哈工大_钎焊_杨建国 16.第03章 物理去膜-超声波辅助钎焊

超声波盐浴钎焊用于焊接热交换器
4、超声频摩擦辅助钎焊
母材：5605铝合金 钎料：纯银 试样垂直放置，银钎料置于试 样之间并施加0.2MPa的压力， 然后以2℃/s的速度加热到钎焊 温度（550-580℃，在Al-Ag共晶 温度567℃附近，但低于Al、Ag 的熔点），再施加超声。 超声发生器的功率为600W，频 率为19.5KHz。
当钎焊温度为220℃时，采用钎料、超声功率120W、超 声时间4S可获得最佳接头性能，其抗拉强度达150MPa， 与热处理后的1070铝合金母材的强度相当。
Joint strength of aluminum ultrasonic soldered under liquidus temperature of Sn–Zn hypereutectic solder. Journal of Materials Processing Technology Toru Nagaoka 2009.
6、超声波辅助钎焊 超声波作用下毛细现象
在超声的作用下， 钎料能实现自动的钻缝过程
钎料钻缝过程示意图
闫久春等 Ultrasonic Brazing of Aluminum Alloy and Aluminum Matrix Composite, United State Patent， 2009
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报告提纲
1、超声波物理作用基础 2、超声波烙铁钎焊 3、超声波浸沾钎焊 4、超声频摩擦辅助钎焊 5、半固态超声波辅助钎焊 6、(焊件导入)超声波辅助钎焊
1、超声波物理作用基础 超声空化作用
CaCO3颗粒
空化气泡成长与 破裂 （125000帧/s）
CaCO3 颗粒被破碎
Wagterveld, R.M., et al., Visualization of acoustic cavitation effects on suspended calcite crystals. Ultrasonics Sonochemistry, 2011.
1、超声波物理作用基础
超声波对铝表面的破坏作用
试件表面：甘油-水的混合物 施加超声：振幅20μm，间20s。
a) b)
c)
超声波作用前后铝表面的AFM照片 a)无超声作用；b）有超声但试件表面无液 体；c）有超声作用20s，试件表面有甘油-水混合物
赵维巍 超声波钎焊物理机制及应用工艺研究 哈尔滨工业大学博士学位论文 2008
6、超声波辅助钎焊 SiC陶瓷的超声波钎焊
超声波作用下，Zn-Al合金可以在SiC陶瓷片的缝隙进行钻缝。速度 非常快，可达20mm/s。工艺条件：加热温பைடு நூலகம்420 ℃，间隙300μm， 超 声波作用时间3s），钎料铺展良好，钎料完全钻透没有气孔及未填充缺 陷。焊后接头的剪切强度可达107MPa。
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毛细填缝物理过程
a) A b) D c) B BM BM BM BM BM BM F FM E 1mm FM 1mm C FM 1mm
填缝时间固定为1s 间隙 （μm） 钻缝速度 （mm/s）
去除氧化膜所需 的最短时间(s)
a) b) c)
100 300 500
19 16.1 8.8
0.93 1.08 1.33
Takehiko Watanabe. Brazing of A5056 aluminium alloy with the aid of ultrasonic vibration using Ag filler metal. Quarterly Journal of the Japan Welding Society 2008
超声空化效应对固体表面的作用
蚀坑周围出现彩色的环形区域，从 硬度的变化看，认为是由于空泡的 热效应造成材料表面局部热处理， 导致空泡中心硬度下降，外围硬度 较高。
Chen, H. S. A ring area formed around the erosion pit on 1Cr18Ni9Ti stainless steel surface in incipient cavitation erosion Wear 266 (2009) 884–887
超声空化对固体表面的作用
钢试件: 40Cr, 水中 超声频率:20kHz，振幅:6μm
Chen, H. S. Damages on steel surface at the incubation stage of the vibration cavitation erosion in water Wear 265 (2008) 692–698
4、超声频摩擦辅助钎焊
当超声时间均为4S，钎焊温度从到 550℃到580℃时，发现当钎焊温度 为560℃时接头抗拉强度最大，且 断裂发生在母材上。
5、半固态超声波辅助钎焊
Toru Nagaoka在2009年采用Sn-Zn钎料，半固态超声钎焊了纯铝和 5056。 母材：1070纯铝和5056 钎料：Sn–xZn(x = 23, 40, 82%) 半固态超声钎焊， 超声功率为30-360W，频率 为19KHz。
Ultrasonic dissolution of brazing of 55% SiCp/A356 composites. Transactions of nonferrous metals society of China. ZHANG Yang .2009
6、超声波辅助钎焊实例
Zn-Al钎料向母材中的扩散降低了母材的熔点，使得母材的界面区域部分 熔化，在超声振动下，部分熔化的母材会分散到Zn-Al钎料中，SiC粒子 也会进入焊缝中，这样就形成了均匀的SiC粒子增强的焊缝。改变钎焊温 度可以控制焊缝区域中SiC粒子的含量，钎焊温度提高，焊缝中SiC粒子 增多，接头的抗剪强度提高。
2、超声波烙铁钎焊
1950年，Notingk B.E.提出的电加热 1958年James Byron Jones 等 超声烙铁钎焊原理示意图 获取的美国专利燃气加热 超声波辅助钎焊烙铁
目前较常见的 超声烙铁钎焊设备形式
Noltingk, B.E. Ultrasonic soldering irons. Journal of Scientific Instruments, 1951. J.B.Jones, Ultrasonic brazing unit. United States Patent, 1958.
钎焊
————金属表面氧化膜及其去除机制 主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
超声波辅助钎焊
感谢哈工大闫久春教授提供的部分讲稿
物理去膜原理及特点 利用机械刮擦作用破碎并去除母材表面氧化 膜，使液态钎料与母材直接接触发生润湿。 作用方式： (1) 利用坚硬的物体，在液态钎料层下沿母材表 面用力往复刮擦； (2) 直接用钎料棒端头在加热到钎焊温度下的母 材表面往复拖动。 特点： (1)不能彻底去掉全部母材表面的氧化膜； (2) 去膜后，润湿角仍然较大，不能实现液态钎 料毛细填缝过程。
超声空化对固体表面的作用
固体表面附近的空泡溃缩过程示意图
Handbook of acoustics By Malcolm J. Crocker Wiley-IEEE, 1998 K.S. Suslick in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
超声波/毛细复合作用下竖直填缝行为
甚至在竖直条件下超声波可使液 态合金在不润湿条件下克服重力 和自身粘度实现竖直填缝！
表明超声诱导产生的毛 细填缝能力更强，更适 合于焊接铝基复合材料 材料。
6、超声波辅助钎焊
母材：55% SiCp/A356复合材料 钎料：Zn-Al钎料 超声振幅20μm，频率20KHz，将试件加热到420℃时超声1S，之后以 20℃/min的速度将试件分别加热到420/450/475和500℃，再保温0-20min ，超声振动5S，之后在空气中冷却。
2、超声波烙铁钎焊
超声烙铁钎焊是超声波辅助钎焊的最早应用形式 起源于德国，1936年超声烙铁的文章发表
超声烙铁钎焊原理示意图
2、超声波烙铁钎焊 美国EWI，2007年发布的研究结果
3、超声波浸沾钎焊
19世纪70年代，超声波钎焊就广泛应用铝热交换器的焊接。 认为是超声波空化作用去除了铝表面氧化膜，同时，超声促 进了钎料的毛细填缝。超声时间超过6秒时，铝表面出现溶 蚀，焊接质量下降。