PDF《杂蚤悦责 辕 粤造 激光诱导钎焊接头界面行为及性能》

第猿远卷第愿期圆园员缘年愿月焊摇 接摇 学摇 报 栽砸粤晕杂粤悦栽陨韵晕杂 韵云 栽匀耘 悦匀陨晕粤 宰耘蕴阅陨晕郧 陨晕杂栽陨栽哉栽陨韵晕 灾燥造援 猿远 摇 晕燥援 愿 粤怎早怎泽贼 摇圆园员缘收稿日期院 圆园员源 原 员圆 原 员猿 基金项目院 国家自然科学基金资助项目渊缘员圆源缘园园愿冤曰福建省科技平 台建设资助项目渊圆园员猿匀圆园园猿冤曰厦门市科技计划资助项目 渊猿缘园圆在圆园员猿猿园圆猿冤 杂蚤悦责 辕 粤造 激光诱导钎焊接头界面行为及性能 刘摇 骏员 袁摇 周广涛员 袁摇 陈聪彬员 袁摇 牛济泰圆 渊员援 华侨大学 机电及自动化学院袁 厦门摇 猿远员园圆员曰 圆援 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院袁 哈尔滨摇 员缘园园园员冤 摘摇 要院 针对 栽辕 砸 模块壳体结构封装的特殊性袁提出了激光诱导钎焊方法并建立其机理模型援 以增强相体积分数 为 缘缘豫 的 杂蚤悦孕 辕 粤造 复合材料为母材袁根据激光诱导温度场的特殊性袁采用 粤造在灶圆缘杂蚤员袁在灶粤造苑袁纳米铝粉袁微颗粒锡 源 种钎料对铝基复合材料进行了氩保护气氛钎焊试验袁利用扫描电镜和 耘阅杂 能谱分析的方法对钎焊接头的界面结合 和断口形貌进行了研究援 在保证接头材料表面不受热损伤尧且搭接界面钎料熔化的特殊温度场的条件下袁确定了激 光的参数援 结果表明袁低熔点的 在灶粤造苑尧纳米铝粉钎料容易得到良好的接头袁界面层通过扩散实现了冶金结合袁断口 分析表明袁钎焊接头的断口位于钎缝偏于母材内一侧袁具有一定的连接强度援 关键词院 激光诱导曰 铝基复合材料曰 钎焊曰 界面行为 中图分类号院 栽郧 源缘远援 苑摇 摇 文献标识码院 粤摇 摇 文章编号院 园圆缘猿 原猿远园载渊圆园员缘冤园愿 原园园源猿 原园源 园摇 序摇 摇言高体积分数 杂蚤悦 颗粒增强铝基复合材料具有低 膨胀尧高导热尧轻质三大特性袁是 栽辕 砸 模块封装壳体 理想的替代材料咱员暂 袁但由于模块结构的特殊性渊内置 芯片不能过热冤袁采用常规的焊接方法渊如熔化焊冤 无法形成真正意义的焊接接头咱圆 原 缘暂 袁业内通常采用 炉中钎焊的方法袁但易对已经置于壳体底部的芯片 造成过热损伤袁焊接性差的技术难题阻碍了其顺利 推广应用援 针对上述难题袁文中提出激光诱导钎焊 的新方法袁并在文献咱远暂 中做了其焊接温度场的初 步研究袁利用激光束这种可控高精密热源加载于搭 接接头的上板表面袁诱发钎料熔化进而形成优良的 钎焊接头援 文中对激光诱导钎焊的机理进行分析袁并进行 系列试验研究了激光诱导钎焊工艺袁针对高体积分 数 杂蚤悦 颗粒增强铝基复合材料本身的结构特性及钎 料的选择原则选择合适的钎料袁研究了激光条件下 不同钎料的钎焊接头界面行为和钎焊接头力学性 能袁并通过金相显微镜尧扫描电镜和能谱仪观察并分 析接头微观组织和成分援 为优化高体积分数 杂蚤悦 颗 粒增强铝基复合材料的焊接工艺参数提供理论和试 验依据援 员摇 激光诱导钎焊机理 栽辕 砸 模块类结构如图 员 所示袁其封装的特殊性 不能采用炉中钎焊袁否则内置芯片产生热损伤援 文 中采用能量高度集中的激光在上盖板沿着黑线标示 的路径行进来诱发界面处的钎料熔化袁来实现激光 诱导钎焊接头援 图 员摇 栽辕 砸 模块 云蚤早郾 员摇 栽辕 砸 皂燥凿怎造藻 激光诱导钎焊物理模型如图 圆 所示援 图 圆摇 激光诱导钎焊物理模型 云蚤早郾 圆摇 孕澡赠泽蚤糟葬造 皂燥凿藻造 燥枣 造葬泽藻则 蚤灶凿怎糟藻凿 泽燥造凿藻则蚤灶早 源源 摇摇摇焊摇 接摇 学摇 报第猿远 卷 激光诱导热源可看作点热源援 激光束经过激光 聚焦头聚焦后作用于上层板袁在保证上层板没有较 大损伤的情况下通过热传导把热量传至两板之间诱 发钎料熔化袁实现钎料向母材扩散及母材向钎料中 溶解的有效连接援 且保证了局部加热区窄袁避免其 它部分过分高热的现象袁与传统激光钎焊有本质的 区别咱苑暂 援 圆摇 试验方法 试验所用材料为高体积分数 杂蚤悦责 辕 粤造 颗粒增强 复合材料袁增强相 杂蚤悦 颗粒的平均直径尺寸为 源园 滋皂袁体积分数为 缘缘豫 袁复合材料抗拉强度为 圆圆园 酝孕葬袁该复合材料显微组织形态如图 猿 所示袁连续相 铝合金基体的化学成分见表 员援 图 猿摇 杂蚤悦责 辕 粤造 铝基复合材料显微组织 云蚤早郾 猿摇 酝蚤糟则燥泽贼则怎糟贼怎则藻 燥枣 杂蚤悦责 辕 粤造 糟燥皂责燥泽蚤贼藻 表 员摇 铝基体的化学成分渊质量分数袁豫冤 栽葬遭造藻 员摇 悦澡藻皂蚤糟葬造 糟燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶泽 燥枣 粤造 皂葬贼则蚤曾 杂蚤 悦怎 酝早 在灶 酝灶 栽蚤 粤造 在蕴员园员 园援 圆耀园援 远 臆园援 员 园援 源缘 耀 园援 怨 臆园援 员 臆园援 员 臆园援 员 余量 激光诱导的温度场的极限值要求钎料的熔点尽 可能低袁共选用了 源 种钎料院铝基钎料 粤造在灶圆缘杂蚤员尧锌 基钎料 在灶粤造苑尧纳米铝粉尧微颗粒锡袁这 源 种钎料的化 学成分见表 圆援 表 圆摇 钎料的化学成分渊质量分数袁豫冤 栽葬遭造藻 圆摇 悦澡藻皂蚤糟葬造 糟燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶泽 燥枣 泽燥造凿藻则 钎料 粤造 在灶 杂蚤 杂灶 粤造在灶圆缘杂蚤员 苑源 圆缘 员要在灶粤造苑 苑 怨猿 要要纳米铝 员园园 要要要微颗粒锡 要要要员园园 摇摇钎料的选取原则涉及钎焊时的润湿性尧钎料具 有与母材相近的成分尧钎料的液相线要低于母材固 相线尧钎料组成元素的固相线与液相线之间的温差 应尽量小援 通过 源 种钎料的润湿铺展性试验分析袁 微颗粒锡钎料的润湿铺展性最好袁纳米铝粉次之援 采用线切割方法将材料加工成尺寸为 圆园 皂皂 伊 员圆援 缘 皂皂 伊圆皂皂 焊件袁接头采用搭接形式袁搭接长度 为愿耀员园 皂皂袁钎缝间隙为 园援 园缘 耀 园援 圆 皂皂援 焊接设备 为野孕月远园园再粤郧 固体激光器冶袁钎焊接头力学性能测 试在野岛津 粤郧鄄载 孕造怎泽 圆缘园运晕 电子万能试验机冶上进 行袁加载速度 员援 园 皂皂辕 皂蚤灶袁加载载荷 缘园 噪晕援 分别采 用 阅酝源园园园 金相显微镜和 杂耘酝 观测在激光诱导方 式下袁铝基复合材料钎焊接头微观组织及界面反应 生成物援 猿摇 试验结果及分析 猿援 员摇 激光诱导钎焊试验 钎料的熔点决定激光参数的确定袁采用的 源种钎料分别对应的激光诱导钎焊参数见表 猿援 表 猿摇 激光诱导钎焊参数 栽葬遭造藻 猿摇 孕葬则葬皂藻贼藻则 枣燥则 造葬泽藻则 蚤灶凿怎糟藻凿 遭则葬扎蚤灶早 钎料 激光功率 孕辕 宰 焊接速度 增辕 渊皂皂 窑 皂蚤灶 原员冤离焦量 云辕 皂皂 激光斑点直径 准辕 皂皂 粤造在灶圆缘杂蚤员 猿猿源 员援 缘垣缘园援 圆 在灶粤造苑 圆圆愿 员援 缘垣缘园援 圆 纳米铝 猿猿源 员援 缘垣缘园援 圆 微颗粒锡 圆猿猿 员援 缘垣缘园援 圆 粤造在灶圆缘杂蚤员 钎料从相图分析在加热后的冷却过 程中不能发生共晶反应袁熔点高袁接近母材的熔点袁 故使用的激光功率较高援 采取连续三次激光反复扫 描袁并使激光行走速度降至 员援 缘 皂皂辕 皂蚤灶 的情况下实 现了两板的激光诱导钎焊援 在灶粤造苑 钎料加热后的冷却过程中能发生共晶反 应袁所需的激光功率降低至 圆愿愿 宰袁可以实现激光诱 导钎焊接头的形成援 纳米铝粉钎料的低熔点效应袁采用连续两次激 光扫描袁行走速度为 员援 缘 皂皂辕 皂蚤灶 的情况下较为容易 的实现了激光诱导钎焊接头的连接援 锡基钎料为低熔点钎料袁二元相图中 粤造鄄杂灶 之 间不存在冶金反应袁钎焊过程中温度超过 猿愿员 益的区域即可发生共晶钎料的熔化袁当以微颗粒锡粉为 钎料袁激光功率为 圆猿猿援 园宰时即可实现激光诱导钎 焊接头的连接援 第愿期刘摇 骏袁等院杂蚤悦责 辕 粤造 激光诱导钎焊接头界面行为及性能 源缘 摇摇摇猿援 圆摇 接头界面行为分析 激光诱导试验在氩气保护气氛中进行袁图 源葬 为 钎料 粤造在灶圆缘杂蚤员 钎焊接头的界面微观组织形貌袁上 下两侧为复合材料渊母材冤袁中间层为钎缝袁厚约 愿园 滋皂援 图 源葬 中可见 粤造在灶圆缘杂蚤员 对复合材料的润湿性 不佳袁钎料与母材不能进行充分的冶金结合袁扩散层 极薄且平整袁渗透不明显袁不能形成性能良好的钎 缝袁钎缝存在钎料填充不充分尧钎缝界面局部发生结 合不良等缺陷援 图 源遭 为 在灶粤造苑 钎料激光诱导钎焊接头界面微 观组织形貌袁钎料润湿性良好袁扩散到母材晶粒间隙 中袁钎缝厚度为 缘园 滋皂袁扩散层较厚袁钎料致密且能 够润湿母材并在母材上均匀铺展袁钎料与母材之间 界面结合比较均匀援 界面位置没有发现气孔尧夹杂尧 裂纹等宏观缺陷援 整个界面连续袁可以有效地传递 载荷援 图 源糟 为纳米铝钎料接头的微观组织袁可以看出 纳米铝对裸露 杂蚤悦 颗粒的润湿性良好袁纳米铝较强 的原子扩散能力使得母材与钎缝界面处结合致密袁 并伴随有一定程度的相互扩散现象袁未见有夹杂尧微 裂纹等焊接缺陷袁与钎料 粤造在灶圆缘杂蚤员 的钎焊接头相 比袁钎焊时所需输入的热量少援 图 源凿 为微颗粒锡钎料的接头微观形貌袁钎缝组 织比较均匀袁钎料较好的润湿了裸露的 杂蚤悦 颗粒增 强相袁钎料与母材的界面结合良好袁没有较为明显的 缺陷袁但是钎缝结合不致密援 图 源摇 激光钎焊界面 云蚤早郾 源摇 蕴葬泽藻则 蚤灶凿怎糟贼蚤燥灶 遭则葬扎蚤灶早 蚤灶贼藻则枣葬糟藻 为观察钎缝中元素扩散的情况袁进行了 耘阅杂 能 谱分析袁由于其它钎料主要成分皆为铝袁与母材成分 相同袁不便于检测袁因此对微颗粒锡钎料的钎焊接头 进行观察袁如图 缘 所示援 图 缘摇 母材侧 耘阅杂 分析 云蚤早郾 缘摇 耘阅杂 葬灶葬造赠泽蚤泽 蚤灶 责葬则藻灶贼 皂藻贼葬造泽 泽蚤凿藻 钎料中的 杂灶 元素向母材中扩散袁母材中的 粤造袁 杂蚤 元素也扩散到了钎料中援 随着钎料中的 杂灶 元素 向母材中扩散袁在靠近钎料的母材中元素 杂灶 的浓度 逐渐增高袁钎焊结束后在母材和钎料的界面处形成 了铝和锡的固溶体援 猿援 猿摇 力学性能分析 对于搭接接头袁采用抗剪强度来表征激光诱导 钎焊接头的强度援 对于每一种钎料的激光诱导钎焊 接头均采用 缘 个试样进行抗剪试验袁平均值作为试 验结果援 加载速度 员援 园 皂皂辕 皂蚤灶袁载荷 缘园 噪晕援 试验结果表明袁粤造在灶圆缘杂蚤员 钎料激光诱导钎焊接 头平均抗剪强度为 圆援 怨怨远 酝孕葬曰在灶粤造苑 钎料为 员苑郾 园愿远 酝孕葬曰微颗粒锡粉钎料为 愿援 源园远 酝孕葬曰纳米铝粉钎料 为 圆圆援 苑源圆 酝孕葬援 比较 源 组剪切试验结果发现袁粤造在灶圆缘杂蚤员 钎料激 光诱导钎焊接头平均抗剪强度值最低袁这是因为 粤造在灶圆缘杂蚤员 钎料的熔点高尧润湿铺展不充分袁钎料与 母材不能进行充分的冶金反应袁焊缝性能不稳定援 微颗粒锡粉钎料本身的强度低是导致微颗粒锡粉钎 料激光诱导钎焊接头平均抗剪强度值偏低的主要原 因援 在灶粤造苑 钎料和纳米铝粉钎料平均抗剪强度值相 对较高袁是因为钎料润湿性相对较为充分袁根据金相 观测钎料和母材之间的连接较为紧密袁能形成稳定 的金属固溶体袁故其能承受的剪切力较大袁抗剪强 度高援 猿援 源摇 断口分析 对剪切试样断口进行扫描电镜观测袁断口均没 有出现钎料与复合材料面的剥离袁表明 源 种钎料均 形成了一定程度的钎缝援 形貌如图 远 所示援 从图 远 中可以看出袁断口为准解理断口袁断裂机 制介于脆性和韧性断口之间援 图 远葬 为钎料粤造在灶圆缘杂蚤员 接头剪切断口袁可以发现袁与基体发生松 动剩留的增强相 杂蚤悦 颗粒袁还有 杂蚤悦 颗粒与铝基体 源远 摇摇摇焊摇 接摇 学摇 报第猿远 卷摇图远摇 接头拉剪断口形貌 云蚤早郾 远摇 杂耘酝 责澡燥贼燥早则葬责澡 燥枣 泽澡藻葬则蚤灶早 枣则葬糟贼怎则藻 泽怎则枣葬糟藻 分离后的脱落凹坑袁裸露的 杂蚤悦 颗粒表面十分光洁袁 说明断裂发生在钎料与母材的结合处袁造成接头断 裂的主要原因是钎料与母材之间的结合力弱袁同时 反映出钎料的润湿性差袁接头质量不良援 钎料 在灶粤造苑 接头的拉剪断口整体表现平整袁存在一些微小的韧 窝属于韧性断裂袁但整体表现出脆性断裂援 断口处 没有发现裸露的 杂蚤悦 颗粒袁说明母材与钎缝区之间 结合良好袁呈现冶金结合状态袁钎料与母材之间发生 了相互扩散援 图 远糟 中袁钎料纳米铝接头拉剪断口为 典型的解理断裂袁粤 处为钎缝韧性断裂的撕裂痕袁纳 米铝的晶粒细小袁晶界密度高袁晶界易滑动袁晶界滑 移作用比较明显袁断裂区不是发生在钎缝与母材的 结合面上袁说明接头的力学性能薄弱区是在钎缝上援 钎料微颗粒锡接头拉剪断口图 远凿 中可观察到明显 的野舌冶状花样和剪切棱袁接头为典型的脆性断裂袁 没有发生明显的塑性变形援 断口结果表明袁在灶粤造苑 钎 料尧纳米铝钎料适合激光诱导钎焊袁综合效果来讲纳 米铝钎料表现出一定优势援 源摇 结摇 摇论渊员冤 采用激光诱导钎焊的方法产生的温度场可 以实现材料为高体积分数 杂蚤悦孕 增强铝基复合材料 栽辕 砸 模块结构的钎焊连接袁保证搭接界面结合袁又不 致外表面热损伤袁实现局部加热尧局部连接的钎焊 接头援 渊圆冤 采用 粤造在灶圆缘杂蚤员尧在灶粤造苑尧纳米铝粉尧微颗粒 锡源种钎料得到了铝基复合材料的钎焊接头袁对比 得出袁在灶粤造苑尧纳米铝粉两种钎料润湿性好袁整个界面 连续袁界面结合致密袁扩散层相对较厚袁在激光功率 为 圆圆愿袁猿猿源 宰袁移动速度为 员援 缘 皂皂辕 泽袁离焦量为 垣缘皂皂 时袁两种钎料接头的抗剪强度可达 员苑 酝孕葬 和 圆园 酝孕葬袁可以承受一定的载荷援 渊猿冤 在灶粤造苑尧纳米铝粉两种钎料得到的钎焊接头 剪切断口均属于准解理断裂袁断裂位置分别位于母 材内扩散层尧钎缝处袁说明激光诱导产生的温度可以 实现钎焊连接袁满足使用要求援 参考文献院 咱员暂摇 晕蚤怎 允 栽袁 蕴怎燥 载 宰袁 栽蚤葬灶 匀袁 藻贼 葬造援 灾葬糟怎怎皂 遭则葬扎蚤灶早 燥枣 葬造怎皂蚤灶蚤怎皂 皂藻贼葬造 皂葬贼则蚤曾 糟燥皂责燥泽蚤贼藻 渊缘缘增燥造援 豫 杂蚤悦辕 粤猿缘远 冤 怎泽蚤灶早 葬造怎皂蚤灶蚤怎皂鄄 遭.

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