【摘 要】
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超声钎焊在大气环境下不使用钎剂即可实现钎料与不润湿母材之间的连接,其主要依靠液态钎料的声空化。超声钎焊中的声空化一般发生在毫米甚至微米级的液体薄层当中,空间和边界条件的特殊性使薄层钎料的声空化表现出不同于大体积液体声空化的一系列特殊性质。本文以超声钎焊过程中薄层金属的特殊的声空化特征为主要研究目标,利用有限元模拟和实验观察相结合的方法,研究空化泡形貌、动态行为、空化泡动力学及空蚀效应。声致铺展过程
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超声钎焊在大气环境下不使用钎剂即可实现钎料与不润湿母材之间的连接,其主要依靠液态钎料的声空化。超声钎焊中的声空化一般发生在毫米甚至微米级的液体薄层当中,空间和边界条件的特殊性使薄层钎料的声空化表现出不同于大体积液体声空化的一系列特殊性质。本文以超声钎焊过程中薄层金属的特殊的声空化特征为主要研究目标,利用有限元模拟和实验观察相结合的方法,研究空化泡形貌、动态行为、空化泡动力学及空蚀效应。声致铺展过程中钎料液滴的声压在一个超声周期内正负交替变化,空化泡在负压阶段形核、长大,正压阶段收缩、溃灭。空化在宏观上先强后弱,根据强度可分为紊乱和稳定空化两个阶段。紊乱阶段空化率高,可观察到生命周期较长的空化云;稳定阶段空化率低,以一个周期内形核并溃灭的小空化泡居多。空化微观上呈强弱交替变化,变化周期一般为几十个超声周期。超声功率越大、母材弹性模量越大,空化强度越高。铺展完成后钎料液滴中心因空化作用时间长空蚀更明显,空蚀程度由液滴中心向外逐渐减弱;钎料前沿处始终存在一因声能损失形成的―空化盲区‖,无法去除母材的氧化膜;阻止铺展前沿处在自由界面可消除该盲区,实现去膜。超声钎焊过程中钎料处在搭接母材的窄间隙内,相比于处在自由表面的薄层钎料,超声钎焊过程中钎料的声压值会提高3倍以上,空化强度更高,空化泡分布更加均匀。超声钎焊过程中薄层钎料的声空化宏观上亦先强后弱,更高的声强可加快除气过程,因此紊乱空化阶段明显缩短。声空化也呈强弱交替变化,变化周期较自由表面薄层钎料更短。钎料内部声压在一个周期内正负交替变化,空化泡在负压阶段形核、长大,正压阶段收缩、溃灭。提高超声功率、增大母材弹性模量、减小搭接宽度可明显提高钎料声压,进而提高空化强度。超声钎焊过程中钎料的空蚀效果更强,且空蚀效果随间隙宽度的减小明显增强。超声钎焊过程中的空蚀孕育期极短,当母材搭接宽度为0.2 mm时,空蚀孕育期短于0.5 s。声致铺展过程中液滴铺展前沿由于一部分声能转化为动-势能使得其声压低于液态金属的空化阈值,因此无法发生空化。结合高速摄像技术与有限元模拟,计算得Ga In共晶合金在常温下的空化阈值为0.65 MPa,纯Sn在250℃的空化阈值为1.26 MPa。空化动力学的计算结果表明,钎料在经历类正弦声压时,初生半径为10μm的空化泡最大长大速度可达40 m/s。超声钎焊过程中钎料内部空化泡形核后长大速度更快,最终半径更大。母材搭接宽度越窄、超声功率越大、母材弹性模量越大,空化泡的长大越快,最终半径也越大。镓铟合金薄层中单个空化泡溃灭的力约为0.054-0.067 N,单个微射流的压强约为542.87-673.56 MPa。使用纯Sn对1060铝进行超声钎焊,当母材间隙宽度从0.8减小至0.2 mm时,焊缝晶粒从2.62细化至1.04?μm,焊缝中铝含量从0.93提高至4.89%,接头的强度和硬度分别提高65.4和52.7%。理论计算和实验结果表明,超声钎焊过程中的强声空化作用可使钎料发生提前形核,从而引起晶粒细化。使用Sn-9Zn对7075铝合金进行超声钎焊时,钎料的晶粒也会发生细化。当母材的间隙宽度从0.8减小至0.2 mm时,焊缝中Sn的晶粒从2.83细化至2.56?μm,Zn晶粒从0.36细化至0.35?μm,焊缝中铝含量从3.35提高至10.84%,接头的强度和硬度分别提高34.6和35.3%。由于焊接温度低于200℃,使用Sn-9Zn钎料可成功避免7075铝合金的软化。利用声致毛细和较窄间隙内部声空化较强的特点成功实现多孔陶瓷的焊接过程。超声波作用下,钎料可通过毛细填缝作用渗入到多孔陶瓷颗粒的间隙中,渗入距离随超声时间延长而增大。由于多孔陶瓷间隙内部较强的声空化作用,陶瓷颗粒被空蚀而流入焊缝。
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