超聲波釬焊物理機制及工藝研究.pdf

1、隨著超聲波釬焊技術的發(fā)展以及鋁及其復合材料低溫連接需求的增加，對超聲波釬焊中物理機制的認知的要求越來越強烈。本文研究了在超聲波作用下液態(tài)釬料在鋁或鋁基復合材料表面鋪展并去除表面氧化膜的過程、超聲波作用液態(tài)Sn和Zn對Al的溶解行為、超聲波誘導液態(tài)釬料填充預留間隙的填縫速度規(guī)律、超聲波釬焊鋁基復合材料工藝。重點分析了超聲波作用下母材表面氧化膜去除的物理機制、超聲波作用對溶解的促進作用、超聲波誘導填縫的物理機制及超聲波誘導過程的氧化膜去除行

2、為、含有不同增強相的具有復合結構的釬縫的力學性能及微觀結構。
　　在超聲波作用下，液態(tài)釬料可以在鋁合金或鋁基復合材料表面鋪展并去除母材表面的氧化膜實現冶金連接，其氧化膜破碎去除機制如下：在超聲波作用下液態(tài)釬料可以在鋁或鋁基復合材料表面的氧化膜上鋪展，在超聲波作用下液態(tài)釬料內部會引發(fā)空化作用，會對母材表面部分氧化膜破碎，使得表面出現能夠使液態(tài)釬料與母材直接接觸的通道，液態(tài)釬料會溶解母材表面，在很短時間擴展為溶坑，氧化膜浮于液態(tài)釬料與

3、溶坑液相之間，在超聲波振動作用下液態(tài)釬料與溶坑中液相混合氧化膜被破碎。當溶解持續(xù)進行，母材表層都形成液化層，在超聲波作用下液化層都會被攪入液態(tài)釬料中，同時表面的氧化膜也隨著母材表層的去除而被去除了。
　　研究了固態(tài)Al和液態(tài)金屬Sn、Zn保持在一定溫度時的溶解行為，液態(tài)Sn、Zn會溶解Al板表面，當液相中Al的含量達到飽和之后，飽和溶液仍然能溶解Al板，同時，α-Al固溶體不斷的從飽和溶液中析出。液相溶解Al板的溶解速率隨保溫時間

4、的延長而逐漸降低。超聲波作用下液態(tài)Sn、Zn對Al的溶解行為與不加超聲波時的溶解行為一致。但是從飽和溶液中析出的α-Al固溶體更圓整化，同時超聲波能夠促進液態(tài)Sn、Zn對Al的溶解。施加超聲波作用時的溶解速率與不施加超聲波作用時的溶解速率之比最大超過10倍。
　　超聲波作用能誘導液態(tài)釬料填充兩母材間預留的間隙。分析了液態(tài)釬料填縫過程中潤濕引起的毛細作用與超聲波誘導作用的各自貢獻，認為超聲波在液態(tài)釬料中產生聲壓的驅動作用在液態(tài)釬料超

5、聲誘導填縫過程起很重要作用。在超聲波振動作用下釬料層內部形成聲壓場，而在不同寬度連接處聲壓隨時間和面積積分得到總沖量不為零，而且作用方向為較窄的間隙的方向，聲壓是使液態(tài)釬料向窄間隙中填縫的很重要的驅動作用。而超聲波輸入的振幅越大，預留間隙越小，液體內部產生的聲壓越大，聲壓在一定時間內的總沖量值越大，所以填縫速率也越大。由于鋁基復合材料具有更高的彈性模量，在固相母材一端施加超聲波振動，在母材另一端所產生的振動幅值比鋁合金的要大，所以釬料液

6、相層中受到的振動的幅值就大，填縫速率也就比鋁合金的快。
　　超聲波誘導液態(tài)釬料填縫過程中氧化膜去除行為與鋪展過程氧化膜去除行為一致。液態(tài)釬料先填充兩母材之間的間隙與氧化膜接觸，之后在空化作用下部分母材表面氧化膜被破碎，之后形成溶坑，最后液相層被超聲波振動攪入釬料，表面氧化膜隨表層母材被去除而同時被去除。超聲波誘導液態(tài)釬料填滿整個搭接長度后，仍有部分表面氧化膜沒有被去除，只有繼續(xù)施加一定時間的超聲波振動，才會使表面氧化膜完全被去除。

7、采用合適的超聲波誘導工藝釬焊的接頭抗剪強度可達147MPa，接近于釬料的強度。
　　采用超聲波誘導填縫釬焊工藝形成冶金連接的焊縫后，采用超聲波復合化工藝能實現具有復合結構的釬縫。液態(tài)釬料向母材表層擴散溶解，使其表層能形成一層半固液層，之后再施加一次超聲波振動，則母材中的半固液層可被攪入釬縫中，與原有的釬縫實現混合，釬縫含有大量來自母材的晶須使其具有復合結構。擠壓輔助的復合化工藝可以大幅提高復合化的釬縫中增強相的體積分數，增強相的體