SiC p /Al复合材料超声复合软钎焊工艺及接头可靠性研究
发布时间：2021-02-01 06:54
SiC颗粒增强的铝基复合材料（SiCp/Al MMCs）具有低密度,高热导率以及一定范围可调的热膨胀系数等一系列优良的性质,是航空航天、仪器仪表、汽车制造等领域电子封装外壳的理想材料。然而,Sn基钎料与复合材料中的SiC陶瓷颗粒以及基体铝合金难以润湿,使得其低温钎焊难于实现。为此,本文采用超声钎焊的方法进行SiCp/Al复合材料的低温连接,研究钎焊接头成形规律和接头微观组织演变以及力学性能,采用了Abaqus有限元分析软件对接头进行了残余应力以及热循环仿真模拟,以此对接头的可靠性进行评估。研究了SiCp/Al复合材料超声钎焊工艺。在短时间超声作用下,焊缝中会存在一定数量的气孔。超声作用可以促进钎料的流动,带动焊缝内的气体排出。随超声作用时间的延长,母材表面氧化膜破除程度逐渐提高,接头前端氧化膜先于接头末端破除。超声作用5s时,焊缝中的气孔完全消除,母材表面氧化膜彻底破除,形成成形良好、没有缺陷的钎焊接头。在此基础上继续延长超声作用时间可以使母材中的Al元素不断向Sn9Zn钎料中迁移,最终均匀分布在钎料内,而不仅仅分布于母...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiCp/Al复合材料的TIG焊焊缝组织[12]
为焊接热源的焊接方法。雷玉成等人[19-24]对SiCp/Al复合材料的等离子弧焊进行了大量的研究，研究结果表明，在未添加填充材料的等离子弧焊中，焊接工艺参数的改变并不能抑制有害相Al4C3的生成，但在添加填充材料的等离子弧焊中，以Ti、Ti-Al、Ti-Ni、Ti-Mg、Ti-Si、Ti-Al-Si和Ti-Al-Si-Mg作为中间层时可以使焊缝中不再生成Al4C3相。此外，他们还研究了以N2、Ar混合气代替代Ar气作为等离子气体的焊接工艺，这种工艺能够抑制SiC颗粒的烧损和团聚，在焊缝中还发现了均匀分布的AlN、TiN增强相，焊接接头的力学性能有所提高。图1-2SiCp/Al复合材料的激光焊焊缝组织[17]a)焊缝中的气孔b)焊缝中的针状脆性相电子束焊接是能量密度较高的焊接方法，通常在真空环境中进行，比较适用于SiCp/Al复合材料的焊接[25]。但其焊接过程中由于热输入较高，不可避免的会出现Al4C3脆性相、焊缝成形较差和气孔等问题。郭绍庆等人研究了[26,27]体积分数为20%的SiCp/ZL101A复合材料电子束焊接，在不添加填充材料时，电子束对熔池的强烈冲击会使焊缝成形困难，增强相颗粒分布不均匀。增强相颗粒与Al基体分离后会增加液态熔池的粘度，使液态金属难以回流。采用富Si非增强中间层后，可以明显改善焊接成形，抑制脆性相的形成，但气孔问题仍然比较突出，如图1-3所示。蒋佳敏[28]采用6061Al和Al-Si共晶合金作为中间层，对SiCp/6061Al复合材料的电子束焊接进行了研究。结果表明，未添加中间a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-层时，焊缝外观比较差，并且会出现气孔、裂纹、以及大量的Al4C3针状脆性相。以6061Al和Al-Si共晶合金作为中间层，可以使接头中的Al4C3明显减少。图1-3电子束焊接ZL101A/SiCp(20%)复合材料焊缝[26]a)未添加填充材料（b）添加填充材料1.2.1.3SiCp/Al复合材料熔化焊中存在的主要问题上述的研究成果表明，各种熔化焊接方法都可用于SiCp/Al复合材料的焊接，但是效果不够理想，存在着一系列的问题需要解决[29]，主要有：。（1）脆性相的生成。SiC与液态Al之间的反应4Al()+3SiC()→Al43()+3Si()在727℃以上时自由能为负值[30]，在熔化焊的温度下一般都能发生。这一反应不仅消耗了SiC增强相，而且会生成针状的Al4C3脆性相，降低接头的强度。此外，Al4C3在潮湿的空气或含水的环境中还能发生反应生成乙炔而使焊缝被腐蚀[31]。（2）熔池流动性差。SiC颗粒由于熔点高，在焊接过程中以固态的形式存在于熔融的铝基体中，降低了熔池的流动性。粘滞的熔池易于产生夹渣，影响焊缝的正常成形。同时，也会使扩散氢等气体不易逸出，残留在熔池内影响结晶，易于产生裂纹或气孔等缺陷（3）接头中SiC的不均匀分布。熔池凝固结晶时固态的增强相不能起到结晶核心的作用，会被长大的结晶相所排斥，进而发生偏聚现象导致接头中增强相的不均匀分布，降低了接头质量。（4）填充金属强度低。一般的填充金属材料为不含增强体的普通材料，无法使得焊缝与母材等强。1.2.2SiCp/Al复合材料的固相连接固相连接的特点是焊接过程中作为母材的铝基复合材料不会发生熔化，并且母材也无需整体加热，因此可以避免高温下脆性相的形成以及增强相偏聚等问题。此外，固相连接的接头在变形较小的同时也有具有较高的强度，接头质a)b)
本文编号：3012370
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiCp/Al复合材料的TIG焊焊缝组织[12]
为焊接热源的焊接方法。雷玉成等人[19-24]对SiCp/Al复合材料的等离子弧焊进行了大量的研究，研究结果表明，在未添加填充材料的等离子弧焊中，焊接工艺参数的改变并不能抑制有害相Al4C3的生成，但在添加填充材料的等离子弧焊中，以Ti、Ti-Al、Ti-Ni、Ti-Mg、Ti-Si、Ti-Al-Si和Ti-Al-Si-Mg作为中间层时可以使焊缝中不再生成Al4C3相。此外，他们还研究了以N2、Ar混合气代替代Ar气作为等离子气体的焊接工艺，这种工艺能够抑制SiC颗粒的烧损和团聚，在焊缝中还发现了均匀分布的AlN、TiN增强相，焊接接头的力学性能有所提高。图1-2SiCp/Al复合材料的激光焊焊缝组织[17]a)焊缝中的气孔b)焊缝中的针状脆性相电子束焊接是能量密度较高的焊接方法，通常在真空环境中进行，比较适用于SiCp/Al复合材料的焊接[25]。但其焊接过程中由于热输入较高，不可避免的会出现Al4C3脆性相、焊缝成形较差和气孔等问题。郭绍庆等人研究了[26,27]体积分数为20%的SiCp/ZL101A复合材料电子束焊接，在不添加填充材料时，电子束对熔池的强烈冲击会使焊缝成形困难，增强相颗粒分布不均匀。增强相颗粒与Al基体分离后会增加液态熔池的粘度，使液态金属难以回流。采用富Si非增强中间层后，可以明显改善焊接成形，抑制脆性相的形成，但气孔问题仍然比较突出，如图1-3所示。蒋佳敏[28]采用6061Al和Al-Si共晶合金作为中间层，对SiCp/6061Al复合材料的电子束焊接进行了研究。结果表明，未添加中间a)b)
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-层时，焊缝外观比较差，并且会出现气孔、裂纹、以及大量的Al4C3针状脆性相。以6061Al和Al-Si共晶合金作为中间层，可以使接头中的Al4C3明显减少。图1-3电子束焊接ZL101A/SiCp(20%)复合材料焊缝[26]a)未添加填充材料（b）添加填充材料1.2.1.3SiCp/Al复合材料熔化焊中存在的主要问题上述的研究成果表明，各种熔化焊接方法都可用于SiCp/Al复合材料的焊接，但是效果不够理想，存在着一系列的问题需要解决[29]，主要有：。（1）脆性相的生成。SiC与液态Al之间的反应4Al()+3SiC()→Al43()+3Si()在727℃以上时自由能为负值[30]，在熔化焊的温度下一般都能发生。这一反应不仅消耗了SiC增强相，而且会生成针状的Al4C3脆性相，降低接头的强度。此外，Al4C3在潮湿的空气或含水的环境中还能发生反应生成乙炔而使焊缝被腐蚀[31]。（2）熔池流动性差。SiC颗粒由于熔点高，在焊接过程中以固态的形式存在于熔融的铝基体中，降低了熔池的流动性。粘滞的熔池易于产生夹渣，影响焊缝的正常成形。同时，也会使扩散氢等气体不易逸出，残留在熔池内影响结晶，易于产生裂纹或气孔等缺陷（3）接头中SiC的不均匀分布。熔池凝固结晶时固态的增强相不能起到结晶核心的作用，会被长大的结晶相所排斥，进而发生偏聚现象导致接头中增强相的不均匀分布，降低了接头质量。（4）填充金属强度低。一般的填充金属材料为不含增强体的普通材料，无法使得焊缝与母材等强。1.2.2SiCp/Al复合材料的固相连接固相连接的特点是焊接过程中作为母材的铝基复合材料不会发生熔化，并且母材也无需整体加热，因此可以避免高温下脆性相的形成以及增强相偏聚等问题。此外，固相连接的接头在变形较小的同时也有具有较高的强度，接头质a)b)
本文编号：3012370
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