液態(tài)釬料超聲驅(qū)動(dòng)填縫機(jī)理及聲空化作用研究.pdf

1、根據(jù)傳統(tǒng)釬焊理論，無法在大氣環(huán)境下不使用釬劑實(shí)現(xiàn)釬料與不潤濕母材間的連接。而超聲波輔助釬焊可在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)難潤濕釬料與母材之間的自動(dòng)填縫釬焊。這與傳統(tǒng)釬焊理論存在明顯的矛盾，而對(duì)超聲波作用下非潤濕填縫行為及機(jī)理的研究仍較為匱乏。因此本文以揭示超聲作用下的非潤濕填縫行為的物理本質(zhì)為主要研究目標(biāo)，主要研究了母材振動(dòng)響應(yīng)特征、聲致鋪展行為、聲致填縫物理本質(zhì)、窄間隙內(nèi)的空化特征及其作用等。
　　研究發(fā)現(xiàn)超聲作用下母材表面的振動(dòng)響應(yīng)為非均

2、勻分布，但具有一定分布規(guī)律。母材表面同時(shí)存在振動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)到激勵(lì)振幅數(shù)倍的振動(dòng)較強(qiáng)區(qū)域以及振幅接近于0的振動(dòng)死區(qū)。超聲頻率、母材物理性質(zhì)、母材形狀尺寸、超聲施加位置均可改變分布特征。超聲振幅、焊接溫度不改變振動(dòng)分布特征，但可改變相應(yīng)位置的振動(dòng)強(qiáng)度。焊接前焊接參數(shù)的設(shè)定以及焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要，將嚴(yán)重影響后續(xù)的焊接效果。
　　通過流體模擬計(jì)算與動(dòng)態(tài)觀察相結(jié)合的方式對(duì)超聲波作用下釬料在不潤濕母材表面的鋪展行為研究發(fā)現(xiàn)，超聲作用下釬料可

3、在不潤濕母材的條件下迅速向四周均勻鋪展成膜，釬料鋪展過程為由三相界面開始周期性的鋪展/回縮交替進(jìn)行，鋪展長(zhǎng)度大于回縮長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)整體鋪展，鋪展階段伴有明顯的霧化現(xiàn)象。超聲振動(dòng)越強(qiáng)鋪展速度越快，伴隨霧化現(xiàn)象越劇烈。交替流動(dòng)是由于超聲波在液態(tài)釬料中產(chǎn)生的類正弦變化的超聲附加壓力梯度所導(dǎo)致。超聲附加壓力梯度為具有一定不對(duì)稱性的類正弦變化函數(shù)，函數(shù)正負(fù)半波不對(duì)稱程度由函數(shù)偏移量Pc表示，Pc是由超聲波在釬料內(nèi)部的傳播過程具有非線性特征所產(chǎn)生，

4、其存在導(dǎo)致釬料受到不等于零的時(shí)域平均壓力——平均超聲附加壓力梯度。超聲波為6μm時(shí)，釬料界面附近產(chǎn)生的平均附加壓力梯度為-1195Pa，負(fù)值表示由界面中心至氣液界面為壓力降低。由計(jì)算分析得到聲致非潤濕鋪展的驅(qū)動(dòng)力即為由于超聲傳播的非線性特征在釬料內(nèi)產(chǎn)生的由壓力中心指向氣液界面的平均超聲附加壓力梯度。平均超聲附加壓力梯度隨超聲振幅的增大而增大。低于超聲頻的振動(dòng)非線性特征較弱，產(chǎn)生平均超聲附加壓力梯度不足以克服阻力實(shí)現(xiàn)非潤濕鋪展。過高的超聲

5、頻率會(huì)使釬料發(fā)生聲懸浮而不利于在母材表面的鋪展。
　　對(duì)超聲作用下釬料的非潤濕填縫過程分析得到，超聲作用下釬料可實(shí)現(xiàn)向不潤濕母材間隙內(nèi)的迅速填充。填縫過程伴隨超聲霧化、超聲空化以及釬料的側(cè)向溢出現(xiàn)象。釬料的填縫過程中速度發(fā)生變化，變化規(guī)律與母材表面振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律一致。
　　聲致非潤濕填縫過程，與鋪展過程相同，釬料在超聲作用下受到具有非線性特征的隨時(shí)間類正弦變化的超聲附加壓力。在釬料內(nèi)部產(chǎn)生由壓力中心指向間隙內(nèi)外氣液界面

6、和由氣液界面指向壓力中心交替變化的超聲附加壓力梯度，壓力中心位于間隙內(nèi)部。在周期性變化的超聲附加壓力梯度作用下，克服表面附加壓力及摩擦力的作用，釬料瞬時(shí)發(fā)生擴(kuò)張/回縮的周期性流動(dòng)。與鋪展過程相同，聲致非潤濕填縫的驅(qū)動(dòng)仍為由超聲非線性特征形成的由壓力中心指向間隙側(cè)氣液界面的平均超聲附加壓力梯度。而由于窄間隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指向間隙內(nèi)釬料的平均超聲附加壓力梯度（超聲5μm時(shí)為-9127.2Pa）遠(yuǎn)大于指向間隙外(（超聲5μm時(shí)為-484.3.2P

7、a間隙內(nèi)約為間隙外的20倍），從而實(shí)現(xiàn)定向填縫。計(jì)算得到平均超聲附加壓力梯度隨超聲振幅及超聲頻率的增大，間隙尺寸的減小而增大。潤濕角、釬料粘度將影響填縫阻力，從而影響填縫過程。計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)觀察填縫結(jié)果基本一致。
　　釬料填縫過程中釬料與母材仍為非潤濕狀態(tài)，母材表面阻礙潤濕的氧化膜仍存在，填縫后需利用超聲空化效應(yīng)去除母材表面氧化膜?？栈Y(jié)構(gòu)及分布特征直接影響空化強(qiáng)度，從而影響母材表面氧化膜的去除情況。通過在1060Al母材表面陽極