镁合金的超声波焊接效果与应用

镁合金以其优异的物理、化学性能，可回收再利用等优点，被誉为21世纪的绿色工程材料，在在航空航天、汽车、电子领域有重要的应用价值。北北京工业大学栗卓新等对镁合金超声波钎焊进行了试验研究。试验采用用AZ31B镁合金板材，板厚3mm。自制钎料成分（质量分数）为47．9Mg－2．4Al－49．7Zn，室温相组成为a－Mg＋MgZn＋MgZn2，熔化区间为341~348℃。母材和钎料尺寸分别别为50mm×10mm×3mm和3mm×3mm×10mm超声波探头产生的超声波频率为20kHz，振幅为55pm。试试验中的钎焊温度为370~380℃，焊前用丙酮清洗试件表面以去除油污，经400号砂纸打磨表面后，以搭接形式放置在自制卡具上进行加热。块状钎料置于接头间隙端部，钎缝预留间隙为0．1～～0．3mm，搭接长度15mm。待加热至钎料熔化时，向下板施加超声波振动0．1～5s，液态钎料填满间隙，随卡具自然冷却最终形成钎焊接头。接接头显微组织主要为a－Mg和Mg－Zn相，母材部分溶解和钎料中Zn元素向母材的扩散是接头中扩散层形成的主要原因，扩散层对接头强度有较大影响。

（1）超声振动时间对接头强度的影响

待焊母材预留间隙隙为0．15mm时，超声振动时间对接头抗剪强度的影响如图,超声振动时间对接头抗剪强度的影响主要体现对氧化膜破坏程度及对界面反应的作用.超声振动时间为0．1s时，界面反应不充分，没有形成明显的扩散层，钎缝基本保持原钎料成分，故接头强度很低，只有12．4MPa。接头为典型的层片状脆性断裂，断裂发生在界面区，断口光滑平整，表明界面结合力很弱。随振动时间的增加，超声加速母材表面的Mg元素与钎料中Zn元素相互扩散，接头强度逐渐增加。

当超声振动时间增加到一定范围（t＝2～4s），界面反应充分，形成明显扩散层，接头强度较高，可达80～90MPa。随着超声振动时间的增加，断口形貌从层片状撕裂向沿晶断裂转变，断裂发生在钎缝内部。继继续延长振动时间间（t＞4s），大量的钎料从母材间隙中被振出，滞留在间隙中的较少液态钎料不能与母材充分作用，接接头强度降低，断面中可见大量气孔和未焊合等缺陷。

（2）钎缝预留间隙对接头强度的影响

在超声振动3s的工艺条件下，界面作用充分，结合紧密密，只需考虑钎缝预留间隙对接头强度的影响。

图8．23为超声振动时间t＝3s不同钎缝预留间隙下接头的抗剪强度。由图可见，随随着预留间隙的增大，接头强度先增加后减小。当预留间隙为0．1mm时，钎料并未填满预留间隙，与超声波诱导填缝过程填缝速度随预留间隙的减小而变快的规律相反。

这是间隙过小导致预留间隙不均匀，在毛细作用下液态钎料在间隙小的一侧流动速度快，间隙大的一侧填缝速度慢，使得填缝不均匀，故接头强度较低。且间隙两侧钎料填入量差异较大，加加剧了间隙的不均匀，接头变形严重。若间隙过小接近零时，超声诱导和毛细作用都不能促使钎料填充间隙。而0．15mm是此钎料理想的预留间隙，接头抗剪强度最高为84MPa。当接头预留间隙继续增大，毛细作用减弱，钎料填缝困难，故接头强度大幅降低.

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