鋁合金超聲波釬焊過程中液態釬料的填縫及界面潤濕行為

許志武,閆久春,鐘 利,楊士勤

(哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室,哈爾濱150001)

鋁合金超聲波釬焊過程中液態釬料的填縫及界面潤濕行為

許志武,閆久春,鐘 利,楊士勤

(哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室,哈爾濱150001)

研究了超聲波振動作用下6061A l和2024A l合金焊縫中液態釬料的填縫過程,并分析了加熱溫度、焊縫預留間隙值對該過程的影響。結果表明,超聲波振動作用下液態釬料的填縫行為與傳統毛細填縫行為有很大差別,該條件下液態釬料在不潤濕母材的基礎上就迅速發生填縫過程,釬料初始液2氣界面為凸狀;隨著填縫進行,填縫速度有所下降,填縫前沿釬料/母材界面潤濕程度提高,釬料液2氣界面形狀轉變為凹狀。加熱溫度對超聲波作用下液態釬料的填縫過程無明顯影響,焊縫預留間隙值增加,釬料填縫長度減小,液2氣界面形態發生變化。

超聲波振動;潤濕;毛細作用;氧化膜

超聲波在液態釬料中傳播時產生的聲空化效應能破壞、去除固體表面的氧化膜,還能沖刷固體表面,提高表面的清潔度,從而促進液態釬料與母材基體的潤濕結合。因而,超聲波被成功應用于無釬劑、非真空環境下氧化性金屬及其合金和難潤濕性材料(如鋁、銅及其合金、陶瓷等)的焊接[1,2]。在綠色、環保日益成為當前釬焊主題的形勢下,發展超聲波釬焊具有重要的應用前景。

超聲波釬焊最早出現于20世紀五六十年代。早期的超聲波釬焊工藝,如超聲波波峰焊,為了在液態釬料中產生空化效應,通常是將在釬料槽的底部將超聲波直接導入到釬料池中,焊接時將待焊部位浸入到釬料池內。這種方式的優點是可實現整體焊接,生產率高,因而一直沿用至今。隨著研究的不斷發展,超聲波釬焊新工藝不斷出現,如超聲波電烙鐵以及超聲頻調制激光無釬劑軟釬焊等[3,4],這些方法的特點是將原先的釬料池縮小為釬料液滴,超聲波能量集中施加到其中,操作方式靈活、節能。最近,哈爾濱工業大學提出了一種超聲波釬焊技術,獲得了中國及美國發明專利[5]。它的特點是將超聲波振動施加到母材上,通過母材將超聲能量傳導至放置于待焊接頭一端的液態釬料中,釬料即可迅速實現填縫,實現焊接過程。這種方法與現有的超聲波釬焊工藝相比,操作方式更靈活,超聲波能量從固體母材傳導至潤濕界面,損耗更小,而且,超聲波工具頭還可以遠離加熱部位,避免壓電振子過熱而失振的問題。到目前為止,類似的焊接過程可見的報道比較少,焊接過程的幾個關鍵的問題,如液態釬料的填縫以及潤濕界面氧化膜的變化行為等,還不是很清楚[6-8]。因而,開展這方面的研究工作,揭示這一焊接過程的本質,對于該方法的現實應用具有重要的指導意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

本研究中所用的母材為常見的兩種鋁合金: 2024A l,6061A l,所用的釬料為Zn2A l合金(Zn2 4120%(質量分數,下同)A l23.22%Cu),其熔點為381℃。

1.2 實驗過程

焊接試件的尺寸為60mm×10mm×3mm,接頭采用水平搭接方式,搭接長度L=20mm。焊接實驗前用500#砂紙打磨試件表面再用丙酮擦洗表面。將待焊試件裝卡后,于焊縫一端放置圓柱狀釬料,加熱至預定溫度后將超聲波振動從下試件導入使液態釬料填縫。超聲波的頻率為20k Hz,超聲波振幅10μm,焊接溫度分別為385,400,415℃,預留間隙值為50～300μm。釬料的填縫過程通過改變施振的時間加以控制,當振動停止后迅速將焊件冷卻,以保持釬料填縫前沿的液/氣界面形態及釬料/基體界面的氧化膜形態。試件經過打磨、拋光、腐蝕后用光學顯微鏡(Olympus2M PG3)和配備能譜分析儀(EDAX)的掃描電子顯微鏡(SEM, S23400)進行微觀組織和成分分析。

2 結果與討論

2.1 超聲振動作用下液態釬料的填縫行為

本研究通過改變超聲振動的時間來實現液態釬料填縫的初始、中間及結束狀態,通過研究這幾個瞬時狀態來達到還原整個填縫過程的目的。圖1為加熱溫度為385℃、超聲波振動時間為0.2s條件下液態釬料在6061A l母材中填縫的狀態,亦即填縫的初始狀態。由于是在大氣環境下加熱,釬料熔化后、在超聲波施加之前,沒有觀察到釬料自發的填縫過程。在超聲波施加的瞬間,可觀察到釬料即刻填充到預留間隙中。在012s的超聲波作用時間內,液態釬料的填縫長度竟達到了8mm。通過觀察發現,在釬料填縫的最前沿,釬料與母材之間存在明顯未結合縫隙,釬料的液2氣界面為凸狀,接觸角θ達到145°,如圖1(a)所示。這表明液態釬料填縫過程的起始以及在這個階段的向前推進都是在沒有潤濕母材的基礎上發生的。另外,由圖1 (b)可見在釬料填縫的起始部位釬料與母材結合良好,結合界面沒有發現氧化物的殘留。這個部位經受的超聲波作用的時間最長,潤濕界面的氧化膜得以徹底去除,改善了釬料與母材之間的結合。

圖1 超聲波作用下液態釬料填縫的初始狀態 (a)填縫前沿;(b)填縫初始端Fig.1 Morphology of the liquid filler metal at the initiate stage of the ultrasonic assisted filling (a)the initiate stage;(b)themiddle stage

圖2(a)為t=0.5s時液態釬料填縫前沿的微觀組織特征。這個階段釬料填縫的過程發生了顯著的變化:填縫長度不斷增加,上下試件表面出現了釬料的行進前導層,液2氣界面形態由原來的凸狀變為凹狀。當超聲振動作用時間延長至1s時,液態釬料完成全部填縫過程,而且液態釬料可以沿著上試件表面繼續向前潤濕鋪展,釬料/母材界面的氧化膜基本被去除,二者結合良好,如圖2(b)所示。

另外,由圖2(a)發現,行進前導層在冷卻后出現了局部開裂、與母材脫離的現象。進一步觀察釬料/母材結合界面發現,如圖3(a)所示,在釬料行進的最前沿區域,釬料與母材基體不是直接結合,其間存在一個2～5μm的“皮下潛流層”,“皮下潛流層”與母材基體結合緊密,表面卻存在一層斷續的氧化膜將其與釬料分隔,使這兩個部位的組織生長在分界層處不連續。這意味著隨著填縫過程的發展,雖然前沿的釬料與母材的潤濕狀態得到改善,液2氣界面轉變為凹狀,但由于釬料潛流和行進的速度比氧化膜完全去除的速度快,因而在前沿區域存在斷續氧化膜的殘留,致使釬料與母材結合弱化,冷卻時發生開裂。而在遠離填縫前沿的后方區域,如圖3(b)所示,潤濕界面沒有觀察到氧化膜的殘留,但母材中的“皮下潛流層”的遺傳特征仍很明顯。

2.2 超聲振動作用下液態釬料填縫的物理模型

超聲波振動作用下液態釬料的填縫過程與傳統釬焊的毛細填縫過程存在很大的區別[9]:(1)后者的驅動力是基于釬料對母材的潤濕而形成的凹形彎曲液2氣界面的附加壓力,而前者的驅動力并非如此,該條件下液2氣界面的附加壓力對釬料填縫起到阻礙而不是促進作用,一直到填縫的中后期,該附加壓力才可能起促進作用,其中具體的驅動力應該和超聲波在液態釬料中形成的物理效應有關,還需進一步分析;(2)前者的填縫速度要比后者大一個數量級以上;(3)前者情況下液態釬料對焊縫填充完畢后仍沿上試件表面繼續潤濕鋪展一定距離。

綜合以上分析,超聲振動作用下液態Zn2A l釬料水平毛細填縫過程的物理模型可由圖4所示。在液態釬料開始填縫的階段(見圖4(a)),填縫速度較快,填縫前沿的釬料/母材界面的氧化膜沒有被去除,釬料液2氣界面形態呈凸狀;隨著填縫過程的發展,填縫速度略有下降,對于潛流傾向較大的鋁合金,潛流層在此階段產生,由于液態釬料/母材界面潤濕狀態的改善,液2氣界面形態轉變為凹狀(見圖4(b));此后,液態釬料填縫過程繼續進行直至結束(見圖4(c)),潤濕界面的氧化膜在超聲波作用下從焊縫的初始端向末端逐漸破碎,釬料遂與母材形成冶金連接。

2.3 工藝參數對液態釬料填縫行為的影響

石峰等[10]研究發現,在正常條件下影響液體水平毛細填縫的驅動力的因素主要有液體表面張力σlg、接觸角θ以及毛細管半徑r。由于本體系的填縫行為不依賴于潤濕條件,因此暫不考慮接觸角θ,只考慮了與另外兩個參量密切相關的工藝參數,即加熱溫度、間隙大小對液態釬料填縫過程的影響。

研究發現,在加熱溫度為385～415℃的范圍內,液態釬料在同一母材焊縫中的毛細填縫的過程基本沒有區別。例如,對于6061A l焊縫,釬料的填縫長度均在8～9mm之間,液2氣界面形態均為凹狀。實際上,隨著加熱溫度的升高,液態釬料的表面張力理論上應該有所下降。但實驗結果表明在這個參數范圍內,溫度的改變對液態釬料填縫過程的影響不大。

圖4 超聲波振動作用下液態釬料水平填縫物理模型(a)初始階段;(b)中間階段;(c)結束Fig.4 Physical model fo r ho rizontal filling of liquid filler metal into joint clearance under the action of ultrasonic vibration (a)the initiate stage;(b)the middle stage;(c)the end

焊縫預留間隙大小對超聲波振動作用下液態釬料填縫的過程有顯著影響。圖5是液態釬料填縫長度與預留間隙大小的關系曲線。如圖5所示,對于同種母材當焊縫預留間隙變大時,釬料的填縫長度迅速減小。由圖5還可發現,對于不同類型的母材,2024A l焊縫中的填縫長度要遠大于6061A l中的值。這個現象應該和這兩種母材對超聲波的傳播特性有關。與超聲波傳播特性密切相關的是材料的彈性模量,2024A l的彈性模量約比6061A l的大1/3,這意味著相同條件的超聲波輸入在2024A l母材表面將引起更大振幅的振動,因而在液態釬料中產生更為強大的填縫驅動力。同時,可以觀察到間隙大小對液2氣界面形態的變化也有影響。如圖6所示,在相同的超聲波作用時間條件下(t=0.2s),當2024A l母材的預留間隙δ≤200μm時,釬料液2氣形態為典型的凸狀,如圖6(a)所示,而當預留間隙δ≥200μm時,釬料液2氣形態卻變為凹狀。當母材中的預留間隙比較小時,液態釬料的填縫速度較快,其與母材作用的有效時間較短而無法形成良好的潤濕,因而液2氣界面呈現凸狀。當焊縫間隙變大之后,液態釬料的填縫速度降低,其與母材的作用時間增加,界面潤濕程度提高,如圖6(b)所示,液2氣界面則發生了變化。

圖5 液態釬料填縫長度與平行間隙大小的關系Fig.5 Variation of the filling length of the liquid filler metal with the gap value

3 結論

(1)超聲波振動條件下液態釬料在沒有潤濕母材的基礎上就迅速開始填縫過程,釬料液2氣界面形狀為凸狀。隨著填縫進行,填縫速度有所下降,母材表面存在行進前導層及“皮下潛流層”,填縫前沿釬料/母材界面潤濕程度提高,釬料液-氣界面形狀轉變為凹狀。潤濕界面氧化膜從填縫初始段向末端逐漸破碎,液態釬料遂與母材形成冶金結合。

圖6 預留間隙對液態釬料填縫的影響 (a)δ=150μm;(b)δ=250μmFig.6 M icrostructure of the liquid filler for different joint clearance values (a)δ=150μm;(b)δ=200μm

(2)加熱溫度對超聲波作用下液態釬料的填縫過程無明顯影響,焊縫預留間隙值增加,釬料填縫長度減小,液2氣界面形態發生變化。

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Filling and Wetting Behaviors of Liquid Filler Metal in the Process of U ltrasonic Soldering of A luminum A lloy

XU Zhi2w u,YAN Jiu2chun,ZHONG Li,YANG Shi2qin
(State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Filling of liquid filler metal into the joint clearance of 6061A l and 2024A l alloys under the action of ultrasonic vibration was investigated.The effects of heating temperature and joint clearance value on the filling p rocesswere concerned w ith.The results show that the filling of liquid fillermetal under the action of ultrasonic vibration is quite different from that induced by the traditional capillary effect.The non2wetting liquid filler fills rapidly into the joint clearance once the ultrasonic vibration is app lied and the mo rphology of the liquid2gas interface appears convex at the initiate stage.W ith the development of the filling p rocess,the filling velocity decreases and the w etting between the liquid filler and the basemetal at the filling front is imp roved,giving rise of the transition of themorphology of the liquid2gas interface from convex to concave.Heating temperature show s no obvious influence on the filling p rocess.The filling length decreases and the mo rphology of liquid2gas interface tend to change w ith the joint clearance increase.

ultrasonic vibration;wetting;capillary action;oxide film

TG454

A

100124381(2010)1020001204

國家自然科學基金(50375039,50905044);哈爾濱工業大學優秀青年教師培養計劃(H ITQNJS.2008.019)

2010206220;

2010207219

許志武(1978—),男,博士,副教授,從事鋁合金及其復合材料超聲波釬焊的研究工作,聯系地址:哈爾濱工業大學436信箱(150001),E2mail:xuzw@hit.edu.cn