铝基复合材料超声波辅助钎焊简介

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1、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

2、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

3、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

4、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(15~20%)；(2)光学/仪表级中等体分复合材料(35~45%)；(3)电子级高体分复合材料(60~70%)。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

5、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

6、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

7、，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(10µm)SiC颗粒与大粒径(50µm)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η

8、-Zn相与少量的（α+η）共晶相组成，如图2所示。其熔点为380°C，化学成分如表2-2所示。η-Zn相α＋η共晶相图155%SiCp/A356复合材料的微观组织形貌图2Zn-Al钎料的微观组织表2-2Zn-Al钎料的化学成分(wt.%)元素ZnAlCuMgMnFeSiNi杂质含量89.34.203.220.820.