張永紅 林晨陽 漆中華 許志武

摘要：使用Sn基釬料對(duì)純鋁進(jìn)行超聲釬焊，研究了釬料中含Zn量對(duì)接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，超聲振動(dòng)使釬料中發(fā)生空化效應(yīng)，大量空化泡的潰滅在2 s內(nèi)去除純鋁表面的氧化膜，形成無缺陷的接頭。母材被空蝕后進(jìn)入釬縫，不同釬料對(duì)釬縫中鋁的溶解程度不同，因此釬縫中的鋁呈現(xiàn)不同的形貌。當(dāng)使用Sn-9Zn釬料時(shí)，釬縫中的富Zn相長度較大，釬縫內(nèi)鋁的含量較低;隨著釬料中含Zn量的增加，釬縫中富Zn相變粗大，且釬縫中鋁的含量逐漸增大。接頭的抗剪強(qiáng)度和硬度隨著釬料中含Zn量的增加而升高，在使用Sn-30Zn釬料時(shí)獲得接頭的最高抗剪強(qiáng)度為66.4 MPa，硬度為 HV 56。

關(guān)鍵詞：超聲釬焊;聲空化;空蝕;溶解;抗剪強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TG 454

Abstract：Pure Al sheets were soldered with ultrasonic assistance by using Sn-based solders in this work. The effect of Zn content in solder on microstructure and mechanical properties was mainly discussed. The results showed that the application of ultrasonic resulted into cavitation in solders. The collapse of cavitation bubbles can remove the oxide layers on substrate surface within 2 s and therefore forming joint without defect. The substrate was eroded and flowed into joint， presenting different morphologies because of the diffusion caused by different solders. The Zn-rich phase had large sizes and the Al content was low in the joint soldered by Sn-9Zn. The Zn-rich phase coarsened and the Al content increased when increasing Zn content in solder. The shear strength and hardness increased when increasing Zn content in solder. The maximum values of 66.4 MPa and HV 56 were obtained when using Sn-30Zn solder.

Key words：ultrasonic soldering; ultasonic cavitation; erosion; dissolution; shear strength

0?前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題的日趨嚴(yán)重，各輕質(zhì)合金如鋁合金、鎂合金的應(yīng)用也越來越廣泛。在現(xiàn)代制造業(yè)中，諸多復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的使用勢必會(huì)涉及到鋁合金的焊接問題。使用傳統(tǒng)熔焊方法焊接鋁合金容易導(dǎo)致接頭變形大、殘余應(yīng)力高，且容易產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷，接頭性能較低[1-2]。

超聲釬焊是20世紀(jì)50年代興起的一種焊接方法[3]，它利用液態(tài)釬料在經(jīng)歷超聲波振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲空化現(xiàn)象去除母材表面的氧化膜，可在極短的時(shí)間內(nèi)完成焊接[4]。超聲釬焊不僅可以焊接傳統(tǒng)的金屬材料，還可焊接表面能極低的陶瓷和藍(lán)寶石等材料[5-6]。除此之外，由于母材不熔化，超聲釬焊接頭的變形很小。因超聲波的加載位置靈活，超聲釬焊可焊接傳統(tǒng)焊接方法難以焊接的復(fù)雜構(gòu)件。自超聲焊接發(fā)明以來，諸多學(xué)者將其應(yīng)用到鋁合金、鈦合金和異種合金的焊接中。Li Yuanxing等人[7]使用Sn釬料對(duì)2024鋁合金進(jìn)行超聲釬焊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超聲波的作用下，釬縫中的含鋁量為3.2%，高于300 ℃時(shí)鋁在Sn中的極限溶解度。Xu Zhiwu等人[8-9]在半固態(tài)溫度下對(duì)鋁鎂異種合金進(jìn)行超聲焊接，發(fā)現(xiàn)釬料在半固態(tài)溫度下仍可去除母材表面的氧化膜，完成焊接。Ji Hongjun等人[10]使用Al箔對(duì)Al2O3陶瓷進(jìn)行焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在700 ℃條件下，90 s內(nèi)形成的接頭強(qiáng)度高于100 MPa。

Sn基釬料因其熔點(diǎn)低、強(qiáng)度較高、不與鋁反應(yīng)生成金屬間化合物等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到鋁合金的焊接過程中[11-12]。文中利用Sn基釬料熔點(diǎn)較低的優(yōu)點(diǎn)對(duì)純鋁進(jìn)行低溫焊接，通過改變釬料中的含Zn量研究其對(duì)接頭組織和性能的影響。

1?試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)過程中選用的母材為3 mm厚的純鋁。焊前，將母材切成50 mm×10 mm的長條并用砂紙進(jìn)行打磨，而后將鋁放入丙酮內(nèi)進(jìn)行超聲清洗10 min。焊接過程中兩鋁板搭接放置，搭接寬度為20 mm;兩板之間的間隙為0.5 mm。釬料成分為Sn-9Zn，Sn-16Zn和Sn-30Zn。圖1為焊接過程示意圖。焊接試驗(yàn)開始前，將釬料放置在兩板間隙附近，而后加熱;當(dāng)溫度達(dá)到釬料熔點(diǎn)以上20 ℃左右時(shí)（三種釬料的焊接溫度分別為220 ℃，257 ℃，330 ℃左右），施加超聲波振動(dòng);此時(shí)熔融的釬料會(huì)以極快的速度填入兩板間隙中。在焊接過程中所采用的設(shè)備型號(hào)為UPM-U-P1010A01 超聲波焊接系統(tǒng)，其最大功率為1 000 W。超聲工具頭以0.36 MPa的壓力和20 kHz的振幅運(yùn)行，超聲施加時(shí)間為2 s。整個(gè)試驗(yàn)過程在大氣環(huán)境中進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)束后，使用電火花線切割機(jī)制備金相試樣和抗剪試樣。金相試樣經(jīng)過打磨和拋光后在型號(hào)為FEI-Quanta 200F的掃描電鏡上觀察接頭組織。接頭的硬度在型號(hào)為HVS-1000的硬度計(jì)上測量，測量過程中施加的載荷為1.96 N，保壓時(shí)間為10 s。室溫抗剪試驗(yàn)在型號(hào)為Instron-5569 的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為1 mm/min。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?微觀組織

2.1.1?使用Sn-9Zn釬料所得接頭組織

0圖2為使用Sn-9Zn所得接頭的組織形貌。從圖2a可以看出，接頭內(nèi)部無肉眼可見的缺陷，鋁/釬料的彎曲界面意味著鋁表面的氧化膜已被完全去除。釬縫內(nèi)分布著灰色的、細(xì)長的相，幾乎貫穿整個(gè)釬縫。圖2b為釬縫邊緣處的顯微組織?？梢钥闯?，在鋁/釬料的界面處分布著許多向釬縫內(nèi)部生長的固溶體。EDS的測試結(jié)果表明，該固溶體含有96.1% （原子分?jǐn)?shù)）的鋁，推測其為鋁基固溶體。從圖2可以看出，此時(shí)鋁基固溶體的尺寸小于20 μm?？拷F縫邊緣處，可見尺寸較大的富Zn相。EDS結(jié)果表明，此富Zn相含有97.3%的Zn，2.5%的Al和0.2%的Sn。

圖2c為釬縫中心的顯微組織。釬縫內(nèi)部分布著近似圓形的鋁顆粒，尺寸大約為20 μm，鋁顆粒位置靠近富Zn相。此處鋁顆粒的元素含量較鋁/釬料界面處明顯不同。EDS結(jié)果表明，此處鋁顆粒含80.2%的鋁、1.5%的Sn和18.3%的Zn。從圖2a可以看出，鋁顆粒在釬縫下方分布較多，其原因可能是超聲直接施加在下板導(dǎo)致下板振動(dòng)較強(qiáng)，從而產(chǎn)生的空蝕效果較強(qiáng)所致。

2.1.2?使用Sn-16Zn釬料所得接頭組織

圖3為使用Sn-16Zn釬料所得接頭組織形貌。圖3a為使用Sn-16Zn所得接頭的橫截面形貌。釬縫內(nèi)部密集地分布著富Zn相和鋁顆粒，且鋁顆粒仍然在釬縫下方分布較密集。與使用Sn-9Zn所得接頭不同的是，使用Sn-16Zn所得接頭內(nèi)部的富Zn相的長度明顯較短，但分布更加均勻。從圖3a可以看出，使用Sn-16Zn釬料時(shí)釬縫內(nèi)溶解的鋁元素更多，其原因可能是使用Sn-16Zn釬料時(shí)焊接溫度較使用Sn-9Zn時(shí)更高，此時(shí)母材的抗空蝕能力減弱，因此被空化破壞和溶解的程度更大。圖3b為釬縫邊緣處的顯微組織。此時(shí)鋁/釬料界面的鋁基固溶體的尺寸明顯變大，且分布更加均勻，在界面處幾乎呈連續(xù)分布的狀態(tài)。圖3c為釬縫中心的顯微組織形貌。富Zn相和鋁顆粒均彌散分布，但二者的尺寸均較圖2c明顯變小。

2.1.3?使用Sn-30Zn釬料所得接頭組織

圖4為Sn-30Zn釬料所得接頭組織形貌。圖4a為使用Sn-30Zn所得接頭的橫截面形貌。從圖4可以看出，上板處鋁/釬料界面的彎曲程度更大，這說明母材被空蝕的程度更明顯，此結(jié)果和高溫條件下母材的抗空蝕能力變?nèi)跤嘘P(guān)。整個(gè)釬縫中密集分布著富Zn相和鋁顆粒，且這二者的密度較使用其它兩種釬料所得接頭的密度更大。圖4b為釬縫邊緣處的顯微組織，此處形貌與使用Sn-16Zn所得相貌相似，均是尺寸較大且?guī)缀踹B續(xù)分布的鋁基固溶體。圖4c為釬縫中心處的組織形貌。除彌散分布的富Zn相之外，焊縫中心還密集分布著許多尺寸極小的鋁顆粒，且此處鋁顆粒被釬組織料溶解的程度更加嚴(yán)重。

由此，可以推測出超聲釬焊過程中母材先被空蝕而后被溶解的過程[7]。首先，在超聲波振動(dòng)作用下，液態(tài)釬料內(nèi)部產(chǎn)生空化泡;在經(jīng)歷一個(gè)或幾個(gè)超聲周期后，空化泡會(huì)潰滅;空化泡潰滅產(chǎn)生的局部極端現(xiàn)象（高溫、高壓）會(huì)對(duì)母材表面產(chǎn)生空蝕破壞，使得鋁基體被打碎，流入到釬料內(nèi)部。由于鋁和鋅具有極好的互溶度，進(jìn)入釬縫內(nèi)部的鋁會(huì)逐漸被釬料溶解。隨著釬料中含Zn量的增加，釬料對(duì)鋁的溶解能力逐漸變強(qiáng)，因此釬縫內(nèi)鋁顆粒的尺寸逐漸變小，如圖2c、圖3c和圖4c所示。

2.2?力學(xué)性能

2.2.1?接頭硬度

圖5為使用不同釬料所得接頭釬縫內(nèi)部的硬度值。母材（純鋁）的硬度約為HV 40。純Sn的硬度較低，僅為HV 20 左右[13]。如圖5所示，當(dāng)釬料中加入Zn元素時(shí)，釬縫的硬度明顯升高，可見Zn元素能夠起到強(qiáng)化釬縫的作用。當(dāng)使用Sn-9Zn釬料時(shí)，釬縫內(nèi)硬度約為HV 23，當(dāng)測量點(diǎn)位于富Zn相時(shí)，硬度值約為HV 30;釬縫硬度隨著焊Zn量的增加而提高，當(dāng)使用Sn-30Zn時(shí)，釬縫內(nèi)硬度可達(dá)到HV 56。釬縫內(nèi)硬度提高的另外一個(gè)因素可歸因于釬縫中溶解的Al顆粒。郭衛(wèi)兵[14]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲釬焊中，氧元素可通過三相界面處進(jìn)入釬縫內(nèi)部，與釬縫中溶解的鋁反應(yīng)，在其表面生成一層Al2O3層，起到強(qiáng)化釬縫的作用。因此，釬焊接頭的硬度隨著釬縫中含Al量的增加而提高。

2.2.2?接頭抗剪強(qiáng)度

圖6為使用不同釬料所得接頭的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)使用Sn-9Zn釬料時(shí)，接頭的抗剪強(qiáng)度為49.8 MPa;接頭的強(qiáng)度隨著釬料中含Zn量的增加而增大，當(dāng)使用Sn-16Zn釬料時(shí)，接頭的強(qiáng)度為56.6 MPa，接頭的抗剪強(qiáng)度在使用Sn-30Zn釬料時(shí)最高，為66.4 MPa。接頭強(qiáng)度的提高可歸結(jié)為以下兩個(gè)原因;①釬縫中含Zn量的增加可起到強(qiáng)化接頭的作用;②鋁顆粒的細(xì)化起到的強(qiáng)化釬縫強(qiáng)度的作用。如圖4c所示，當(dāng)使用Sn-30Zn釬料時(shí)，釬縫內(nèi)鋁顆粒的尺寸極小，可對(duì)釬縫強(qiáng)度的提高起到一定的作用。

圖7為使用Sn-9Zn所得接頭的斷裂位置和斷口形貌。如圖7a所示，當(dāng)使用Sn-9Zn釬料時(shí)，裂紋沿著釬縫內(nèi)部擴(kuò)展，此結(jié)果意味著釬縫/母材界面的強(qiáng)度較高。裂紋的擴(kuò)展無明顯的規(guī)律，穿過富Zn相、Sn-Zn共晶和細(xì)小的Al顆粒。圖7b為接頭的斷口形貌，可觀察到細(xì)小的韌窩結(jié)構(gòu)和明顯的撕裂棱。

圖8為使用Sn-16Zn所得接頭的斷裂位置和斷口形貌。與圖7a所示斷裂位置一樣，使用Sn-16Zn時(shí)，裂紋亦沿釬縫內(nèi)部擴(kuò)展。如圖8a所示，裂紋主要穿過富Zn相，Sn-Zn共晶相和細(xì)小的鋁顆粒。圖8b為接頭的斷口形貌，除與圖7b相似的撕裂棱之外，從圖8b還可觀察到尺寸較小的富Zn相的存在，這與圖3c中釬縫中富Zn相的尺寸較小所一致。

圖9為使用Sn-30Zn所得接頭的斷裂位置與斷口形貌。如圖9a所示，裂紋沿釬縫內(nèi)部擴(kuò)展，結(jié)合圖7a與圖8a所示，此結(jié)果可說明接頭的強(qiáng)度由釬縫內(nèi)部的組織決定。這與圖5中測得的釬縫內(nèi)部的硬度值隨著釬料中含Zn量的增加而升高的結(jié)果相一致。另外，此結(jié)果可印證圖6中所述釬縫強(qiáng)度的提高是由于釬縫中含Zn量的增加和鋁顆粒的細(xì)化兩個(gè)因素的共同作用。圖9b為使用Sn-30Zn所得接頭的斷口形貌，斷面中仍可觀察到富Zn量和撕裂棱。

3?結(jié)論

（1）超聲波作用下液態(tài)釬料內(nèi)部發(fā)生空化，空化泡的潰滅在2 s內(nèi)去除純鋁母材表面的氧化膜，完成焊接。

（2）母材在焊接過程中被空蝕而進(jìn)入釬縫，且空蝕程度隨著釬料中含Zn量的增加而增大，當(dāng)使用Sn-30Zn釬料時(shí)，整個(gè)釬縫中密集分布著細(xì)小的Al顆粒。

（3）接頭的硬度和抗剪強(qiáng)度均隨著釬料中含Zn量的增加而升高，當(dāng)使用Sn-30Zn時(shí)，釬縫內(nèi)部的硬度可達(dá)HV 56，抗剪強(qiáng)度為66.4 MPa。參考文獻(xiàn)

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