铝合金超声波钎焊过程中液态钎料的填缝及界面润湿行为

许志武,闫久春,钟 利,杨士勤

(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001)

铝合金超声波钎焊过程中液态钎料的填缝及界面润湿行为

许志武,闫久春,钟 利,杨士勤

(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001)

研究了超声波振动作用下6061A l和2024A l合金焊缝中液态钎料的填缝过程,并分析了加热温度、焊缝预留间隙值对该过程的影响。结果表明,超声波振动作用下液态钎料的填缝行为与传统毛细填缝行为有很大差别,该条件下液态钎料在不润湿母材的基础上就迅速发生填缝过程,钎料初始液2气界面为凸状;随着填缝进行,填缝速度有所下降,填缝前沿钎料/母材界面润湿程度提高,钎料液2气界面形状转变为凹状。加热温度对超声波作用下液态钎料的填缝过程无明显影响,焊缝预留间隙值增加,钎料填缝长度减小,液2气界面形态发生变化。

超声波振动;润湿;毛细作用;氧化膜

超声波在液态钎料中传播时产生的声空化效应能破坏、去除固体表面的氧化膜,还能冲刷固体表面,提高表面的清洁度,从而促进液态钎料与母材基体的润湿结合。因而,超声波被成功应用于无钎剂、非真空环境下氧化性金属及其合金和难润湿性材料(如铝、铜及其合金、陶瓷等)的焊接[1,2]。在绿色、环保日益成为当前钎焊主题的形势下,发展超声波钎焊具有重要的应用前景。

超声波钎焊最早出现于20世纪五六十年代。早期的超声波钎焊工艺,如超声波波峰焊,为了在液态钎料中产生空化效应,通常是将在钎料槽的底部将超声波直接导入到钎料池中,焊接时将待焊部位浸入到钎料池内。这种方式的优点是可实现整体焊接,生产率高,因而一直沿用至今。随着研究的不断发展,超声波钎焊新工艺不断出现,如超声波电烙铁以及超声频调制激光无钎剂软钎焊等[3,4],这些方法的特点是将原先的钎料池缩小为钎料液滴,超声波能量集中施加到其中,操作方式灵活、节能。最近,哈尔滨工业大学提出了一种超声波钎焊技术,获得了中国及美国发明专利[5]。它的特点是将超声波振动施加到母材上,通过母材将超声能量传导至放置于待焊接头一端的液态钎料中,钎料即可迅速实现填缝,实现焊接过程。这种方法与现有的超声波钎焊工艺相比,操作方式更灵活,超声波能量从固体母材传导至润湿界面,损耗更小,而且,超声波工具头还可以远离加热部位,避免压电振子过热而失振的问题。到目前为止,类似的焊接过程可见的报道比较少,焊接过程的几个关键的问题,如液态钎料的填缝以及润湿界面氧化膜的变化行为等,还不是很清楚[6-8]。因而,开展这方面的研究工作,揭示这一焊接过程的本质,对于该方法的现实应用具有重要的指导意义。

1 实验

1.1 实验材料

本研究中所用的母材为常见的两种铝合金: 2024A l,6061A l,所用的钎料为Zn2A l合金(Zn2 4120%(质量分数,下同)A l23.22%Cu),其熔点为381℃。

1.2 实验过程

焊接试件的尺寸为60mm×10mm×3mm,接头采用水平搭接方式,搭接长度L=20mm。焊接实验前用500#砂纸打磨试件表面再用丙酮擦洗表面。将待焊试件装卡后,于焊缝一端放置圆柱状钎料,加热至预定温度后将超声波振动从下试件导入使液态钎料填缝。超声波的频率为20k Hz,超声波振幅10μm,焊接温度分别为385,400,415℃,预留间隙值为50～300μm。钎料的填缝过程通过改变施振的时间加以控制,当振动停止后迅速将焊件冷却,以保持钎料填缝前沿的液/气界面形态及钎料/基体界面的氧化膜形态。试件经过打磨、抛光、腐蚀后用光学显微镜(Olympus2M PG3)和配备能谱分析仪(EDAX)的扫描电子显微镜(SEM, S23400)进行微观组织和成分分析。

2 结果与讨论

2.1 超声振动作用下液态钎料的填缝行为

本研究通过改变超声振动的时间来实现液态钎料填缝的初始、中间及结束状态,通过研究这几个瞬时状态来达到还原整个填缝过程的目的。图1为加热温度为385℃、超声波振动时间为0.2s条件下液态钎料在6061A l母材中填缝的状态,亦即填缝的初始状态。由于是在大气环境下加热,钎料熔化后、在超声波施加之前,没有观察到钎料自发的填缝过程。在超声波施加的瞬间,可观察到钎料即刻填充到预留间隙中。在012s的超声波作用时间内,液态钎料的填缝长度竟达到了8mm。通过观察发现,在钎料填缝的最前沿,钎料与母材之间存在明显未结合缝隙,钎料的液2气界面为凸状,接触角θ达到145°,如图1(a)所示。这表明液态钎料填缝过程的起始以及在这个阶段的向前推进都是在没有润湿母材的基础上发生的。另外,由图1 (b)可见在钎料填缝的起始部位钎料与母材结合良好,结合界面没有发现氧化物的残留。这个部位经受的超声波作用的时间最长,润湿界面的氧化膜得以彻底去除,改善了钎料与母材之间的结合。

图1 超声波作用下液态钎料填缝的初始状态 (a)填缝前沿;(b)填缝初始端Fig.1 Morphology of the liquid filler metal at the initiate stage of the ultrasonic assisted filling (a)the initiate stage;(b)themiddle stage

图2(a)为t=0.5s时液态钎料填缝前沿的微观组织特征。这个阶段钎料填缝的过程发生了显著的变化:填缝长度不断增加,上下试件表面出现了钎料的行进前导层,液2气界面形态由原来的凸状变为凹状。当超声振动作用时间延长至1s时,液态钎料完成全部填缝过程,而且液态钎料可以沿着上试件表面继续向前润湿铺展,钎料/母材界面的氧化膜基本被去除,二者结合良好,如图2(b)所示。

另外,由图2(a)发现,行进前导层在冷却后出现了局部开裂、与母材脱离的现象。进一步观察钎料/母材结合界面发现,如图3(a)所示,在钎料行进的最前沿区域,钎料与母材基体不是直接结合,其间存在一个2～5μm的“皮下潜流层”,“皮下潜流层”与母材基体结合紧密,表面却存在一层断续的氧化膜将其与钎料分隔,使这两个部位的组织生长在分界层处不连续。这意味着随着填缝过程的发展,虽然前沿的钎料与母材的润湿状态得到改善,液2气界面转变为凹状,但由于钎料潜流和行进的速度比氧化膜完全去除的速度快,因而在前沿区域存在断续氧化膜的残留,致使钎料与母材结合弱化,冷却时发生开裂。而在远离填缝前沿的后方区域,如图3(b)所示,润湿界面没有观察到氧化膜的残留,但母材中的“皮下潜流层”的遗传特征仍很明显。

2.2 超声振动作用下液态钎料填缝的物理模型

超声波振动作用下液态钎料的填缝过程与传统钎焊的毛细填缝过程存在很大的区别[9]:(1)后者的驱动力是基于钎料对母材的润湿而形成的凹形弯曲液2气界面的附加压力,而前者的驱动力并非如此,该条件下液2气界面的附加压力对钎料填缝起到阻碍而不是促进作用,一直到填缝的中后期,该附加压力才可能起促进作用,其中具体的驱动力应该和超声波在液态钎料中形成的物理效应有关,还需进一步分析;(2)前者的填缝速度要比后者大一个数量级以上;(3)前者情况下液态钎料对焊缝填充完毕后仍沿上试件表面继续润湿铺展一定距离。

综合以上分析,超声振动作用下液态Zn2A l钎料水平毛细填缝过程的物理模型可由图4所示。在液态钎料开始填缝的阶段(见图4(a)),填缝速度较快,填缝前沿的钎料/母材界面的氧化膜没有被去除,钎料液2气界面形态呈凸状;随着填缝过程的发展,填缝速度略有下降,对于潜流倾向较大的铝合金,潜流层在此阶段产生,由于液态钎料/母材界面润湿状态的改善,液2气界面形态转变为凹状(见图4(b));此后,液态钎料填缝过程继续进行直至结束(见图4(c)),润湿界面的氧化膜在超声波作用下从焊缝的初始端向末端逐渐破碎,钎料遂与母材形成冶金连接。

2.3 工艺参数对液态钎料填缝行为的影响

石峰等[10]研究发现,在正常条件下影响液体水平毛细填缝的驱动力的因素主要有液体表面张力σlg、接触角θ以及毛细管半径r。由于本体系的填缝行为不依赖于润湿条件,因此暂不考虑接触角θ,只考虑了与另外两个参量密切相关的工艺参数,即加热温度、间隙大小对液态钎料填缝过程的影响。

研究发现,在加热温度为385～415℃的范围内,液态钎料在同一母材焊缝中的毛细填缝的过程基本没有区别。例如,对于6061A l焊缝,钎料的填缝长度均在8～9mm之间,液2气界面形态均为凹状。实际上,随着加热温度的升高,液态钎料的表面张力理论上应该有所下降。但实验结果表明在这个参数范围内,温度的改变对液态钎料填缝过程的影响不大。

图4 超声波振动作用下液态钎料水平填缝物理模型(a)初始阶段;(b)中间阶段;(c)结束Fig.4 Physical model fo r ho rizontal filling of liquid filler metal into joint clearance under the action of ultrasonic vibration (a)the initiate stage;(b)the middle stage;(c)the end

焊缝预留间隙大小对超声波振动作用下液态钎料填缝的过程有显著影响。图5是液态钎料填缝长度与预留间隙大小的关系曲线。如图5所示,对于同种母材当焊缝预留间隙变大时,钎料的填缝长度迅速减小。由图5还可发现,对于不同类型的母材,2024A l焊缝中的填缝长度要远大于6061A l中的值。这个现象应该和这两种母材对超声波的传播特性有关。与超声波传播特性密切相关的是材料的弹性模量,2024A l的弹性模量约比6061A l的大1/3,这意味着相同条件的超声波输入在2024A l母材表面将引起更大振幅的振动,因而在液态钎料中产生更为强大的填缝驱动力。同时,可以观察到间隙大小对液2气界面形态的变化也有影响。如图6所示,在相同的超声波作用时间条件下(t=0.2s),当2024A l母材的预留间隙δ≤200μm时,钎料液2气形态为典型的凸状,如图6(a)所示,而当预留间隙δ≥200μm时,钎料液2气形态却变为凹状。当母材中的预留间隙比较小时,液态钎料的填缝速度较快,其与母材作用的有效时间较短而无法形成良好的润湿,因而液2气界面呈现凸状。当焊缝间隙变大之后,液态钎料的填缝速度降低,其与母材的作用时间增加,界面润湿程度提高,如图6(b)所示,液2气界面则发生了变化。

图5 液态钎料填缝长度与平行间隙大小的关系Fig.5 Variation of the filling length of the liquid filler metal with the gap value

3 结论

(1)超声波振动条件下液态钎料在没有润湿母材的基础上就迅速开始填缝过程,钎料液2气界面形状为凸状。随着填缝进行,填缝速度有所下降,母材表面存在行进前导层及“皮下潜流层”,填缝前沿钎料/母材界面润湿程度提高,钎料液-气界面形状转变为凹状。润湿界面氧化膜从填缝初始段向末端逐渐破碎,液态钎料遂与母材形成冶金结合。

图6 预留间隙对液态钎料填缝的影响 (a)δ=150μm;(b)δ=250μmFig.6 M icrostructure of the liquid filler for different joint clearance values (a)δ=150μm;(b)δ=200μm

(2)加热温度对超声波作用下液态钎料的填缝过程无明显影响,焊缝预留间隙值增加,钎料填缝长度减小,液2气界面形态发生变化。

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Filling and Wetting Behaviors of Liquid Filler Metal in the Process of U ltrasonic Soldering of A luminum A lloy

XU Zhi2w u,YAN Jiu2chun,ZHONG Li,YANG Shi2qin
(State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Filling of liquid filler metal into the joint clearance of 6061A l and 2024A l alloys under the action of ultrasonic vibration was investigated.The effects of heating temperature and joint clearance value on the filling p rocesswere concerned w ith.The results show that the filling of liquid fillermetal under the action of ultrasonic vibration is quite different from that induced by the traditional capillary effect.The non2wetting liquid filler fills rapidly into the joint clearance once the ultrasonic vibration is app lied and the mo rphology of the liquid2gas interface appears convex at the initiate stage.W ith the development of the filling p rocess,the filling velocity decreases and the w etting between the liquid filler and the basemetal at the filling front is imp roved,giving rise of the transition of themorphology of the liquid2gas interface from convex to concave.Heating temperature show s no obvious influence on the filling p rocess.The filling length decreases and the mo rphology of liquid2gas interface tend to change w ith the joint clearance increase.

ultrasonic vibration;wetting;capillary action;oxide film

TG454

A

100124381(2010)1020001204

国家自然科学基金(50375039,50905044);哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划(H ITQNJS.2008.019)

2010206220;

2010207219

许志武(1978—),男,博士,副教授,从事铝合金及其复合材料超声波钎焊的研究工作,联系地址:哈尔滨工业大学436信箱(150001),E2mail:xuzw@hit.edu.cn