超声波辅助钎焊技术的研究进展

李国栋，栗卓新，张天理，马司鸣

（北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124）

0 引 言

随着现代工业技术的发展，常常需要连接不同的材料，随着诸如陶瓷及复合材料等新型材料的出现，使常规的焊接方法已难以实现不同材料的可靠连接。这为超声波钎焊开辟了新的应用领域。超声波钎焊起源于德国，1939年德国出现了第一个超声波钎焊铁的专利。20世纪50年代到60年代，由于铝及不锈钢难于钎焊，重新唤起人们对超声波钎焊的兴趣。到70年代，超声波钎焊技术获得了大规模的应用[1]。目前，超声波钎焊已广泛用于各种金属、陶瓷以及复合材料之间的连接。

超声波作用于液态钎料时，会产生“声空化”作用和“声涡流”作用，可以破碎固体表面的氧化膜，辅助液态金属润湿于固体表面，并加快界面物质的传输速率[1－2]。超声波导入的方式可以是直接将超声波施加于液态钎料池中[1]，也可以将超声波直接施加到待焊试件上[6－10]，还可以将调制后的具有超声频率的激光脉冲照射到液态钎料表面[11]。超声波辅助钎焊是一种无钎剂钎焊方法，可以在大气环境中直接进行钎焊，焊后无需清理钎剂，既降低了使用钎剂及清洗钎剂的成本，又避免了加热过程中钎剂产生的有毒蒸气对操作人员的危害，还可提高钎焊接头的抗腐蚀能力[1]。同时超声波作用于熔体时还可以起到细化晶粒的作用，提高钎焊搭接接头的剪切强度，降低液－固、液－气的界面张力，增加钎料的毛细填缝能力。

利用超声波的这些特点，焊接工作者开展了很多相关研究工作，如超声波焊接[3]、超声波复合焊接[4]、超声波辅助焊接等。其中超声波辅助焊接主要用于钎焊及电弧焊两方面[1，5]。为给相关研究人员提供参考，作者综述了超声波辅助钎焊的研究进展，并在此基础上展望了今后研究发展的方向。

1 超声波辅助钎焊金属材料

1.1 铝及铝合金的超声波辅助钎焊

超声波辅助钎焊最早应用于铝合金的结构件钎焊，用于制造空调热交换器[1，12]，其特点是不需要钎剂，但仍存在三个主要问题。其一是超声波开始启动时，液态钎料对母材有局部强烈冲击；其二是钎料不易填满钎缝，易形成未填满或间隙；其三是虽然超声空化作用可以代替钎剂去除氧化膜，但不能在钎焊之前保护已清洁的表面，也不能降低钎料本身的表面张力。为此，Faridi[13]把待焊件置于盛有钎料的固态铝卡具中，然后再将超声波能量作用于固态铝卡具上，超声波通过卡具传递到被焊试件，从而实现铝合金的连接。研究发现：钎焊接头强度受钎焊温度、超声时间、试件表面状态及保护气氛的影响。经化学清洗、去污及镀锡中任何一种方式处理的铝合金都能实现超声钎焊，其中经化学清洗的铝合金接头强度最高，表明钎焊之前去除接头处的氧化膜是有效的。由此可见，如果在钎焊过程中对接头区域加以保护（如在氩气气氛下进行钎焊），防止氧化膜的形成，有利于钎焊接头性能的提高。

1.2 镁及镁合金的超声波辅助钎焊

镁合金表面易形成结构复杂且疏松的氧化膜，其氧化膜主要成分为 MgO和 Mg（OH）2。其中铝镁合金表面膜有三层，最里层为富Al2O3，中间层为MgO，最外层以Mg（OH）2为主。该氧化膜呈层片结构，结合较弱，与铝合金表面形成的致密氧化膜结构有很大差异[14－15]，这给镁及镁合金的钎焊造成了困难。栗卓新[16]等研究了AZ31镁合金超声振动辅助钎焊接头的微观结构及力学性能，认为超声振动时间对接头抗剪强度的影响主要体现在对镁及镁合金表面氧化膜的破坏程度及对界面反应的作用上。超声施加时间为2～4s时，AZ31B镁合金的搭接接头强度可达80～90MPa，接头为沿晶脆性断裂。超声施加时间过短，镁合金表面的氧化膜破碎不彻底，氧化膜以片状形式存在于钎缝中；超声施加时间过长，则导致钎料飞溅。此外，冷却速率对超声振动辅助钎焊搭接接头的组织与性能均有影响。水冷钎焊接头可以抑制镁合金中α－Mg晶粒的长大，使之成为等轴晶，其晶粒大小仅为空冷状态下搭接接头中树枝晶的五分之一左右，其晶粒数量为空冷状态下等轴晶的40～50倍。空冷状态的断裂形式为脆性断裂，而水冷状态的为准解理断裂。大量等轴晶的存在，使得接头的抗剪强度较空冷状态的提高约2.5倍[17]。

1.3 异种金属材料的超声波辅助钎焊

Naka[18]等的研究表明，在钎焊过程中施加超声波可以加速异种金属之间的界面反应，提高钎焊搭接接头强度。Mohamed[19]在此基础上采用Zn－5Al钎料研究了铝和不锈钢之间的超声辅助钎焊。研究结果表明：沿着铝向不锈钢的钎焊界面依次分布着锌－铝、铁－铝、铁－锌固溶体，随着超声时间的延长，铁－铝和铁－锌固溶物的数量增多，超声时间达到3s时，接头强度达到最大值146MPa，超声时间再延长，接头强度反而下降。

Ek－Sayed[20]利用超声波辅助钎焊技术采用Zn－14Al合金钎料在400℃成功实现了铝和铜的连接。研究发现，超声时间不同，钎焊接头中生成的物相不同。施加超声1s时，接头中只有铜和铝的固溶体，接头强度较高；超声时间为2s及以上时，接头中出现金属间化合物，如Cu5Zn2Al3和CuAl2，接头强度下降；超声时间为3s时，接头中出现裂纹；超声时间为4s时，接头中则开始出现气孔。

超声波辅助钎焊金属材料时，虽然超声波破碎了基体表面的氧化膜，实现了钎料在基体表面的铺展与润湿，但破碎的氧化膜仍然会以氧化物夹杂的形式存在于凝固后的钎缝中，给钎焊接头带来不利影响。因此，如何降低钎缝中的氧化物含量或改善钎缝中的氧化物分布状态以提高接头钎焊质量，应是未来的研究方向之一。

2 超声波辅助钎焊陶瓷材料

传统的钎焊主要是通过钎剂或压力来破碎基体表面的氧化膜，但其并不能解决非金属材料与钎料之间的润湿问题。超声波辅助钎焊可促进钎料与基体表面的润湿，非常适用于润湿性较差的陶瓷与金属之间的连接。Naka[21－23]等将 Al2O3陶瓷置于超声波作用的锌－铝钎料池中金属化，然后在723K进行超声辅助钎焊。他们认为超声波在钎焊过程中的影响机制可以归纳为三点：超声波空化能够移除填充于金属与陶瓷之间的宏观气泡；陶瓷表面受原子的高速冲击；填充材料与陶瓷之间的摩擦。这些因素改善了陶瓷与填充金属间的润湿性。当超声作用时间从10s增加到90s时，陶瓷表面的润湿面积从16%提高到83.4%，连接强度也从18.95MPa升高到65.37MPa。

Tamura[24]等研究了锡－铜－镍钎料在锆基合金玻璃表面的超声空化行为，发现超声波辅助钎焊不仅可以去除锆基合金玻璃表面稳定的钝化膜，而且可以使其光滑表面上部分颗粒在超声波空化作用下脱落，在基体表面形成空化坑，表面粗糙度增大，对液体钎料起钉轧作用。液体钎料在超声波毛细效应的作用下，将提高其渗入这些空化坑的深度和速度，从而提高钎焊接头强度。Tamura等认为，超声时间为90s时，可以得到连接良好的锆基合金玻璃接头。超声时间超过180s后，基体表面的空化坑数量趋于稳定，说明其表面氧化膜完全被去除，但与此同时，空气中的氧进入钎料，又容易使接头发生断裂。

超声辅助钎焊是连接陶瓷和金属的较好方法，它能解决陶瓷与金属之间由于不同的热膨胀系数引起的变形问题、改善陶瓷与金属之间的润湿性，但陶瓷和金属之间较差的润湿性及热膨胀系数不匹配引起的残余应力问题目前仍未得到很好解决。

3 超声波辅助钎焊铝基复合材料

铝基复合材料因含有陶瓷增强相（SiC，Al2O3等）而具有“双相结构”，增强相与基体之间物理、化学性能差别较大。这类材料在钎焊时存在的问题有：铝基复合材料表面有一层致密的氧化膜，影响钎料的润湿与铺展[25]；颗粒增强的铝基复合材料含有陶瓷颗粒，一方面降低钎料的润湿与铺展性能，另一方面钎焊过程中母材的溶解及液化会导致其内部的颗粒进入到液态钎料中，在凝固的过程中受液－固界面的推移作用而使增强相颗粒偏聚，导致钎焊接头强度降低[26]。

采用反应钎剂ZnCl2、NH4Cl、NaF钎焊铝基复合材料的研究结果表明，在钎剂作用下，锌－铝钎料不能润湿铝基复合材料表面的SiC陶瓷颗粒，导致铺展性能下降[27]。且随着铝基复合材料中陶瓷颗粒的增多，润湿角增大，当润湿界面处的SiC颗粒含量增加到55%（质量分数）时，钎料在铝基复合材料表面呈球状，润湿角达170°，无法实现钎焊连接。但采用超声波辅助钎焊时，在超声波的作用下，铺展在陶瓷颗粒表面的钎料内部产生空化作用，空化泡崩溃产生的高压对复合材料表面产生强大的冲击作用，破坏了陶瓷颗粒表面的氧化膜，使液态钎料润湿陶瓷颗粒，形成润湿结合[28]，从而提高了钎焊接头的强度。

许志武[29]等研究了 Al2O3p／6061Al复合材料的超声波辅助钎焊，认为铝基复合材料表面的氧化膜存在两种破除机制，即潜流辅助破除机制和直接破除机制。前者的机理为锌－铝钎料可沿表面氧化膜的通道潜入到氧化膜与基体界面，形成“皮下潜流”现象。当潜流发生时，钎料沿基体表面发生铺展，基体表面的氧化膜首先被潜流金属剥离后在超声波作用下破碎。若无潜流现象发生，钎料通过氧化膜破裂通道向基体中扩散，造成基体局部熔化，液化区表面的氧化膜在超声作用下破碎。破碎的氧化膜可以层片状存在于钎缝中，对钎焊接头性能造成不利影响。此外，为解决颗粒增强相在钎焊中的偏聚问题，可采取适当的等温处理，在一定的固相含量范围内（35%～45%），利用先结晶相的“原位钉扎”作用，防止颗粒宏观的偏聚，同时还可防止常规凝固过程中基体晶粒的过度生长，起到细化晶粒及提高接头强度的作用[30－31]。

4 结束语

超声波辅助钎焊作为一种无钎剂钎焊技术，得到了越来越广泛的应用。目前超声波辅助钎焊技术的研究大都侧重于超声辅助钎焊工艺参数对接头性能及显微组织的影响、氧化膜的破碎机制、超声辅助钎焊接头的连接机理，而对超声辅助钎焊的物理机制研究不多。超声波辅助钎焊时，由于超声作用时间极短，超声波作用下液态钎料的流动、铺展及润湿的动力学机制，液态钎料在超声振动与毛细效应复合作用下的填缝机制，超声波在基体－液态钎料界面的传播特性及相互作用，是超声波辅助钎焊的理论基础，也将是未来的研究重点。

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