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液态钎料超声驱动填缝机理及声空化作用研究

马琳  
【摘要】:根据传统钎焊理论,无法在大气环境下不使用钎剂实现钎料与不润湿母材间的连接。而超声波辅助钎焊可在大气环境下实现难润湿钎料与母材之间的自动填缝钎焊。这与传统钎焊理论存在明显的矛盾,而对超声波作用下非润湿填缝行为及机理的研究仍较为匮乏。因此本文以揭示超声作用下的非润湿填缝行为的物理本质为主要研究目标,主要研究了母材振动响应特征、声致铺展行为、声致填缝物理本质、窄间隙内的空化特征及其作用等。研究发现超声作用下母材表面的振动响应为非均匀分布,但具有一定分布规律。母材表面同时存在振动强度可达到激励振幅数倍的振动较强区域以及振幅接近于0的振动死区。超声频率、母材物理性质、母材形状尺寸、超声施加位置均可改变分布特征。超声振幅、焊接温度不改变振动分布特征,但可改变相应位置的振动强度。焊接前焊接参数的设定以及焊接结构的设计极为重要,将严重影响后续的焊接效果。通过流体模拟计算与动态观察相结合的方式对超声波作用下钎料在不润湿母材表面的铺展行为研究发现,超声作用下钎料可在不润湿母材的条件下迅速向四周均匀铺展成膜,钎料铺展过程为由三相界面开始周期性的铺展/回缩交替进行,铺展长度大于回缩长度,从而实现整体铺展,铺展阶段伴有明显的雾化现象。超声振动越强铺展速度越快,伴随雾化现象越剧烈。交替流动是由于超声波在液态钎料中产生的类正弦变化的超声附加压力梯度所导致。超声附加压力梯度为具有一定不对称性的类正弦变化函数,函数正负半波不对称程度由函数偏移量Pc表示,Pc是由超声波在钎料内部的传播过程具有非线性特征所产生,其存在导致钎料受到不等于零的时域平均压力——平均超声附加压力梯度。超声波为6μm时,钎料界面附近产生的平均附加压力梯度为-1195Pa,负值表示由界面中心至气液界面为压力降低。由计算分析得到声致非润湿铺展的驱动力即为由于超声传播的非线性特征在钎料内产生的由压力中心指向气液界面的平均超声附加压力梯度。平均超声附加压力梯度随超声振幅的增大而增大。低于超声频的振动非线性特征较弱,产生平均超声附加压力梯度不足以克服阻力实现非润湿铺展。过高的超声频率会使钎料发生声悬浮而不利于在母材表面的铺展。对超声作用下钎料的非润湿填缝过程分析得到,超声作用下钎料可实现向不润湿母材间隙内的迅速填充。填缝过程伴随超声雾化、超声空化以及钎料的侧向溢出现象。钎料的填缝过程中速度发生变化,变化规律与母材表面振动响应强度变化规律一致。声致非润湿填缝过程,与铺展过程相同,钎料在超声作用下受到具有非线性特征的随时间类正弦变化的超声附加压力。在钎料内部产生由压力中心指向间隙内外气液界面和由气液界面指向压力中心交替变化的超声附加压力梯度,压力中心位于间隙内部。在周期性变化的超声附加压力梯度作用下,克服表面附加压力及摩擦力的作用,钎料瞬时发生扩张/回缩的周期性流动。与铺展过程相同,声致非润湿填缝的驱动仍为由超声非线性特征形成的由压力中心指向间隙侧气液界面的平均超声附加压力梯度。而由于窄间隙结构特点,指向间隙内钎料的平均超声附加压力梯度(超声5μm时为-9127.2Pa)远大于指向间隙外((超声5μm时为-484.3.2Pa间隙内约为间隙外的20倍),从而实现定向填缝。计算得到平均超声附加压力梯度随超声振幅及超声频率的增大,间隙尺寸的减小而增大。润湿角、钎料粘度将影响填缝阻力,从而影响填缝过程。计算结果与动态观察填缝结果基本一致。钎料填缝过程中钎料与母材仍为非润湿状态,母材表面阻碍润湿的氧化膜仍存在,填缝后需利用超声空化效应去除母材表面氧化膜。空化结构及分布特征直接影响空化强度,从而影响母材表面氧化膜的去除情况。通过在1060Al母材表面阳极氧化一层氧化膜的方法,研究了超声作用下窄间隙内的空化结构以及分布特征。研究发现窄间隙液态Sn金属薄层中主要由数量众多的空化单泡及小体积空化簇两种空化结构组成。超声波振幅越大,间隙越小,钎料粘度越小,空化密度越大,分布越均匀。近母材表面空蚀效果与空化结构分布特征变化一致。保证空化时间、增大振幅、减小间隙尺寸、提高钎料流动性、控制母材表面振动均匀性,可提高空化作用去膜效果并保证去膜的均匀性。


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