辅助超声波作用下铝合金电阻钎焊接头的界面层微观组织及形成机理

摘要

为了获得综合性能良好的钎焊接头，利用外加物理场的作用，得到所需组织结构和性能，已经成为了学术界研究的热点。钎焊在铝合金连接领域应用广泛，能起到了良好的连接效果，然而接头处残留的钎剂会腐蚀接头、降低接头性能且易形成反应气孔。为此，本文通过超声辅助电阻钎焊方法并选用Zn-2Al钎料对6063铝合金进行了大气环境下无钎剂的钎焊连接，重点研究了声场及电场作用下接头微观组织的演变规律，并分析了不同物理场在钎焊过程中对接头组织结构演变及相组成的影响，得到了电阻钎焊过程中熔融钎料溶蚀母材的过程及超声辅助电阻钎焊过程中超声细化晶粒的机制。 采用两步直流电阻钎焊方法和Zn-2Al钎料制备了钎焊接头，通过控制电流流动方向，探究了钎焊过程中接头界面Zn原子的电迁移行为，研究了电迁移行为的作用机理及其对于界面微观组织形貌带来的影响。研究结果表明，在电场作用下，界面原子扩散主要受电场和化学势驱动，其运动方向是两种驱动力竞争的结果。界面上Al的电迁移速率远远大于Zn，由于Al迁移而产生极大空位浓度梯度诱导产生背应力，在此背应力作用下，诱导Zn从正极向负极发生“异常迁移”的现象。 通过观察接头界面微观组织形貌演变，探究了声场和电场作用下界面微观组织的演变规律。研究结果表明，声场和电场均能改变接头的微观组织，促进铝母材的溶解。在超声辅助作用下，随着电流和超声功率的增加，液态钎料对母材的溶蚀加剧，钎缝中的微观组织也随之发生转变，大量溶解在钎缝中的Al元素发生离异共晶反应，致使条纹状共晶组织的含量大大降低，α-Al相和η-Zn相组成的共析组织含量增加。 研究还发现，采用电阻钎焊工艺制备6063铝合金钎焊接头时，接头界面存在断续的裂纹和大量孔洞。引入超声振动能有效破除基体表面的氧化膜，促进铝母材的溶解，消除孔洞和夹杂等缺陷，同时超声振动的施加能抑制元素晶界偏聚，钎焊接头获得较高的焊合率。 综上所述，在铝合金电阻钎焊过程中辅助超声波作用，能促进钎缝共析相的生成，减少共晶组织，生成的组织晶粒细小均匀；同时超声波能消除孔洞和夹杂等缺陷，抑制元素晶界偏聚，得到高焊合率的钎焊接头，这些是超声辅助电阻钎焊接头强度明显提升的主要原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 超声波在钎焊中的应用

1.2.1 超声波的性质

1.2.2 超声波在去除金属表面氧化膜中的应用

1.2.3 声场作用下液态金属的凝固行为

1.3 电场在钎焊中的应用

1.3.1 电流作用下金属原子的电迁移行为

1.3.2 电流作用下液态金属的凝固行为

1.4 主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

第3章 电迁移作用对钎焊界面组织的影响

3.1 引言

3.2 钎缝界面微观组织结构

3.3 直流电阻钎焊过程中的电迁移现象

3.4 本章小结

第4章 超声作用对钎焊界面微观组织的影响

4.1 引言

4.2 声场作用下的接头微观组织

4.3 超声振动对凝固组织的影响

4.3.1 合金元素在晶界处的偏聚机理

4.3.2 超声搅拌作用

4.4 电阻钎焊溶蚀过程及超声细化晶粒机制

4.5 本章小结

第5章 超声辅助电阻钎焊接头组织和相组成的演变及对接头强度的影响

5.1 引言

5.2 电场及声场作用下的接头微观组织和相组成

5.3 不同场作用下接头微观组织演变和相组成分析

5.4 超声功率和电流大小对接头显微组织和相组成的影响

5.5 电流强度及超声功率对接头性能的影响

5.6 接头断口形貌分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

致谢

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