【摘要】：根據(jù)傳統(tǒng)釬焊理論,無法在大氣環(huán)境下不使用釬劑實現(xiàn)釬料與不潤濕母材間的連接。而超聲波輔助釬焊可在大氣環(huán)境下實現(xiàn)難潤濕釬料與母材之間的自動填縫釬焊。這與傳統(tǒng)釬焊理論存在明顯的矛盾,而對超聲波作用下非潤濕填縫行為及機理的研究仍較為匱乏。因此本文以揭示超聲作用下的非潤濕填縫行為的物理本質(zhì)為主要研究目標,主要研究了母材振動響應特征、聲致鋪展行為、聲致填縫物理本質(zhì)、窄間隙內(nèi)的空化特征及其作用等。研究發(fā)現(xiàn)超聲作用下母材表面的振動響應為非均勻分布,但具有一定分布規(guī)律。母材表面同時存在振動強度可達到激勵振幅數(shù)倍的振動較強區(qū)域以及振幅接近于0的振動死區(qū)。超聲頻率、母材物理性質(zhì)、母材形狀尺寸、超聲施加位置均可改變分布特征。超聲振幅、焊接溫度不改變振動分布特征,但可改變相應位置的振動強度。焊接前焊接參數(shù)的設(shè)定以及焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計極為重要,將嚴重影響后續(xù)的焊接效果。通過流體模擬計算與動態(tài)觀察相結(jié)合的方式對超聲波作用下釬料在不潤濕母材表面的鋪展行為研究發(fā)現(xiàn),超聲作用下釬料可在不潤濕母材的條件下迅速向四周均勻鋪展成膜,釬料鋪展過程為由三相界面開始周期性的鋪展/回縮交替進行,鋪展長度大于回縮長度,從而實現(xiàn)整體鋪展,鋪展階段伴有明顯的霧化現(xiàn)象。超聲振動越強鋪展速度越快,伴隨霧化現(xiàn)象越劇烈。交替流動是由于超聲波在液態(tài)釬料中產(chǎn)生的類正弦變化的超聲附加壓力梯度所導致。超聲附加壓力梯度為具有一定不對稱性的類正弦變化函數(shù),函數(shù)正負半波不對稱程度由函數(shù)偏移量Pc表示,Pc是由超聲波在釬料內(nèi)部的傳播過程具有非線性特征所產(chǎn)生,其存在導致釬料受到不等于零的時域平均壓力——平均超聲附加壓力梯度。超聲波為6μm時,釬料界面附近產(chǎn)生的平均附加壓力梯度為-1195Pa,負值表示由界面中心至氣液界面為壓力降低。由計算分析得到聲致非潤濕鋪展的驅(qū)動力即為由于超聲傳播的非線性特征在釬料內(nèi)產(chǎn)生的由壓力中心指向氣液界面的平均超聲附加壓力梯度。平均超聲附加壓力梯度隨超聲振幅的增大而增大。低于超聲頻的振動非線性特征較弱,產(chǎn)生平均超聲附加壓力梯度不足以克服阻力實現(xiàn)非潤濕鋪展。過高的超聲頻率會使釬料發(fā)生聲懸浮而不利于在母材表面的鋪展。對超聲作用下釬料的非潤濕填縫過程分析得到,超聲作用下釬料可實現(xiàn)向不潤濕母材間隙內(nèi)的迅速填充。填縫過程伴隨超聲霧化、超聲空化以及釬料的側(cè)向溢出現(xiàn)象。釬料的填縫過程中速度發(fā)生變化,變化規(guī)律與母材表面振動響應強度變化規(guī)律一致。聲致非潤濕填縫過程,與鋪展過程相同,釬料在超聲作用下受到具有非線性特征的隨時間類正弦變化的超聲附加壓力。在釬料內(nèi)部產(chǎn)生由壓力中心指向間隙內(nèi)外氣液界面和由氣液界面指向壓力中心交替變化的超聲附加壓力梯度,壓力中心位于間隙內(nèi)部。在周期性變化的超聲附加壓力梯度作用下,克服表面附加壓力及摩擦力的作用,釬料瞬時發(fā)生擴張/回縮的周期性流動。與鋪展過程相同,聲致非潤濕填縫的驅(qū)動仍為由超聲非線性特征形成的由壓力中心指向間隙側(cè)氣液界面的平均超聲附加壓力梯度。而由于窄間隙結(jié)構(gòu)特點,指向間隙內(nèi)釬料的平均超聲附加壓力梯度(超聲5μm時為-9127.2Pa)遠大于指向間隙外((超聲5μm時為-484.3.2Pa間隙內(nèi)約為間隙外的20倍),從而實現(xiàn)定向填縫。計算得到平均超聲附加壓力梯度隨超聲振幅及超聲頻率的增大,間隙尺寸的減小而增大。潤濕角、釬料粘度將影響填縫阻力,從而影響填縫過程。計算結(jié)果與動態(tài)觀察填縫結(jié)果基本一致。釬料填縫過程中釬料與母材仍為非潤濕狀態(tài),母材表面阻礙潤濕的氧化膜仍存在,填縫后需利用超聲空化效應去除母材表面氧化膜。空化結(jié)構(gòu)及分布特征直接影響空化強度,從而影響母材表面氧化膜的去除情況。通過在1060Al母材表面陽極氧化一層氧化膜的方法,研究了超聲作用下窄間隙內(nèi)的空化結(jié)構(gòu)以及分布特征。研究發(fā)現(xiàn)窄間隙液態(tài)Sn金屬薄層中主要由數(shù)量眾多的空化單泡及小體積空化簇兩種空化結(jié)構(gòu)組成。超聲波振幅越大,間隙越小,釬料粘度越小,空化密度越大,分布越均勻。近母材表面空蝕效果與空化結(jié)構(gòu)分布特征變化一致。保證空化時間、增大振幅、減小間隙尺寸、提高釬料流動性、控制母材表面振動均勻性,可提高空化作用去膜效果并保證去膜的均勻性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG454

【共引文獻】

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本文編號：2773366