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铝基复合材料的超声波焊接应用技术

高体积分数SiC颗粒增强的铝基复合材料由于具有较低的线胀系数、高的热传导率及高的比强度,在电子封装及航空工业等领域备受关注。用超声波辅助钎焊工艺既可以在大气条件下不使用钎剂去除铝合金表面的氧化膜,又能促进钎料对SiC陶瓷的润湿。

一、工艺过程

采用无压渗透法制备的SiC/A356铝基复合材料,SiC颗粒的体积分数为55%,由平尺寸为15m及50m的两种颗粒混合而成。采用超声波钎焊法连接。铝基体合金的化学成分为质量分数)。选用ZN-A1针料片,化学成分为和质量分数),厚度为固液相线为383~399℃,焊接过程示意如图8.21所示,试件加工成40mm×10mm×3mm的薄片,搭接长度为20mm。

用500号砂纸打磨待焊件表面,然后在丙酮中进行超声波清洗,焊件晾干后,采用搭接接头形式将铝基复合材料焊件装卡在卡具上。试验采用超声波辅助电炉加热钎焊方法,在大气环境下,将试件加热至420℃,使钎料熔化,将超声波工具头以0.2MPa的压力施加于焊件表面,向焊件施加超声波振动,超声波振动频率为20kHz,超声振幅为20m,分别采用超声波振动时间为0.5s、5s后停止振动,移开超声波工具头,让焊件自然冷却。采用ZM--Al合金连接55%(体积分数复合材料时主要有以下两个因素影响接头结合性能。

①液态钎料与复合材料基体金属之间的润湿性。

②液态钎料对复合材料表面裸露SiC陶瓷颗粒的润湿性。

超声波作用既能去除液态ZN--AI合金与复合材料基体金属之间的氧化层,实现它们之间的冶金结合,又能促进液态钎料润湿SIC陶瓷颗粒,且氧化层的去除要先于对SiC陶瓷颗粒的润湿过程。

二、剪切强度

从搭接接头中心取尺寸为10mm×10mm×6.3m的薄片,采用剪切卡具在lstron186型电子万能拉伸机试验上对超声波针焊接头进行常温拉伸试验,对于每一种连接条件,至少要测得三个试件的剪切强度。

对超声波作用0.5后焊接接头进行剪切试验,断裂均位于液态轩料与复合材料界面处,剪切强度为54.3MP,约为5%(体积分数)S(Cn/A356复合材料强度的30%(复合材料强度为160~178MPa)。对超声波作用时间为5s的55%(体积分数)SiCp/A356复合材料焊接头进行剪切试验发现,断裂都位于靠近界面的复合材料处,剪切强度为155.6MPs和母材的剪切强度接近。

液态ZN-AI合金与复合材料之间存在两种接触界面,因此存在着ZN-AI合金对复合材料基体金属的润湿及其对复合材料表面裸露SiC颗粒的润湿两种过程。当超声波作用时间为0.5s时,液态钎料能部分润湿复合材料基体金属,但是不能润湿SiC陶瓷颗粒,当超声波作用时间为5s时,液态钎料既能完全润湿复合材料基体,又能完全润湿SiC陶瓷颗粒,接头强度随超声波作用时间的增加明显提高。


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