激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊工藝研究.pdf

1、近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微系統(tǒng)技術(shù)(MST)的高速發(fā)展，微器件在生物醫(yī)療、通訊電子、精密儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，與之相關(guān)的微型材料焊接技術(shù)的研究顯得越發(fā)重要。高速?zèng)_擊點(diǎn)焊作為一種固態(tài)焊接工藝，其優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)相差很大的異種金屬材料的點(diǎn)焊連接，并且結(jié)合區(qū)域不存在熱影響區(qū)和金屬間化合物，因此具有極高的工業(yè)應(yīng)用前景。
　　本文基于高速?zèng)_擊點(diǎn)焊的結(jié)合機(jī)理，并借鑒激光誘導(dǎo)沖擊波的驅(qū)動(dòng)加載的方式提出了一種新型的激光高速?zèng)_

2、擊點(diǎn)焊方法，旨在探究復(fù)板厚度在100μm以下的同種和異種箔板金屬間的固態(tài)點(diǎn)焊連接工藝。
　　首先，研究了激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊的相關(guān)基礎(chǔ)理論，包括激光與物質(zhì)相互作用的力效應(yīng)模型、高速?zèng)_擊焊接界面波產(chǎn)生的前提、波形特征和結(jié)合機(jī)理。
　　其次，設(shè)計(jì)并搭建了激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇厚度為30μm的鈦箔為復(fù)板、100μm的鋁箔為基板，對(duì)影響激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊連接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)，包括復(fù)板的沖擊速度、碰撞角度和飛行距離進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)

3、研究。采用PVDF壓力傳感器系統(tǒng)來測(cè)試復(fù)板的沖擊壓力，并對(duì)復(fù)板的最大沖擊速度進(jìn)行估算。研究結(jié)果表明:激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊的過程極短（ns量級(jí)），復(fù)板的沖擊壓力極高（GPa量級(jí)）;復(fù)板的飛行距離對(duì)焊點(diǎn)的表面形貌和焊接面積都有很大的影響。通過截面解剖測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)板飛行距離的增大，焊點(diǎn)中心的回彈特征變得越發(fā)明顯，固態(tài)連接區(qū)域面積逐漸增大。
　　接著，探究了三種材料組合(Al/Al、Cu/Al、Ti/Al)在不同的光斑直徑(3mm和5mm

4、)、脈沖激光能量(4J、4.5J、5J)和復(fù)板飛行距離(0.3mm、0.6mm、0.9mm)等條件下的激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊工藝。采用冷鑲嵌技術(shù)制備截面解剖試樣觀察焊接結(jié)合界面的形貌特征，并測(cè)試了垂直于焊接界面方向材料的納米壓痕硬度。結(jié)果表明:環(huán)狀焊接區(qū)域存在沿焊點(diǎn)直徑方向振幅和周期不斷變化的波狀界面和平直狀界面;臨近焊接界面區(qū)域的材料由于受到強(qiáng)塑性變形的影響，顯微硬度顯著提高。采用拉伸剪切測(cè)試研究焊接試樣的機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)板和基板發(fā)生

5、有效固態(tài)冶金結(jié)合時(shí)其連接強(qiáng)度較高，失效形式通常是焊點(diǎn)邊緣破裂。
　　最后，利用顯式有限元軟件AUTODYN中的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法(SPH)和ANSYS/LS-DYNA中有限單元法(FEM)對(duì)激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊工藝進(jìn)行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)SPH方法可以更好地模擬焊接界面的形貌特征和射流現(xiàn)象。FEM方法的優(yōu)勢(shì)在于揭示激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊的焊接過程、材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和應(yīng)力分布狀況。此外，通過觀測(cè)焊接區(qū)域和非連接區(qū)域的剪切應(yīng)力和有效塑性變形隨時(shí)間

6、變化的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)復(fù)板和基板在碰撞界面處的剪切應(yīng)力方向相反，有效塑性變形超過某一臨界值時(shí)，復(fù)板和基板才能實(shí)現(xiàn)有效的固態(tài)冶金結(jié)合。并且，隨著復(fù)板的沖擊速度和碰撞角度的增大，界面波形由平直狀過渡為微波狀，最后變成漩渦狀。與此同時(shí)，碰撞界面處的剪切應(yīng)力和有效塑性變形也相應(yīng)增大。
　　作為一種新型的高速?zèng)_擊點(diǎn)焊工藝，激光高速?zèng)_擊點(diǎn)焊技術(shù)具有較高的研究?jī)r(jià)值和良好的工業(yè)應(yīng)用前景。本文研究將為同種和異種箔板金屬材料固態(tài)點(diǎn)焊連接的工程應(yīng)用提供理論