激光高速冲击焊接异种金属箔板研究

发布时间：2019-08-13 17:09

【摘要】：近年来,随着微电子、医疗器械、电池等产业的迅速发展,与之相关的具有轻、薄、短、小特征的微型材料的连接在微器件制造中的需求日益增加。激光高速冲击焊接工艺在尺度微小、熔点相差较大的异种金属箔板的连接上有显著的优势,因此具有广泛的工业应用前景。本文从实验和数值模拟两个方面研究了激光高速冲击焊接异种金属箔板结合界面微观结构及其形成的机理、复板和基板的结合机理,揭示了高速冲击焊接过程中复板和基板的动态响应。本文的主要研究内容和成果如下:首先,开展了激光高速冲击焊接Al/Cu实验研究。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)观测和分析了结合界面的微观结构,观测结果显示:激光能量对Al/Cu结合界面的形貌有显著的影响,其中微波状的结合界面是一种较为理想的结合界面,且界面波的波长和振幅沿着焊接的方向呈先增大后减小的趋势。当激光能量在1200m J以下时,结合界面处未形成明显的热影响区;当激光能量达到1550mJ时,结合界面处形成局部的熔化层和熔化块。EDS分析显示结合界面处Al元素和Cu元素之间发生了微弱的相互扩散。其次,探究了一种新的激光高速冲击焊接方法,开展了激光高速冲击焊接Ti/Cu实验研究。利用SEM和EDS观测和分析了结合界面的微观结构,观测结果显示:Ti/Cu结合界面为典型的微波状结合界面,而且结合界面处不存在热影响区和金属间化合物等缺陷。同时,当复板的预成形深度一定时,界面波的波长和振幅随着激光能量的增加而增大。EDS分析显示在Ti/Cu结合界面处Ti元素和Cu元素之间未发生明显的相互扩散,且和晶体结构相同的Al/Cu组合相比较,晶体结构不同的Ti/Cu组合更难以发生扩散。采用电子万能试验机对焊接试样进行了拉伸剪切测试和剥离测试,结果显示:拉伸剪切失效形式和剥离失效形式为结合界面断裂失效和焊点边缘复板断裂失效。此外,金相分析显示结合界面处发生了显著的晶粒细化,进而引起了结合界面处的纳米硬度显著升高。最后,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对激光高速冲击焊接异种金属箔板进行了数值模拟。研究发现:SPH方法再现了激光高速冲击焊接过程、碰撞点处冲击射流现象、复板回弹及基板层裂行为。射流主要来源于复板表面一层薄薄的金属,且射流的形成是复板和基板发生固态焊接的一个重要条件。此外,冲击速度和材料的属性对结合界面的形貌有显著的影响。结合界面波是由复板周期性地侵彻基板形成的。焊点中心复板的回弹使得在靠近焊点中心位置的结合界面发生开裂。在复板的高速冲击下,基板发生了层裂。本文的研究为激光高速冲击焊接的工程应用提供了理论和试验指导。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG456.7

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