超声波诱导瞬间液相连接高硅铝合金焊缝的形成机理及力学性能研究

发布时间：2020-04-05 11:34

【摘要】：高硅铝合金轻质、高强、高导热、热膨胀系数可调,并具备良好的机械加工性能,是较理想的电子封装材料。然而,作为一种铝基复合材料(Al-MMCs),其增强相与铝基体存在的物理、化学性能差异会致使其焊接性较差,出现难以精密控制、偏聚、有害界面反应等焊接缺陷,致使其高强、可靠连接存在困难,目前已成为限制该材料推广应用的瓶颈问题。鉴于此,本文以高硅铝合金为主要对象,结合超声波在液相、固/液界面和固相中的作用,利用自组装的超声波辅助连接设备,研究大气环境下高硅铝合金的无钎剂超声波辅助钎焊,并创新性的提出了超声波诱导瞬间液相连接的方法,利用超声波的作用将母材中的增强相引入焊缝中,获得Si颗粒增强复合焊缝。本文分别利用金相显微镜、扫描电子电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、纳米压痕仪、剪切强度检测等测试方法,研究了超声波辅助连接工艺参数与接头微观组织演变、元素行为、接头力学性能等之间的关系,Si颗粒增强复合焊缝的形成机理,所做工作和研究结论如下:1)将超声波引入以Zn-5Al为钎料的Al-50Si中低温钎焊中,实现了大气环境下的无钎剂钎焊,并获得Si颗粒增强Zn-Al基复合焊缝。基于超声波在液相中的作用,超声波能够破除氧化膜、促进Si颗粒迁移、影响焊缝微观组织的转变和接头的剪切强度。超声波作用96s时获得的接头剪切强度可达108.69 MPa,约为母材Al-50Si的强度。2)在大气环境中390℃时,以Zn为中间层,进行了超声波诱导瞬间液相连接Al-50Si实验,分析表明,超声波通过诱导Zn-Al二元共晶液相实现Al-50Si的连接,并获得Si颗粒增强Zn-Al基复合焊缝。超声波作用下,焊接过程中等温凝固过程所需时间被缩短。剪切强度和纳米硬度随超声时间的延长而增加,超声128 s所获接头力学性能最佳。3)采用超声波诱导瞬间液相连接的方法,以Ag-28Cu为中间层,研究了超声波作用下,基于三元共晶的Al-50Si中高温超声波诱导瞬间液相连接。分析表明,超声波诱导了Al-Ag-Cu三元共晶液相的生成,三元共晶组织包括ξ(Ag_2Al)相、θ(Al_2Cu)相和α-Al相的微观组织随着超声时间的延长而转变。在超声波作用15 s时,获得完全等温凝固的Si颗粒增强复合焊缝,焊缝由Al(Ag,Cu)固溶体和Si颗粒组成,最高剪切强度达到123.5 MPa。4)分别以In和Sn-52In中间层,研究Al-50Si的低温、超快连接,研究发现,仅需0.1 s超声波就诱导了Al-In液相的形成,并且Si颗粒分布于整条焊缝,获得了Si颗粒增强复合焊缝。在焊缝中引入Sn元素,焊缝由金属间化合物In_(0.2)Sn_(0.8),Al-In固溶体和Si颗粒组成,获得多相增强复合焊缝,接头的性能提高。利用超声波的作用将高硅铝合金中的增强相Si颗粒引入焊缝中,获得Si颗粒增强复合焊缝,接头性能显著提高,解决高硅铝合金连接存在的问题,为该材料在在电子封装产品中推广和应用奠定基础,为铝基复合材料高强、可靠地连接开辟了一条新途径。
【图文】：

增强相,熔化焊,金属间化合物,铝基复合材料

第一章绪论物，降低焊接接头的力学性能。在焊接增强相为 Al2O3的铝基复合材料的过程中，Al2易发生分解，如图 1-1(a)[9]所示。在焊接增强相为 SiC 颗粒的铝基复合材料时，会如下反应[10]：固）（液（固）（固）3SiC4AlAlC3Si()43 （1生成有害的金属间化合物 Al4C3，降低焊接接头的力学性能，如图 1-1(b)所示[9]。

铝基复合材料,气孔,激光束,增强相

图 1-1 （a）熔化焊中增强相的 Al2O3分解，（b）有害的金属间化合物 Al4C3生成[9]Fig. 1-1 (a) Decomposition of reinforced phase in fusion welding, (b)Al4C3flakes in fusion welding[9]针对以上问题，有研究人员在 TIG 焊接过程中使用 Al-Si 合金作为焊丝抑制有害间化合物的生成，但还是出现增强相 SiC 颗粒偏聚的现象[11]，Wang 等人[12]在利用束焊焊接 SiC 增强铝基复合材料使利用添加 Ti 元素的方法来抑制化合物 Al4C3的。然而，焊缝中有大量的气孔存在降低了焊接接头的力学性能。2）由于增强相与基体材料之间物理性能相差巨大，熔化焊焊接铝基复合材料时常当基体处于液态时，增强相还处于固态，这就使熔池的流动性降低，造成粘滞，难于逸出熔池，极易形成气孔缺陷，且经过 Huang 等人[13]的研究，熔池中基体的流随着增强相体积分数的增加而逐渐变差，气孔缺陷也越严重，，如图 1-2 所示[13]。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG40

【参考文献】