李國棟，栗卓新，張?zhí)炖?，馬司鳴

（北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，常常需要連接不同的材料，隨著諸如陶瓷及復(fù)合材料等新型材料的出現(xiàn)，使常規(guī)的焊接方法已難以實現(xiàn)不同材料的可靠連接。這為超聲波釬焊開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。超聲波釬焊起源于德國，1939年德國出現(xiàn)了第一個超聲波釬焊鐵的專利。20世紀(jì)50年代到60年代，由于鋁及不銹鋼難于釬焊，重新喚起人們對超聲波釬焊的興趣。到70年代，超聲波釬焊技術(shù)獲得了大規(guī)模的應(yīng)用[1]。目前，超聲波釬焊已廣泛用于各種金屬、陶瓷以及復(fù)合材料之間的連接。

超聲波作用于液態(tài)釬料時，會產(chǎn)生“聲空化”作用和“聲渦流”作用，可以破碎固體表面的氧化膜，輔助液態(tài)金屬潤濕于固體表面，并加快界面物質(zhì)的傳輸速率[1－2]。超聲波導(dǎo)入的方式可以是直接將超聲波施加于液態(tài)釬料池中[1]，也可以將超聲波直接施加到待焊試件上[6－10]，還可以將調(diào)制后的具有超聲頻率的激光脈沖照射到液態(tài)釬料表面[11]。超聲波輔助釬焊是一種無釬劑釬焊方法，可以在大氣環(huán)境中直接進(jìn)行釬焊，焊后無需清理釬劑，既降低了使用釬劑及清洗釬劑的成本，又避免了加熱過程中釬劑產(chǎn)生的有毒蒸氣對操作人員的危害，還可提高釬焊接頭的抗腐蝕能力[1]。同時超聲波作用于熔體時還可以起到細(xì)化晶粒的作用，提高釬焊搭接接頭的剪切強(qiáng)度，降低液－固、液－氣的界面張力，增加釬料的毛細(xì)填縫能力。

利用超聲波的這些特點，焊接工作者開展了很多相關(guān)研究工作，如超聲波焊接[3]、超聲波復(fù)合焊接[4]、超聲波輔助焊接等。其中超聲波輔助焊接主要用于釬焊及電弧焊兩方面[1，5]。為給相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了超聲波輔助釬焊的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上展望了今后研究發(fā)展的方向。

1 超聲波輔助釬焊金屬材料

1.1 鋁及鋁合金的超聲波輔助釬焊

超聲波輔助釬焊最早應(yīng)用于鋁合金的結(jié)構(gòu)件釬焊，用于制造空調(diào)熱交換器[1，12]，其特點是不需要釬劑，但仍存在三個主要問題。其一是超聲波開始啟動時，液態(tài)釬料對母材有局部強(qiáng)烈沖擊；其二是釬料不易填滿釬縫，易形成未填滿或間隙；其三是雖然超聲空化作用可以代替釬劑去除氧化膜，但不能在釬焊之前保護(hù)已清潔的表面，也不能降低釬料本身的表面張力。為此，F(xiàn)aridi[13]把待焊件置于盛有釬料的固態(tài)鋁卡具中，然后再將超聲波能量作用于固態(tài)鋁卡具上，超聲波通過卡具傳遞到被焊試件，從而實現(xiàn)鋁合金的連接。研究發(fā)現(xiàn)：釬焊接頭強(qiáng)度受釬焊溫度、超聲時間、試件表面狀態(tài)及保護(hù)氣氛的影響。經(jīng)化學(xué)清洗、去污及鍍錫中任何一種方式處理的鋁合金都能實現(xiàn)超聲釬焊，其中經(jīng)化學(xué)清洗的鋁合金接頭強(qiáng)度最高，表明釬焊之前去除接頭處的氧化膜是有效的。由此可見，如果在釬焊過程中對接頭區(qū)域加以保護(hù)（如在氬氣氣氛下進(jìn)行釬焊），防止氧化膜的形成，有利于釬焊接頭性能的提高。

1.2 鎂及鎂合金的超聲波輔助釬焊

鎂合金表面易形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜且疏松的氧化膜，其氧化膜主要成分為 MgO和 Mg（OH）2。其中鋁鎂合金表面膜有三層，最里層為富Al2O3，中間層為MgO，最外層以Mg（OH）2為主。該氧化膜呈層片結(jié)構(gòu)，結(jié)合較弱，與鋁合金表面形成的致密氧化膜結(jié)構(gòu)有很大差異[14－15]，這給鎂及鎂合金的釬焊造成了困難。栗卓新[16]等研究了AZ31鎂合金超聲振動輔助釬焊接頭的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，認(rèn)為超聲振動時間對接頭抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在對鎂及鎂合金表面氧化膜的破壞程度及對界面反應(yīng)的作用上。超聲施加時間為2～4s時，AZ31B鎂合金的搭接接頭強(qiáng)度可達(dá)80～90MPa，接頭為沿晶脆性斷裂。超聲施加時間過短，鎂合金表面的氧化膜破碎不徹底，氧化膜以片狀形式存在于釬縫中；超聲施加時間過長，則導(dǎo)致釬料飛濺。此外，冷卻速率對超聲振動輔助釬焊搭接接頭的組織與性能均有影響。水冷釬焊接頭可以抑制鎂合金中α－Mg晶粒的長大，使之成為等軸晶，其晶粒大小僅為空冷狀態(tài)下搭接接頭中樹枝晶的五分之一左右，其晶粒數(shù)量為空冷狀態(tài)下等軸晶的40～50倍?？绽錉顟B(tài)的斷裂形式為脆性斷裂，而水冷狀態(tài)的為準(zhǔn)解理斷裂。大量等軸晶的存在，使得接頭的抗剪強(qiáng)度較空冷狀態(tài)的提高約2.5倍[17]。

1.3 異種金屬材料的超聲波輔助釬焊

Naka[18]等的研究表明，在釬焊過程中施加超聲波可以加速異種金屬之間的界面反應(yīng)，提高釬焊搭接接頭強(qiáng)度。Mohamed[19]在此基礎(chǔ)上采用Zn－5Al釬料研究了鋁和不銹鋼之間的超聲輔助釬焊。研究結(jié)果表明：沿著鋁向不銹鋼的釬焊界面依次分布著鋅－鋁、鐵－鋁、鐵－鋅固溶體，隨著超聲時間的延長，鐵－鋁和鐵－鋅固溶物的數(shù)量增多，超聲時間達(dá)到3s時，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大值146MPa，超聲時間再延長，接頭強(qiáng)度反而下降。

Ek－Sayed[20]利用超聲波輔助釬焊技術(shù)采用Zn－14Al合金釬料在400℃成功實現(xiàn)了鋁和銅的連接。研究發(fā)現(xiàn)，超聲時間不同，釬焊接頭中生成的物相不同。施加超聲1s時，接頭中只有銅和鋁的固溶體，接頭強(qiáng)度較高；超聲時間為2s及以上時，接頭中出現(xiàn)金屬間化合物，如Cu5Zn2Al3和CuAl2，接頭強(qiáng)度下降；超聲時間為3s時，接頭中出現(xiàn)裂紋；超聲時間為4s時，接頭中則開始出現(xiàn)氣孔。

超聲波輔助釬焊金屬材料時，雖然超聲波破碎了基體表面的氧化膜，實現(xiàn)了釬料在基體表面的鋪展與潤濕，但破碎的氧化膜仍然會以氧化物夾雜的形式存在于凝固后的釬縫中，給釬焊接頭帶來不利影響。因此，如何降低釬縫中的氧化物含量或改善釬縫中的氧化物分布狀態(tài)以提高接頭釬焊質(zhì)量，應(yīng)是未來的研究方向之一。

2 超聲波輔助釬焊陶瓷材料

傳統(tǒng)的釬焊主要是通過釬劑或壓力來破碎基體表面的氧化膜，但其并不能解決非金屬材料與釬料之間的潤濕問題。超聲波輔助釬焊可促進(jìn)釬料與基體表面的潤濕，非常適用于潤濕性較差的陶瓷與金屬之間的連接。Naka[21－23]等將 Al2O3陶瓷置于超聲波作用的鋅－鋁釬料池中金屬化，然后在723K進(jìn)行超聲輔助釬焊。他們認(rèn)為超聲波在釬焊過程中的影響機(jī)制可以歸納為三點：超聲波空化能夠移除填充于金屬與陶瓷之間的宏觀氣泡；陶瓷表面受原子的高速沖擊；填充材料與陶瓷之間的摩擦。這些因素改善了陶瓷與填充金屬間的潤濕性。當(dāng)超聲作用時間從10s增加到90s時，陶瓷表面的潤濕面積從16%提高到83.4%，連接強(qiáng)度也從18.95MPa升高到65.37MPa。

Tamura[24]等研究了錫－銅－鎳釬料在鋯基合金玻璃表面的超聲空化行為，發(fā)現(xiàn)超聲波輔助釬焊不僅可以去除鋯基合金玻璃表面穩(wěn)定的鈍化膜，而且可以使其光滑表面上部分顆粒在超聲波空化作用下脫落，在基體表面形成空化坑，表面粗糙度增大，對液體釬料起釘軋作用。液體釬料在超聲波毛細(xì)效應(yīng)的作用下，將提高其滲入這些空化坑的深度和速度，從而提高釬焊接頭強(qiáng)度。Tamura等認(rèn)為，超聲時間為90s時，可以得到連接良好的鋯基合金玻璃接頭。超聲時間超過180s后，基體表面的空化坑數(shù)量趨于穩(wěn)定，說明其表面氧化膜完全被去除，但與此同時，空氣中的氧進(jìn)入釬料，又容易使接頭發(fā)生斷裂。

超聲輔助釬焊是連接陶瓷和金屬的較好方法，它能解決陶瓷與金屬之間由于不同的熱膨脹系數(shù)引起的變形問題、改善陶瓷與金屬之間的潤濕性，但陶瓷和金屬之間較差的潤濕性及熱膨脹系數(shù)不匹配引起的殘余應(yīng)力問題目前仍未得到很好解決。

3 超聲波輔助釬焊鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料因含有陶瓷增強(qiáng)相（SiC，Al2O3等）而具有“雙相結(jié)構(gòu)”，增強(qiáng)相與基體之間物理、化學(xué)性能差別較大。這類材料在釬焊時存在的問題有：鋁基復(fù)合材料表面有一層致密的氧化膜，影響釬料的潤濕與鋪展[25]；顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料含有陶瓷顆粒，一方面降低釬料的潤濕與鋪展性能，另一方面釬焊過程中母材的溶解及液化會導(dǎo)致其內(nèi)部的顆粒進(jìn)入到液態(tài)釬料中，在凝固的過程中受液－固界面的推移作用而使增強(qiáng)相顆粒偏聚，導(dǎo)致釬焊接頭強(qiáng)度降低[26]。

采用反應(yīng)釬劑ZnCl2、NH4Cl、NaF釬焊鋁基復(fù)合材料的研究結(jié)果表明，在釬劑作用下，鋅－鋁釬料不能潤濕鋁基復(fù)合材料表面的SiC陶瓷顆粒，導(dǎo)致鋪展性能下降[27]。且隨著鋁基復(fù)合材料中陶瓷顆粒的增多，潤濕角增大，當(dāng)潤濕界面處的SiC顆粒含量增加到55%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，釬料在鋁基復(fù)合材料表面呈球狀，潤濕角達(dá)170°，無法實現(xiàn)釬焊連接。但采用超聲波輔助釬焊時，在超聲波的作用下，鋪展在陶瓷顆粒表面的釬料內(nèi)部產(chǎn)生空化作用，空化泡崩潰產(chǎn)生的高壓對復(fù)合材料表面產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊作用，破壞了陶瓷顆粒表面的氧化膜，使液態(tài)釬料潤濕陶瓷顆粒，形成潤濕結(jié)合[28]，從而提高了釬焊接頭的強(qiáng)度。

許志武[29]等研究了 Al2O3p／6061Al復(fù)合材料的超聲波輔助釬焊，認(rèn)為鋁基復(fù)合材料表面的氧化膜存在兩種破除機(jī)制，即潛流輔助破除機(jī)制和直接破除機(jī)制。前者的機(jī)理為鋅－鋁釬料可沿表面氧化膜的通道潛入到氧化膜與基體界面，形成“皮下潛流”現(xiàn)象。當(dāng)潛流發(fā)生時，釬料沿基體表面發(fā)生鋪展，基體表面的氧化膜首先被潛流金屬剝離后在超聲波作用下破碎。若無潛流現(xiàn)象發(fā)生，釬料通過氧化膜破裂通道向基體中擴(kuò)散，造成基體局部熔化，液化區(qū)表面的氧化膜在超聲作用下破碎。破碎的氧化膜可以層片狀存在于釬縫中，對釬焊接頭性能造成不利影響。此外，為解決顆粒增強(qiáng)相在釬焊中的偏聚問題，可采取適當(dāng)?shù)牡葴靥幚?，在一定的固相含量范圍?nèi)（35%～45%），利用先結(jié)晶相的“原位釘扎”作用，防止顆粒宏觀的偏聚，同時還可防止常規(guī)凝固過程中基體晶粒的過度生長，起到細(xì)化晶粒及提高接頭強(qiáng)度的作用[30－31]。

4 結(jié)束語

超聲波輔助釬焊作為一種無釬劑釬焊技術(shù)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前超聲波輔助釬焊技術(shù)的研究大都側(cè)重于超聲輔助釬焊工藝參數(shù)對接頭性能及顯微組織的影響、氧化膜的破碎機(jī)制、超聲輔助釬焊接頭的連接機(jī)理，而對超聲輔助釬焊的物理機(jī)制研究不多。超聲波輔助釬焊時，由于超聲作用時間極短，超聲波作用下液態(tài)釬料的流動、鋪展及潤濕的動力學(xué)機(jī)制，液態(tài)釬料在超聲振動與毛細(xì)效應(yīng)復(fù)合作用下的填縫機(jī)制，超聲波在基體－液態(tài)釬料界面的傳播特性及相互作用，是超聲波輔助釬焊的理論基礎(chǔ)，也將是未來的研究重點。

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