铝基复合材料超声波辅助钎焊简介.doc

铝基复合材料超声波辅助钎焊简介1.超声波辅助钎焊技术原理频率大于20KHz的声波成为超声波。超声波是一种波动形式，在强度较低时可以作为探测与负载信息的载体与媒介，称为检测超声；同时超声波又是一种能量形式，其强度超过一定值时，就可以通过它与传声媒质的相互作用，去影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构，称为高能超声。超声波在介质中传播时能产生一些声波所不具有的超声效应，如线性的交变振动作用、非线性效应、机械作用、空化作用。尤其是在液体中传播时产生的空化作用、声流，能在液体内部瞬时产生局部高温、几百个大气压，并产生冲击波，对破坏氧化模、促进原子扩散，促进物质的溶解、冲刷固体表面等非常有利1。超声波钎焊最初的发明目的是为了实现在大气条件下无钎剂的钎焊，代替钎焊过程采用的钎剂。而最早应用于铝合金的钎焊，随着超声波钎焊的发展逐渐的被应用到电子器件的焊接中，而焊接的材料不但有铝合金也包括电子行业中应用广泛的铜合金。在近几年，随着超声波钎焊的进一步发展，其他润湿差的金属、陶瓷以及玻璃等也实现了有效连接。同时，对于新兴的双相体材料含有陶瓷增强体的铝基复合材料的超声波钎焊也被发展了。下面就超声波辅助钎焊铝基复合材料工艺做一下简要的概述。本研究采用的超声波辅助钎焊，就是利用超声波空化作用去除金属表面的氧化膜，促进钎料与母材的润湿，实现复合材料的有效连接。2.铝基复合材料连接现状颗粒增强铝基复合材料是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一。它具有重量轻、比强度高、比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热稳定性和导热、导电性能，以及良好的耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点。它有着极为显著的低成本优势，而且制备难度小，制备方法也灵活多样，并可以采用传统的冶金设备进行二次加工，易于实现批量生产。近几年，颗粒增强铝基复合材料的工程应用特别是航空航天应用取得了一系列重大进展，部分品种尤其是铝基电子封装复合材料已开始步入商业化阶段。从增强体体积分数划分，颗粒增强铝基复合材料可以分为：(1) 结构级低体分复合材料(1520%)；(2) 光学/仪表级中等体分复合材料(3545%)；(3) 电子级高体分复合材料(6070%)。焊接技术及工艺是复合材料实用化必须解决的关键技术问题，但由于铝基复合材料的基体与增强相之间的物理、化学性能相差很大，因此焊接性较差，难以获得理想的接头性能。采用电弧焊或激光焊等熔化焊焊接方法来连接SiC颗粒增强的铝基复合材料时主要问题是其可焊性很差。复合材料熔化后粘度很高，流动性较差，不易与填充金属混合，焊缝很难成型。与熔化焊接等方式相比，在颗粒增强铝基复合材料的钎焊与固相焊焊接过程中，制约接头质量的两个最重要的因素是：复合材料表面的氧化膜及焊接表面裸露的增强相颗粒。铝基复合材料表面有一层致密的氧化膜，严重影响钎料在母材表面的润湿与铺展，并阻碍两个连接表面之间的扩散结合2。而颗粒增强铝基复合材料焊接表面裸露的陶瓷颗粒会极大地降低了钎料的润湿铺展性能。一些方法如反应钎焊、扩散焊和瞬间液相扩散焊已经成功地连接了低于30%颗粒增强的铝基复合材料3。然而这些过程都需要在真空炉中进行，焊件形状尺寸比较受限。另外，钎焊方法比较灵活方便，但是空气炉中钎焊铝基复合材料时需要使用钎剂辅助去除氧化膜，并且当SiC增强相体积分数较高时，无论钎剂钎焊或者真空钎焊，液态钎料对复合材料表面的陶瓷颗粒润湿都非常困难4,5。复合材料中增强相与基体之间的物理、化学性能差异很大，上述连接方法焊接铝基复合材料时，在连接界面处都需要解决颗粒/颗粒或颗粒/金属的结合问题，这两种结合均属于弱连接，并且随着复合材料颗粒含量的增加，界面处弱连接面积增大，导致接头强度明显下降。对于中、高体分颗粒增强铝基复合材料，这一问题尤为严重，上述焊接方法在焊接中、高体积分数铝基复合材料时都遇到困难，因此研究能够连接中、高体积分数铝基复合材料的焊接技术是非常必要的。3.超声波辅助钎焊铝基复合材料工艺3.1实验材料本研究主要采用无压浸渗工艺制备的55%SiCP/A356复合材料。其中增强相颗粒选用小粒径(10m)SiC颗粒与大粒径(50m)SiC颗粒进行混合，使小颗粒填充到大颗粒的间隙，从而实现了55%的体积分数。如图1所示，SiC颗粒分布均匀，铝合金基体充分填充于SiC颗粒之间，界面结合良好。本研究所采用的钎料为Zn-Al合金，钎料的显微组织由大部分的-Zn相与少量的（+）共晶相组成，如图2所示。其熔点为380C，化学成分如表2-2所示。 -Zn相共晶相图1 55%SiCp/A356复合材料的微观组织形貌 图2 Zn-Al钎料的微观组织表2-2 Zn-Al钎料的化学成分 (wt. %)元素ZnAlCuMgMnFeSiNi杂质含量89.34.203.220.820.910.010.810.05余量3.2实验设备及装置本研究采用一种可实现局部加热、焊接操作灵活的超声波辅助精密钎焊设备。运用本焊接设备可以实现大气环境下的钎焊，并能够满足大尺寸、复杂构件焊接的需要。超声波振动装置如图3所示，它包括超声波电源、超声波换能器、钛合金变幅杆、气压加压机构、温度测试反馈机构、工作平台等。超声波的输出功率为1kW，超声波的振动频率为20kHz，振幅范围为050m。气压加压大小为05MPa。实验过程采用电阻炉加热，最高加热温度为800C。拥有六路温度检测通道，可同时检测六个不同部位的温度变化，测试精度为1C。图3超声波钎焊装置3.3超声波辅助钎焊连接工艺采用线切割将铝合金及铝基复合材料加工为40mm10mm3mm的待焊试件，对母材表面进行机械和化学处理，去除其氧化皮及油污。将待焊试件以搭接接头形式装卡在焊接卡具上，采用两种形式添加钎料：将钎料置于焊缝一侧或在母材间预置中间层箔，焊缝间隙或中间层箔的厚度为100-500m。加热至预设温度后，通过超声波工具头直接将超声波从下试件导入，超声波振幅为20m，振动时间为0.132s，振动结束后将超声工具头移开，将试件随炉冷却至200C后空冷至室温，实验过程示意图如图4所示。a)b)图4颗粒增强铝基复合材料超声辅助液相连接方法的示意图a) 钎料填缝过程, b) 预置中间层钎料方法4.超声波辅助钎焊铝基复合材料接头组织和力学性能4.1超声作用时间对接头组织的影响实验所采用的工艺参数为：温度420C，振幅20m，中间层厚度300m，改变超声波作用时间分别为0.55s，研究55%SiCp/A356复合材料接头及界面连接的变化行为。图5为不同超声波作用时间下连接接头的界面BSE照片。超声波作用时间为0.5s时，界面处氧化膜破裂，有少量Zn扩散到近界面的母材中，但氧化膜没有去除，多呈连续状存在于钎料与复合材料界面处，增强相颗粒几乎完全不被润湿（图5a）。超声波作用时间为1s时焊缝宽度均匀，由微观组织SEM照片5b可知，钎料与复合材料界面处基体铝合金之间的氧化皮基本消失，钎料与母材形成冶金连接，界面处母材表面裸露的大尺寸SiC颗粒多不被润湿，与钎料之间存在一条狭窄的不润湿区（图5c），有少量尺寸为10m的增强相颗粒进入到界面附近的焊缝中。b)a)Zn-Al钎料 alloy残留氧化层 Zn-Al残留氧化层SiCd)c)Zn-Al 钎料残留氧化层 Zn-Al 钎料f)e)Zn-Al 钎料 Zn-Al 钎料SiC图4-15 不同超声波作用时间下Zn-Al钎料/SiCp/A356连接界面的微观组织a) 0.5s, b) ,c) 1s, d) ,e) 2s, f) 5s超声波作用时间为2s时焊缝中有大量小颗粒进入焊缝，这些颗粒分散在焊缝共晶组织中。焊缝微观组织形态如图5d所示，整个界面氧化皮完全消失，-Al枝晶从母材向Zn-Al钎料中生长，表明母材与钎料之间形成了良好的冶金结合。钎料润湿了大部分SiC颗粒，由放大图5e可以看出钎料与增强相颗粒间没有孔洞及缝隙，钎料很好的润湿了部分SiC颗粒，在焊缝边缘处仍有少量SiC陶瓷颗粒没有被润湿。增加超声波时间到5s，整个焊缝界面处的SiC陶瓷颗粒都与Zn-Al合金润湿结合，有大量小SiC颗粒均匀分布于焊缝金属中，且有少量尺寸为50m的大SiC陶瓷颗粒进入焊缝，但是其分布十分不均匀，如图5f所示，当超声波作用时间在5s时焊缝金属由三种组织组成，灰色的-Al（含锌量较高）固溶体、白色的-Zn固溶体以及三元共晶组织（锌基固溶体铝基固溶体CuZn5）。在不同的超声波作用时间下，焊缝中都没有未填充形成的不致密性缺陷。4.2超声作用时间对接头力学性能的影响图6所示是超声波作用时间与接头剪切强度的关系曲线。当超声波作用时间小于5s时，随着超声波作用时间的增加接头剪切强度迅速提高，由超声波作用时间0.5s时的51Mpa增加到5s时的165MPa。由SEM图片可知，超声波作用时间为1s时润湿界面处，基体合金的氧化膜大部分消失，但此时陶瓷颗粒几乎未与钎料形成结合，由断口表面可见，SiC陶瓷颗粒多呈裸露状态，表面没有粘结的钎料合金。随着超声波作用时间的增加，界面处基体合金与钎料形成冶金结合，界面处裸露的陶瓷颗粒也逐渐被钎料润湿，断口处的陶瓷颗粒表面都附着钎料金属，故接头强度随时间呈上升趋势。当超声波作用时间达到5s，接头剪切强度达到最大。继续增加超声波作用时间到10s，接头剪切强度变化不大。裸露SiC润湿的SiC图6 超声波作用时间与接头的剪切强度的关系曲线参考文献1. 冯若, 李化茂. 声化学及其应用. 安徽科技出版社, 1999: 67-902. 牛济泰, 刘黎明, 韩立红. 铝基复合材料焊接研究现状及展望. 哈尔滨工业大学学报. 1999, 31(1): 130-1323. J. H. Huang, Y. L. Dong, Y. Wan. Reactive Diffusion Bonding of SiCp/Al Composites by Insert Layers o