超聲波在輔助活性釬焊鋁-石墨中的作用機(jī)理研究.pdf

1、本文以大氣條件下超聲波作用下活性釬料和超聲波輔助釬焊鋁和石墨為研究對(duì)象，以解決和提高超聲波作用下活性填充材料在石墨表面的潤(rùn)濕性為目標(biāo)，以構(gòu)建超聲波作用對(duì)液態(tài)釬料的活化機(jī)理和超聲波作用對(duì)釬焊過(guò)程中釬料潤(rùn)濕母材的作用機(jī)理為學(xué)術(shù)思想，研究超聲波在輔助活性釬焊技術(shù)中的重大基礎(chǔ)問(wèn)題：超聲波的加入對(duì)釬料中活性元素的作用機(jī)理和超聲波在輔助活性釬焊過(guò)程中對(duì)界面反應(yīng)的作用機(jī)理與界面形成理論。本文使用Sn5Ag8Ti活性釬料，在大氣條件下對(duì)6063鋁和石墨

2、進(jìn)行了超聲波輔助釬焊，通過(guò)改變超聲波的作用時(shí)間研究了超聲波在輔助活性釬焊鋁和石墨中的作用機(jī)理。
　　在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)前期實(shí)驗(yàn)提出的抑制活性元素快速氧化的新型自釬劑Sn-Ag-Ti-Al抗氧化活性釬料進(jìn)行了基本實(shí)驗(yàn)，針對(duì)其釬焊結(jié)果并不理想，進(jìn)而終止了針對(duì)該釬料的研究，但針對(duì)活性釬料在大氣條件釬焊溫度下迅速被氧化，減少了活性釬料中活性元素的濃度這一現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，研究結(jié)果表明影響釬料中活性元素參與界面反應(yīng)的因素有兩個(gè)方面：大氣條件

3、下釬料表面活性元素被氧化形成的氧化膜對(duì)活性元素濃度的影響和釬料熔煉時(shí)形成的高溫相在釬焊時(shí)不熔化對(duì)活性元素濃度的影響，在前期對(duì)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上提出了通過(guò)在釬焊溫度下將釬料中的高溫相熔化釋放活性元素提高活性元素濃度的方法來(lái)改變釬焊時(shí)釬料中活性元素的濃度。進(jìn)而研究了超聲波對(duì)釬料中的高溫相的影響和超聲波對(duì)釬焊鋁和石墨的作用機(jī)理。
　　實(shí)驗(yàn)中將Sn5Ag8Ti釬料加熱至釬焊溫度保溫一段時(shí)間后，進(jìn)行快冷時(shí)Sn-Ti相的形狀和尺寸并沒(méi)有發(fā)生變化

4、，而低熔點(diǎn)的Sn-Ag相基本消失，進(jìn)一步證明了釬焊溫度下高溫相沒(méi)有熔化，而且該方法很好地將超聲波作用后的釬料組織更好的保存下來(lái)。而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著超聲波作用時(shí)間的增加，釬料中的Sn-Ti相的尺寸逐漸變小。隨著超聲波作用時(shí)間的再延長(zhǎng)釬料的溫度升高，Sn-5Ag釬料溫度升高值為△T12s=0.3℃，比理論溫度升高值為△T12s=0.409℃略低，考慮熱傳導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)誤差的影響，其理論值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。對(duì)于Sn5Ag8Ti釬料計(jì)算結(jié)果表明固

5、液界面對(duì)超聲波的吸收產(chǎn)生的熱量可以使幾乎所有的Ti6Sn5相熔化，并接近Ti2Sn、Ti2Sn3、Ti5Sn3相的熔點(diǎn)，這些相在超聲波的作用下熔化。超聲波能量的加入使釬料中部分未熔的Sn-Ti化合物在釬焊溫度下熔化，超聲波遇到固液界面時(shí)由于聲阻增大，超聲波的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱能，加熱固液界面處，使釬料局部區(qū)域溫度升高，從而使液態(tài)釬料整體溫度升高。
　　隨著超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度先增加后減少，在超聲波作用10s時(shí)釬焊

6、接頭強(qiáng)度達(dá)到最大為16MPa。當(dāng)超聲波作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于超聲波隨著超聲波作用時(shí)間的延長(zhǎng)，在固液界面處積累的熱量增加，從而使界面微區(qū)的溫度較釬焊溫度高，使得接頭的冷卻速度增大，在同樣的工藝下超聲波作用較長(zhǎng)的焊縫冷卻速度較快容易出現(xiàn)裂紋，降低接頭的剪切強(qiáng)度。超聲波的能量加熱和振動(dòng)共同作用破除釬料與鋁表面的氧化膜，使釬料與母材直接接觸，潤(rùn)濕母材表面，對(duì)釬焊接頭進(jìn)行剪切測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂位置均發(fā)生在靠近焊縫的母材石墨側(cè)，超聲波作用2s時(shí)釬料

7、在母材鋁表面完全潤(rùn)濕，而在母材石墨表面，超聲波作用6s時(shí)釬料才能完全潤(rùn)濕石墨。當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)超聲波作用時(shí)間時(shí)，釬料都能夠完全潤(rùn)濕母材。真空下，釬料呈圓滑狀浸入石墨，并沒(méi)有完整的反應(yīng)層，而在超聲波的作用下，界面處生成了平直的且具有一定厚度的反應(yīng)層。使用透射電鏡對(duì)釬焊接頭進(jìn)行了觀察時(shí)，在石墨與釬料的界面處觀察到尺寸達(dá)到納米級(jí)別的晶粒，晶粒尺寸在40nm左右。超聲波對(duì)石墨界面的沖擊作用使得石墨表面原子團(tuán)剝離，釬料與剝離的原子團(tuán)作用，形成納米尺度的