低熔元素SnZn与Al快速超声波/液相扩散复合连接机理研究

由于超声波设备功率随工件厚度成指数级剧增，超声波金属焊接Al件往往局限于细薄件的连接。本项目提出利用低熔元素SnZn进行超声波/液相扩散复合连接可以在很大程度上解决这一问题。该方法利用真空蒸镀的方法在Al大厚件接头处预置Sn-xZn合金镀层，在不提高超声波功率的情况下，低熔元素SnZn组成的镀层在较低辅助温度下变成液态。利用Zn在Al中溶解度以及超声波空化破膜和促进元素扩散的物理特性，此液态镀层可快速完全扩散至母材而完成Al大厚件的连接，形成具有优异力学性能和耐腐蚀性能的焊接接头。这种方法区别于传统的超声波金属焊接和低温钎焊，本项目拟通过在有无超声波作用下，Sn、Zn以及Sn-xZn在Al中的扩散行为的研究，发掘Zn和超声波促进Sn-xZn钎料在母材Al中的扩散机理，为超声波/液相扩散焊接Al厚件奠定理论依据，并指导和完善其焊接工艺实现，为超声波焊接Al的大厚件提供更为有效的技术途径。

热敏感铝合金在较低温度下进行连接时，高压力、长时间扩散是阻碍焊接技术应用的核心关键问题。为此，本研究提出利用超声振动能促进液态低熔点钎料合金扩散溶解，进而实现快速钎焊的工艺思想，成功实现了铝合金高效、高质量可靠连接新工艺。本项目研究了Sn基钎料与Al的界面化合物形成机理及强化机制，发明了适合热敏感铝合金低温连接的新工艺。研究发现，Sn基钎料与Al是通过界面自发形成的Al2O3非晶形成结合的，钎料中溶解的Al和大气或者钎料中的O在界面反应生成非晶Al2O3。为减小界面自由能，Al在Sn中以{111}小晶面的形式析出，其平衡形态为正八面体，超声和保温时间促进平了衡形态初晶Al在界面析出，增大了界面面积，并增加了一定机械咬合作用，提高了接头强度。纯Sn钎料中加入Zn元素能够显著提高界面强度，界面仍然是通过Al2O3非晶形成结合的。加入少量(4wt%)的Zn即可获得足够强的Al/Sn连接界面，断裂发生在钎缝中，接头强度接近母材。采用Sn-9Zn共晶钎料超声钎焊热敏感2024铝合金，接头强度可以达到160MPa。在机理研究的基础上，提出了基于Al2O3生长的Al合金不去膜钎焊工艺，钎焊前铝合金表面无需碱洗和酸洗去除表面氧化膜，并且不需要钎剂，只采用超声波就可以去除表面氧化膜，形成可靠地连接。研究了真空蒸镀-超声钎焊的工艺，在铝合金表面蒸镀一层很薄的纯Sn，再进行超声波钎焊，形成以Al为主的钎缝，提高了接头强度和使用温度。