超声辅助钎焊中界面空化行为和去膜过程的可视化研究

发布时间：2017-10-03 22:27

  本文关键词：超声辅助钎焊中界面空化行为和去膜过程的可视化研究

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【摘要】：超声辅助钎焊可在大气环境下实现钎料和难润湿母材之间的有效连接,适用于异种金属、金属与非金属等难润湿性材料,工艺相对成熟。但是,关于超声在固体内部及固液界面的传输规律及不同母材表面状态对超声空化气泡的形成、分布的影响的研究较欠缺,母材表面氧化膜去除机理研究不深入,限制了超声辅助钎焊进一步的工业应用和推广。因此本文以超声辅助钎焊界面空化行为及去膜过程的可视化为研究目标,主要研究了超声在固体内部和固液界面的传输规律,研究了超声作用下母材表面空化气泡的形成和分布特征及其对母材的冲击作用、声致润湿铺展行为,并采用同步辐射成像方法原位观察超声场下固液界面熔融钎料中空化气泡的形成和分布。采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,模拟了超声波在固体母材内部及固液界面的传播特性。计算结果表明,超声波作用下,母材表面振动的分布在板的边缘振幅较大,在板的中间存在固定的振幅增强区和衰减区;超声经由TC4钛合金固体母材传输到水中,随着超声的传播,水中的声场逐渐扩展到整个水域,水中一定声压强度的声场散落地分布在固液界面局部区域,由固液界面向水的上表面逐渐减弱,声压基本保持在2-20MPa,同时水中声场存在着相互干涉和叠加;超声经由TC4钛合金母材传输到Al基熔融钎料中,随着超声的传播,熔融钎料中的声场逐渐扩展到整个熔融钎料域,声压基本保持在4-40MPa,由固液接触面向熔融钎料上表面逐渐减弱。随着钎焊温度的增加,熔融钎料中整体声压强度逐渐下降,而空化阈值逐渐增加,空化效应逐渐越弱。采用高速摄影,研究了超声场下金属母材表面水中空化气泡的大量形核和分布特征。提出光滑金属表面有三种空化气泡大量形核方式,分别是依托母材边缘大量形核、依托空泡团大量形核以及依托空蚀凹坑大量形核。最终空化气泡以片状空泡群分布,夹杂少量稳态空泡团;在母材表面进行毛化处理,有促进、汇聚、驻留和增强空化气泡的效果;采用阳极氧化方法,在1060铝板和TC4钛合金母材表面制备一层氧化膜,会增大超声在固液界面传输时的衰减,减弱母材表面的空化效果。超声处理后,在母材表面的氧化膜上产生几微米到十几微米的空蚀凹坑,超声空化气泡溃灭时产生的微射流导致氧化膜的破碎。采用高速摄影,观察了超声作用下熔融钎料在母材表面的铺展行为,发现熔融钎料铺展过程中钎料表面的周期性振荡涟漪以及铺展前沿的周期性雾化。分析了超声辅助钎焊氧化膜去除的机理,认为氧化膜是在加热产生的微裂纹、超声空化气泡溃灭时的冲击作用以及熔融钎料和母材的溶解共同作用下去除的。随后,初步探究了超声场下熔融钎料中空化气泡的形成与分布的同步辐射原位观察。
【关键词】：超声辅助钎焊 传输规律 空化泡行为 去膜过程 可视化
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG454
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题的研究意义10-11
• 1.2 超声钎焊发展概况及超声破除氧化膜的研究现状11-17
• 1.2.1 超声钎焊发展概况11-14
• 1.2.2 超声破碎氧化膜的研究现状14-17
• 1.3 超声场下溶液中空化气泡行为的高速摄影研究17-19
• 1.4 超声场下金属熔体中空化气泡的同步辐射成像研究19-21
• 1.5 本文研究的主要内容21-24
• 第2章 试验材料、研究方法及设备24-36
• 2.1 试验材料24-26
• 2.1.1 试验母材24
• 2.1.2 试验钎料24-25
• 2.1.3 同步辐射试验用钎焊试样的选材和制作25-26
• 2.2 试验研究方法与设备26-36
• 2.2.1 基于COMSOL的超声在固体及固液界面传输规律的数值模拟计算26-27
• 2.2.2 超声场下固液界面空化气泡形成与分布的高速摄影观察27-30
• 2.2.3 超声辅助钎焊固液界面空化气泡的原位同步辐射成像研究30-34
• 2.2.4 超声作用下母材表面熔融钎料润湿铺展的动态观察34-35
• 2.2.5 微观组织分析35-36
• 第3章 基于COMSOL的超声场下固液界面超声传输规律研究36-60
• 3.1 超声作用下母材表面振动特性的研究36-40
• 3.1.1 模型的建立及边界条件的确定36-37
• 3.1.2 超声作用下母材表面振动分布计算37-40
• 3.2 超声经由母材传输到水中的声场分布40-48
• 3.2.1 模型的建立及边界条件的确定40-41
• 3.2.2 固液界面超声的传输过程及声场分布41-48
• 3.3 超声经由母材传输到熔融钎料中的声场分布48-59
• 3.3.1 模型的建立及边界条件的确定48-49
• 3.3.2 固液界面超声的传输过程及声场分布49-54
• 3.3.3 不同温度下固液界面熔融钎料中的声场分布54-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 超声场下固液界面空化气泡形成和分布的可视化及氧化膜破除研究60-92
• 4.1 不同母材表面状态下界面空化气泡形成和分布的可视化研究60-73
• 4.1.1 母材表面空化气泡形成和分布的高速摄影观察60-65
• 4.1.2 毛化处理对母材表面空化气泡形成和分布的影响65-68
• 4.1.3 阳极氧化处理对母材表面空化气泡形成和分布的影响68-73
• 4.2 超声处理后母材表面空蚀及氧化膜破碎的研究73-78
• 4.2.1 超声处理后母材表面空蚀分布及形成机理的研究73-75
• 4.2.2 超声处理后母材表面氧化膜破碎的研究75-78
• 4.3 超声作用下母材表面熔融钎料动态铺展行为和氧化膜破机理研究78-84
• 4.3.1 超声作用下母材表面熔融钎料动态铺展行为的高速摄影观察78-81
• 4.3.2 母材表面氧化膜破除机理分析81-84
• 4.4 超声辅助钎焊固液界面空化气泡的原位同步辐射成像观察84-90
• 4.4.1 成像试验过程及结果分析85-86
• 4.4.2 同步辐射用钎焊试样设计的修正86-90
• 4.5 本章小结90-92
• 结论92-94
• 参考文献94-98
• 攻读硕士学位期间所取得的学术成果98-100
• 致谢100

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本文编号：967096