为制备螺旋卷、缠绕制坯以及冲压成型，如
图1 金属橡胶材料成型过程
Fig.1 Fabrication process of the metal rubber material
| Material | Si | Co | Cr | B | Nb | C | Al | P | NI | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GH4169 | 0.13 | 0.03 | 17.72 | 0.02 | 5.11 | 0.042 | 0.55 | - | 51.83 | Bal. |
| BNi-2 | 4–5 | 0.1 | 6–8 | 2.75-3.5 | - | 0.06 | - | 0.02 | Bal. | 2.05-3.5 |
| Material | Density/g·c | Elastic modulus/GPa | Thermal expansion coefficient/×1 | Specific heat capacity/ J·(kg·K | Thermal conductivity/W·(m·K |
|---|---|---|---|---|---|
| GH4169 | 8.19 | 204 | 11.8 | 481.4 | 13.4 |
| BNi-2 | 14.1 | 180 | 11 | 490 | 8 |
真空钎焊工艺制备金属橡胶夹芯板流程如
图2 真空钎焊工艺制备金属橡胶夹芯板流程
Fig.2 Vacuum brazing process of sandwich panel with metal rubber core
| Test | A: brazing temperature/℃ | B: heating rate/℃·mi | C: holding time/min |
|---|---|---|---|
| S1 | 1 (1010) | 1 (4) | 1 (10) |
| S2 | 1 | 2 (7) | 2 (20) |
| S3 | 1 | 3 (10) | 3 (30) |
| S4 | 2 (1050) | 1 | 2 |
| S5 | 2 | 2 | 3 |
| S6 | 2 | 3 | 1 |
| S7 | 3 (1090) | 1 | 3 |
| S8 | 3 | 2 | 1 |
| S9 | 3 | 3 | 2 |
金属橡胶夹芯板的剪切试验（Ⅰ）在日本岛津AG-Xplus高速电子材料试验机上完成，试验工装及试验过程示意图，如
图3 剪切试验工装及示意图
Fig.3 Setup and schematic diagram of model shear experiment: (a) model Ⅰ and (b) model II
金属橡胶是一种具有特殊空间结构的多孔材料，螺旋金属丝可视为其内部单元结构，且其与面板的接触形式为点接触和线接触。为更好地研究真空钎焊工艺参数与结合强度之间的内在联系，设计板丝样件（
真空钎焊金属橡胶夹芯板的过程涉及复杂的传热传质现象，是在多个物理场（如热场、流体场和固体结构场）的耦合作用下实现面/芯连接。通过建立真空钎焊金属橡胶夹芯板的有限元模型研究在不同的真空钎焊工艺参数下面/芯连接面的温度及应力演变过程，以便于研究工艺参数对结合强度的影响规律。此外，为了保证仿真的准确性和效率，忽略金属橡胶件内部独特的结构，仅考虑金属丝与面板的结合关系，根据板丝样件进行仿真模型建立（如
图4 真空钎焊板丝仿真模型
Fig.4 Vacuum brazing simulation model with sheet-wire
（1）在真空钎焊过程中忽略钎料融化的流动；（2）假设钎焊环境是绝对真空；（3）忽略真空条件下元素的挥发；（4）忽略模型中不同相之间的化学反应。
为更好地展示真空钎焊过程中板丝模型的温度演变过程，以S1制备工艺为例分别选取了初始时间、加热过程中的两个时间、保温时间以及冷却过程及最终时间，如
图5 真空钎焊制备板丝样件过程中不同时间下温度场的分布
Fig.5 Distribution of temperature field during vacuum brazing of sheet-wire specimen at various time: (a) 0 min, (b) 100 min, (c) 200 min, (d) 250 min, (e) 300 min, and (f) 356 min
此外，由
图6 应力仿真结果
Fig.6 Stress simulation results: (a) stress vs time at different points; (b) stress under different vacuum brazing parameters
为了进一步阐述钎焊连接强度与剪切性能的内在联系，选取了3种真空钎焊工艺参数（即S3、S5和S9）以制备板丝试样，并进行Ⅱ型剪切试验。由
图7 Ⅱ型剪切试验的板丝样件失效行为
Fig.7 Failure behavior of sheet-wire specimens under model Ⅱ shear test: (a) mode-Ⅰ failure and (b) mode-II failure
图8 在Ⅱ型剪切试验下板丝样件的载荷-位移曲线
Fig.8 Force-displacement curves of sheet-wire specimens under model II shear test: (a) mode-I failure behavior and (b) mode-II failure behavior
图9 金属橡胶夹芯板在Ⅰ型剪切试验下典型的载荷-位移曲线；面芯失效行为和金属橡胶变形损伤
Fig.9 Force-displacement curve of sandwich panel with metal rubber core under model I shear test (a); failure behavior of sheet-core (b); deformation of metal rubber (c)
为全面评估其性能，选取了峰值载荷、能量吸收以及剪切模量（Geq）作为关键评价指标，并确保所有数据均基于3个条件一致的试验进行平均处理，以确保结果的可靠性。
图10 Ⅰ型剪切试验下金属橡胶夹芯板的评价指标
Fig.10 Evaluation index of sandwich panel with metal rubber core under model I shear test
极差分析下评价指标与三因素三水平正交试验结果之间的关系与结果如
图11 正交试验与多指标的极差分析趋势
Fig.11 Orthogonal test and multi-index under range analysis trend: (a) maximum force; (b) energy absorption; (c) Geq
| Multi-index | Factor | ||
|---|---|---|---|
| A | B | C | |
| Maximum force/kN | 0.48 | 0.40 | 0.09 |
| Energy absorption/J | 21.5 | 4.41 | 3.92 |
| Geq/MPa | 1.73 | 2.93 | 2.36 |
1） 在真空钎焊过程中，板丝模型的表面温度分布呈现对称模式，在中心区域温度分布均匀。在不同真空钎焊连接工艺参数下，最大残余应力与金属橡胶夹芯板的结合强度呈负相关。
2） 在Ⅰ型试验中，金属橡胶夹芯板的典型失效行为包括线弹性、非线性渐软变形、损伤变形和稳定失效4个阶段。然而，在Ⅱ型剪切试验中，由于真空钎焊工艺参数的变化引起结合强度的改变，使其产生两种不同的失效行为。
3） 通过极差分析得到制备金属橡胶夹芯板的最优真空钎焊工艺参数为1090 ℃，4 ℃/min和20 min。
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