作者：李國棟，栗卓新，張天理，馬司鳴

(北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124)

摘要

綜述了超聲波輔助釬焊金屬材料、陶瓷材料及鋁基復合材料的研究進展，介紹了超聲輔助釬焊工藝對釬焊接頭性能及顯微組織的影響，重點分析了釬焊過程中超聲波對基體表面狀態的作用、超聲波輔助釬焊連接機理，對超聲波輔助釬焊技術今后的發展進行了展望。

關鍵詞：超聲波輔助釬焊；氧化膜；空化作用

中圖分類號:TG454     

文獻標志碼:A     

文章編號:1000-3738(2013)01-0001-04

引言

隨著現代工業技術的發展，常常需要連接不同的材料，隨著諸如陶瓷及復合材料等新型材料的出現，使常規的焊接方法已難以實現不同材料的可靠連接。這為超聲波釬焊開辟了新的應用領域。超聲波釬焊起源于德國,1939年德國出現了第一個超聲波釬焊鐵的專利。20世紀50年代到60年代，由于鋁及不銹鋼難于釬焊，重新喚起人們對超聲波釬焊的興趣。到70年代，超聲波釬焊技術獲得了大規模的應用。目前，超聲波釬焊已廣泛用于各種金屬、陶瓷以及復合材料之間的連接。

超聲波作用于液態釬料時，會產生“聲空化”作用和“聲渦流”作用，可以破碎固體表面的氧化膜，輔助液態金屬潤濕于固體表面，并加快界面物質的傳輸速率。超聲波導入的方式可以是直接將超聲波施加于液態釬料池中，也可以將超聲波直接施加到待焊試件上還可以將調制后的具有超聲頻率的激光脈沖照射到液態釬料表面。超聲波輔助釬焊是一種無釬劑釬焊方法，可以在大氣環境中直接進行釬焊，焊后無需清理釬劑，既降低了使用釬劑及清洗釬劑的成本，又避免了加熱過程中釬劑產生的有毒蒸氣對操作人員的危害，還可提高釬焊接頭的抗腐蝕能力。同時超聲波作用于熔體時還可以起到細化晶粒的作用，提高釬焊搭接接頭的剪切強度，降低液固、液氣的界面張力，增加釬料的毛細填縫能力。

利用超聲波的這些特點，焊接工作者開展了很多相關研究工作，如超聲波焊接、超聲波復合焊接、超聲波輔助焊接等。其中超聲波輔助焊接主要用于釬焊及電弧焊兩方面。為給相關研究人員提供參考，作者綜述了超聲波輔助釬焊的研究進展，并在此基礎上展望了今后研究發展的方向。

一、 超聲波輔助釬焊金屬材料

1.1  鋁及鋁合金的超聲波輔助釬焊

超聲波輔助釬焊最早應用于鋁合金的結構件釬焊，用于制造空調熱交換器，其特點是不需要釬劑，但仍存在三個主要問題。其一是超聲波開始啟動時，液態釬料對母材有局部強烈沖擊；其二是釬料不易填滿釬縫，易形成未填滿或間隙；其三是雖然超聲空化作用可以代替釬劑去除氧化膜，但不能在釬焊之前保護已清潔的表面，也不能降低釬料本身的表面張力。為此，Faridi把待焊件置于盛有釬料的固態鋁卡具中，然后再將超聲波能量作用于固態鋁卡具上，超聲波通過卡具傳遞到被焊試件，從而實現鋁合金的連接。研究發現：釬焊接頭強度受釬焊溫度、超聲時間、試件表面狀態及保護氣氛的影響。經化學清洗、去污及鍍錫中任何一種方式處理的鋁合金都能實現超聲釬焊，其中經化學清洗的鋁合金接頭強度最高，表明釬焊之前去除接頭處的氧化膜是有效的。由此可見，如果在釬焊過程中對接頭區域加以保護(如在氬氣氣氛下進行釬焊)，防止氧化膜的形成，有利于釬焊接頭性能的提高。

1.2  鎂及鎂合金的超聲波輔助釬焊

鎂合金表面易形成結構復雜且疏松的氧化膜，其氧化膜主要成分為MgO和Mg(OH)₂。其中鋁鎂合金表面膜有三層，最里層為富AL₂O₃，中間層為MgO，最外層以Mg(OH)₂為主。該氧化膜呈層片結構，結合較弱，與鋁合金表面形成的致密氧化膜結構有很大差異，這給鎂及鎂合金的釬焊造成了困難。栗卓新等研究了AZ31鎂合金超聲振動輔助釬焊接頭的微觀結構及力學性能，認為超聲振動時間對接頭抗剪強度的影響主要體現在對鎂及鎂合金表面氧化膜的破壞程度及對界面反應的作用上。超聲施加時間為2~4s時，AZ31B鎂合金的搭接接頭強度可達80~90 MPa，接頭為沿晶脆性斷裂。超聲施加時間過短，鎂合金表面的氧化膜破碎不徹底，氧化膜以片狀形式存在于釬縫中；超聲施加時間過長，則導致釬料飛濺。此外，冷卻速率對超聲振動輔助釬焊搭接接頭的組織與性能均有影響。水冷釬焊接頭可以抑制鎂合金中αMg晶粒的長大，使之成為等軸晶，其晶粒大小僅為空冷狀態下搭接接頭中樹枝晶的五分之一左右，其晶粒數量為空冷狀態下等軸晶的40~50倍?？绽錉顟B的斷裂形式為脆性斷裂，而水冷狀態的為準解理斷裂。大量等軸晶的存在，使得接頭的抗剪強度較空冷狀態的提高約2.5倍。

1.3異種金屬材料的超聲波輔助釬焊

Naka等的研究表明，在釬焊過程中施加超聲波可以加速異種金屬之間的界面反應，提高釬焊搭接接頭強度。Mohamed在此基礎上采用Zn-5Al釬料研究了鋁和不銹鋼之間的超聲輔助釬焊。研究結果表明：沿著鋁向不銹鋼的釬焊界面依次分布著鋅鋁、鐵鋁、鐵鋅固溶體，隨著超聲時間的延長，時，接頭強度達到最大值146MPa，超聲時間再延長,接頭強度反而下降。

Ek-Sayed21利用超聲波輔助釬焊技術采用Zn-14Al合金釬料在400℃成功實現了鋁和銅的連接。研究發現，超聲時間不同，釬焊接頭中生成的物相不同。施加超聲1s時，接頭中只有銅和鋁的固溶體，接頭強度較高；超聲時間為2s及以上時，接頭中出現金屬間化合物，如Cu₅Zn₂Al₃和CuAl₂，接頭強度下降；超聲時間為3 s時，接頭中出現裂紋；超聲時間為4 s時，接頭中則開始出現氣孔。

二、超聲波輔助釬焊陶瓷材料

傳統的釬焊主要是通過釬劑或壓力來破碎基體表面的氧化膜，但其并不能解決非金屬材料與釬料之間的潤濕問題。超聲波輔助釬焊可促進釬料與基體表面的潤濕，非常適用于潤濕性較差的陶瓷與金屬之間的連接。Naka等將Al₂O₃，陶瓷置于超聲波作用的鋅鋁釬料池中金屬化，然后在723K進行超聲輔助釬焊。他們認為超聲波在釬焊過程中的影響機制可以歸納為三點：超聲波空化能夠移除填充于金屬與陶瓷之間的宏觀氣泡；陶瓷表面受原子的高速沖擊；填充材料與陶瓷之間的摩擦。這些因素改善了陶瓷與填充金屬間的潤濕性。當超聲作用時間從10s增加到90s時，陶瓷表面的潤濕面積從16%提高到83.4%，連接強度也從18.95 MPa升高到65.37MPa。

Tamura等研究了錫銅鎳釬料在鋯基合金玻璃表面的超聲空化行為，發現超聲波輔助釬焊不僅可以去除鋯基合金玻璃表面穩定的鈍化膜，而且可以使其光滑表面上部分顆粒在超聲波空化作用下脫落，在基體表面形成空化坑，表面粗糙度增大，對液體釬料起釘軋作用，液體釬料在超聲波毛細效應的作用下，將提高其滲人這些空化坑的深度和速度，從而提高釬焊接頭強度。Tamura等認為，超聲時間為90s時，可以得到連接良好的鋯基合金玻璃接頭。超聲時間超過180s后，基體表面的空化坑數量趨于穩定，說明其表面氧化膜完全被去除，但與此同時，空氣中的氧進入釬料，又容易使接頭發生斷裂。

超聲輔助釬焊是連接陶瓷和金屬的較好方法，它能解決陶瓷與金屬之間由于不同的熱膨脹系數引起的變形問題、改善陶瓷與金屬之間的潤濕性，但陶瓷和金屬之間較差的潤濕性及熱膨脹系數不匹配引起的殘余應力問題目前仍未得到很好解決。

超聲波輔助釬焊金屬材料時，雖然超聲波破碎了基體表面的氧化膜，實現了釬料在基體表面的鋪展與潤濕，但破碎的氧化膜仍然會以氧化物夾雜的形式存在于凝固后的釬縫中，給釬焊接頭帶來不利影響。因此，如何降低釬縫中的氧化物含量或改善釬縫中的氧化物分布狀態以提高接頭釬焊質量，應是未來的研究方向之一。

三、超聲波輔助釬焊鋁基復合材料

鋁基復合材料因含有陶瓷增強相(SiC，AL₂O₃等)而具有“雙相結構”，增強相與基體之間物理、化學性能差別較大，這類材料在釬焊時存在的問題有：鋁基復合材料表面有一層致密的氧化膜，影響釬料的潤濕與鋪展叼，顆粒增強的鋁基復合材料含有陶瓷顆粒，一方面降低釬料的潤濕與鋪展性能，另一方面釬焊過程中母材的溶解及液化會導致其內部的顆粒進入到液態釬料中，在凝固的過程中受液-固界面的推移作用而使增強相顆粒偏聚，導致釬焊接頭強度降低。

采用反應釬劑ZnCl₂，NH₄Cl₂、NaF釬焊鋁基復合材料的研究結果表明，在釬劑作用下，鋅鋁釬料不能潤濕鋁基復合材料表面的SiC陶瓷顆粒，導致鋪展性能下降。且隨著鋁基復合材料中陶瓷顆粒的增多，潤濕角增大，當潤濕界面處的SiC顆粒含量增加到55%質量分數)時，釬料在鋁基復合材料表面呈球狀，潤濕角達170°。無法實現釬焊連接。但采用超聲波輔助釬焊時，在超聲波的作用下。鋪展在陶瓷顆粒表面的釬料內部產生空化作用，空化泡崩潰產生的高壓對復合材料表面產生強大的沖擊作用，破壞了陶瓷顆粒表面的氧化膜，使液態釬料潤濕陶瓷顆粒，形成潤濕結合，從而提高了釬焊接頭的強度。

許志武等研究了Al₂O_3P/6061Al復合材料的超聲波輔助釬焊，認為鋁基復合材料表面的氧化膜存在兩種破除機制，即潛流輔助破除機制和直接破除機制。前者的機理為鋅-鋁釬料可沿表面氧化膜的通道潛入到氧化膜與基體界面，形成“皮下潛流“現象。當潛流發生時，釬料沿基體表面發生鋪展，基體表面的氧化膜首先被潛流金屬剝離后在超聲波作用下破碎。若無潛流現象發生，釬料通過氧化膜破裂通道向基體中擴散，造成基體局部熔化，液化區表面的氧化膜在超聲作用下破碎。破碎的氧化膜可以層片狀存在于釬縫中，對釬焊接頭性能造成不利影響。此外，為解決顆粒增強相在釬焊中的偏聚問題，可采取適當的等溫處理，在一定的固相含量范圍內(35%-45%)，利用先結晶相的“原位釘扎”作用，防止顆粒宏觀的偏聚，同時還可防止常規凝固過程中基體晶粒的過度生長，起到細化晶粒及提高接頭強度的作用。

四、結束語

超聲波輔助釬焊作為一種無釬劑釬焊技術，得到了越來越廣泛的應用。目前超聲波輔助釬焊技術的研究大都側重于超聲輔助釬焊工藝參數對接頭性能及顯微組織的影響、氧化膜的破碎機制、超聲輔助釬焊接頭的連接機理，而對超聲輔助釬焊的物理機制研究不多。超聲波輔助釬焊時，由于超聲作用時間極短，超聲波作用下液態釬料的流動、鋪展及潤濕的動力學機制，液態釬料在超聲振動與毛細效應復合作用下的填縫機制，超聲波在基體液態釬料界面的傳播特性及相互作用，是超聲波輔助釬焊的理論基礎，也將是未來的研究重點。