2024Al超聲波輔助軟釬焊工藝及連接界面接合機制.pdf

1、2024鋁合金具有強度高、密度小、成本低等優(yōu)點而應(yīng)用于電子行業(yè)、飛機制造業(yè)等領(lǐng)域。由于2024鋁合金在超過502℃時連接會發(fā)生強化相的重溶,從而導(dǎo)致熱裂紋以及母材的軟化,因此2024鋁合金構(gòu)件的應(yīng)用受到了限制。如果能夠在低于502℃下對2024鋁合金實施連接就可以減少接頭力學(xué)性能的降低。因此本文以2024鋁合金的中低溫連接為主要的研究目標,提出了采用Sn基和Zn基釬料對2024鋁合金實施超聲波輔助釬焊的工藝。
　　研究了超聲波作用

2、下 Sn基釬料與氧化膜的鋪展?jié)櫇窈徒雍闲袨椤⒀趸さ钠瞥外F料對母材的鋪展?jié)櫇裥袨?。其?研究了超聲波作用下Sn對Al的溶解規(guī)律,獲得了Al元素為主的釬縫,增強了釬縫本身的強度。然后,本文采用Sn-xZn釬料超聲波輔助釬焊2024鋁合金,利用Zn元素的加入,增強母材和釬料的界面強度。影響Zn基釬料與2024鋁合金連接的主要問題是共晶組織的消除。本文采用長時間超聲以及長時間保溫的工藝方法,使得 Al元素大量溶解至釬縫,使得釬縫中的高熔點相

3、發(fā)生凝固,使得共晶組織大幅度減小并消失,提高了接頭的使用溫度。
　　采用微弧氧化膜模擬釬焊時生成的2024鋁的氧化膜的方法,研究了超聲波作用下,釬料與氧化膜的鋪展?jié)櫇窈徒雍闲袨?。通過 TEM、HREM和電子衍射花樣分析,發(fā)現(xiàn)在未完全破膜的情況下,純Sn,Sn-9Zn,Zn-5Al釬料可以在經(jīng)過微弧氧化處理的2024合金上鋪展,潤濕角為鈍角,但釬料與微弧氧化膜的界面通過兩層非晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了接合。超聲波作用下,純Sn也可以在釬焊溫度下在

4、2024鋁的氧化膜上進行鋪展,Sn和自然氧化膜間發(fā)生了接合。并推導(dǎo)出超聲波作用下Sn基釬料可以在氧化膜上發(fā)生鋪展的條件。
　　通過改變保溫時間,釬焊溫度等參數(shù)發(fā)現(xiàn)超聲波的參數(shù)是影響釬縫中 Al元素含量的主要因素。當(dāng)超聲振幅由4μm增加到8μm時,釬縫中Al元素的含量由0.53％增加到2.5%。超聲時間增加到60 s時,釬縫中Al元素含量可達3%。并且通過逐步改變超聲波作用時間,追蹤母材中強化相等研究方法,得出超聲波作用下 Sn對A

5、l的溶解規(guī)律和釬縫中α-Al相的遷移模型?；谝陨先芙庖?guī)律,實現(xiàn)了梅花狀α-Al相增強的釬縫。采用真空蒸鍍預(yù)置 Sn釬料膜,再超聲波釬焊,可以實現(xiàn)以Al元素為主的釬縫,釬縫中Al元素的體積百分比達到了85.4%
　　通過采用Sn-xZn(x=4,9,20)釬料對2024鋁合金的超聲波釬焊,實現(xiàn)了接頭抗拉性能比采用純Sn時提高了4倍以上。接頭的抗拉性能由采用純Sn釬料時的34-41 MPa提高到158-189 MPa。純Sn接頭的斷

6、口斷裂在界面處, Sn-xZn接頭的斷口斷裂在釬縫中,接頭的界面得到了強化。通過 TEM, HREM觀察和分析,發(fā)現(xiàn) Sn-xZn/2024Al界面之間有一層非晶結(jié)構(gòu)的過渡層,其成分為Sn61Al34Zn5,得到了界面的強化機制。
　　研究表明界面上的非晶層是在超聲過程中形成的。超聲空化泡崩潰時的高溫高壓使得母材中 Al熔化并與釬料中的Sn,Zn元素混合?？栈荼罎r間極短,導(dǎo)致瞬間冷卻速度達6.6×108 K/s,超過形成非晶的

7、極限冷卻速度。同時 Sn61Al35Zn4達到非晶的凝固“溫度”而凝固,導(dǎo)致非晶層的形成。采用純Al作為母材時,界面上也存在著一層非晶層,非晶成分基本不變,厚度為15-25 nm;采用Sn-4Zn釬料和Sn-9Zn釬料,界面上均有一層10-25 nm之間非晶層,且非晶層成分基本不變;延長超聲時間時,非晶層的厚度增加到30-40 nm之間,非晶層的成分不變。
　　通過延長超聲時間和保溫時間實現(xiàn)了釬縫中共晶組織的大幅度減少甚至消失。超

8、聲時間由3 s增加到30 s時,釬縫中Al元素的含量(質(zhì)量百分比)由13%增加到25%。細小共晶組織的含量也由超聲3 s時的12.9%下降到超聲30 s時的0.9%。同樣溫度下,當(dāng)超聲3 s,保溫30 min時,釬縫中Al元素的含量為16%,此時細小共晶組織完全消失了。減少細小共晶的含量,能夠提高接頭的力學(xué)性能。當(dāng)細小共晶的含量為0.9%時,接頭的抗剪強度為149-153 Mpa,比其含量12.9%提高了20%,當(dāng)細小共晶組織消失時,接