铝合金超声焊接用低焊点钎料的设计制备

机械工程学院毕业设计（论文）题目：铝合金超声焊接用低焊点钎料的设计制备专业：机械电子工程班级：姓名：学号：指导教师：日期：2015年5月摘要：铝合金具有强度高、耐腐蚀性强、导热性好、易成型、重量轻等优点，使其可以广泛用于社会中的各个生产、生活领域。

本文主要以Al为母材，用Mg、Cu、ln、Bi、Sn、Si、Zn 等不同的金属元素作为添加元素，通过不同的百分含量进行熔合，从而设计了8组钎料试样。

以此来研究各系列铝合金钎料用底焊点超声焊接的特点和应用对象。

通过金相显微镜对焊接后接头的微光组织进行分析可以得出，48.7ln-47Mg-4.3Bi和48.7ln-47Mg-4.3Bi-3.5Sn的钎料的焊接效果较好，化合物在晶界处偏聚度小，焊缝密度高。

其中，Bi元素的添加, 可以提高钎焊的质量，细化晶粒，改善杂质在晶界处的偏聚，得到性能优良的钎焊接头。

关键词：铝合金钎料低焊点超声焊接Title Designed and fabricated aluminum ultrasonic welding solder joints with a bottomAbstract：Aluminum has a high strength, corrosion resistance, good thermal conductivity, easy molding, light weight, etc., so that it can be widely used in various production areas of society life. In this paper, Al as the base material, with Mg, Cu, ln, Bi, Sn, Si, Zn, such as different metal elements as additive elements, were fused by different percentages, designed eight groups solder samples. The series aluminum alloy in order to study the characteristics and application of solder joints object with the bottom ultrasonic welding. By the dim light microscope for tissue welding joints were analyzed can be drawn, 48.7ln-47Mg-4.3Bi and 48.7ln-47Mg-4.3Bi-3.5Sn of braze welding are better, the compound in the grain boundary segregation of small, high seam density, rare earth added element will play a divorced eutectic metamorphism produce, grain refinement to improve the impurities at the grain boundaries of segregation, the excellent performance of brazed joints.Keywords: aluminum alloy solder joints ultrasonic welding目录1 引言 (1)1.1 课题研究的意义 (1)1.2 铝合金钎料的研究现状及发展趋势 (1)1.3 超声钎焊技术 (2)1.4 超声钎焊技术今后发展方向与趋势总结 (3)1.5 论文研究的内容 (4)2 试验准备及设备使用方法 (4)2.1 试验材料 (4)2.2 试验大致流程 (6)2.3 试验设备及使用方法 (6)3 底焊点钎料设计制备及分析研究 (8)3.1 钎料组分选用 (8)3.2 试样配方 (9)3.3 钎料设计制备过程 (9)3.4 磨金相及金相组织观察和分析 (11)4 铝合金超声焊接试验 (16)4.1 钎料焊接 (16)4.2 钎焊界面和焊缝金相组织观察分析 (17)总结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)1 引言1.1 课题研究的意义铝合金具有强度高、耐腐蚀性强、导热性好、易成型、重量轻等优点，使其可以广泛用于社会中的各个生产、生活领域[1]。

铝合金在近代材料中占有独特的地位，已广泛应用于航空、航天、建筑、电器、汽车、船舶等行业[2]。

铝及铝合金的钎焊问题,是近年来研究较多、发展较快的领域之一。

又因铝合金的熔点较低、化学活性强、氧化膜熔点高和稳定性大,并能牢固、致密地粘附在铝合金的表面，所以一般通用的钎剂均不能满足钎焊铝及铝合金的要求,必须采用专用钎剂─铝及铝合金用钎剂。

本课题主要是通过制作铝合金钎料、铝合金焊接、金相分析焊接后接头的微光组织等试验，了解铝合金超声焊接用底焊点钎料的设计制备中易出现的问题，并研究钎料中各金属成份和含量、焊接温度、冷却时间以及助焊剂等客观因素对铝合金焊接接头微观组织及性能的影响，从而进行相互比较，解决铝合金焊接中易出现的问题，并试着找出一种或几种相对好一点的方案来进行科学研究。

1.2 铝合金钎料的研究现状及发展趋势1.2.1 传统焊接技术铝合金的传统焊接技术包括TIG焊、MIG焊、等离子弧焊等。

这些方法目前都比较成熟，现在的主要任务就是就是将他们进行改进。

1998年由肯塔基大学的机器人及制造系统中心和美国国家科技基金资助而研制的双焊枪TIG焊，可以不用填充焊丝，并能增加熔深[3]；芬兰Kemppi公司2001年在市场上推出的一款全数字化脉冲(double pulse)MIG焊机Kemppi pro Evolution，使得送丝速度与脉冲频率相适应从而提高焊接质量[4]；美国航空航天管理局(NANA)对变极性进行了大量的研究，成功研制了以变极性等离子弧焊工艺(VPPAW)为核心的焊接技术和相应的设备，并成功地实现了厚板铝合金构件的焊接[5]。

1.2.2 新铝合金焊接技术随着科学技术的发展，铝合金的钎焊工艺也得到了快速的发展。

经过科学家们的不断研究与尝试，提出了采用多种焊接法相结合的新方法，如激光焊与钨极氩弧焊，激光焊与熔化极氩弧焊相结合。

与传统单一的焊接方法相比，能得到更好的焊接质量。

1.2.3 铝合金钎料的发展趋势国内外的铝合金钎料的发展主要集中在以下几个方面：(1)以Al-Si系钎料为基础的低熔点高强度钎料Al-Si系列钎料是以Al-Si共晶成分为基础，其组织中曲卷片状的Si力学性能不佳，但通过添加稀土变质剂可获得较好的力学性能[6]。

国外的学者研究后发现锗、铟、镱等元素可以降低钎料的熔点[7]，但介于生产成本等原因，目前国内主要是采用加入Cu元素来达到降低熔点的目的。

北京航空航天大学研究发现, 在Al-Si-Cu-Ni钎料中，Cu对钎料熔点的影响最大，其次是Si，再次是Al和Ni[8]。

随着Cu和Si含量的增加，钎料的熔点将明显的降低。

对接头强度的影响方面，Si的影响最大，Ni、Cu次之[9]。

(2)快速凝固技术制造钎料快速凝固技术到了上世纪90年代已经能够用于制造非晶态的钎料[10]。

兰州理工大学研制了4种Al-Zn-Si系列钎料, 并比较了快速凝固钎料和普通钎料的熔点及钎焊锻铝LD2所得接头的力学性能，从熔点上比较, 快冷钎料的晶粒细化, 表面能增加，最终得出快速凝固钎料的力学性能明显的优于普通钎料[11]。

(3)自钎剂铝钎料的研究使用自钎剂钎料, 可以直接连续施焊。

不仅简化了操作工艺, 提高了工作效率, 而且减少了以卤化盐为主的钎剂的使用, 大大改善了工作环境。

自钎剂钎料的工艺性和所获得的接头的力学性能均不比一般钎料差,虽然制造自钎剂钎料的材料成本比较高, 但其综合工艺成本并不是很高[12]。

目前, 自钎剂铝钎料在技术上还不是很成熟, 需要进一步的研究。

1.3 超声钎焊技术1.3.1 超声焊接原理超声波焊接主要分为超声波塑料焊接和超声波金属焊接，本课题主要是研究铝合金的焊接。

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。

金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及有限的温升。

接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接，因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。

超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接。

可广泛应用于可控硅引线、熔断器片、电器引线、锂电池极片、极耳的焊接。

1.3.2 超声焊接的特点及运用超声波焊接的优点主要有以下几点：(1)可适用于多种组合材料的焊接；(2)不会对半导体等材料引起高温污染及损伤；(3)易焊接高热导率及高电导率的材料。

如金、银、铜、铝等。

(4)耗用功率小，仅为电阻点焊5%左右。

焊件变形小于3%～5%，焊点强度及强度稳定性平均提高约15%～20%。

(5)对工件表面的清洁度要求不高。

超声波焊接的缺点：金属超声波焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限于丝、箔、片等薄件的焊接，大多数情况下只适用于搭接头。

超声波焊接的应用：超声波焊接广泛用于微电子器件及精加工技术，最成功的应用是集成电路元件的互连。

在电子航天电器包装塑料等工业都广泛应用。

1.3.3 超声钎焊工艺参数超声波钎焊的主要工艺参数包括功率P、焊接时间t、静压力F、振幅A以及振幅频率f。

(1)功率P：功率P主要由工件的厚度及材料的硬度所确定[13]。

(2)焊接时间t：焊接时间是指功率输入工件的时间。

焊接时间太短时，焊接接头强度不足，甚至未焊合；焊接时间太长时，焊接接头容易产生疲劳损伤[13]。

(3)静压力F：静压力是直接影响功率输出及工件变形条件的重要因素，主要由材料厚度和材料硬度所决定[13]。

(4)振幅A：振幅常常被用来表示功率的大小，振幅值的大小与聚能器的放大系数有关，常见振幅为5～25μm[13]。

(5)振幅频率f：超声波振幅频率取决于焊件厚度和其物理性能。

1.3.4 超声钎焊技术的研究现状国内对超声波金属焊接主要集中在超声波点焊的实验研究方面。

大量的实验证明，通过超声波对铝及铝合金的焊接，金属表面的致密的氧化膜可以有效的被去除，进而保证了焊接质量。

华南理工大学杨圣文等人研究了铜片-铜管超声波焊接接头的焊接机理[14]，认为超声波焊接接头的形成是材料自身塑性、施加压力以及摩擦升温共同作用的结果。