李國棟,栗卓新,古金茂,齊勇田

(1 北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100124;2 北京星航機(jī)電裝備有限公司,北京 100074)

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超聲作用下Mg-Zn-Al釬料的潤濕與鋪展

李國棟1,栗卓新1,古金茂2,齊勇田1

(1 北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100124;2 北京星航機(jī)電裝備有限公司,北京 100074)

在大氣環(huán)境中，對Mg-Zn-Al釬料進(jìn)行超聲振動作用下的鋪展，超聲時間分別為1，2，3，4s，并與釬劑作用下的釬料鋪展行為進(jìn)行對比。采用體視顯微鏡觀察釬料在超聲及釬劑作用下的鋪展形貌。采用光學(xué)顯微鏡觀察釬料鋪展初始端、鋪展末端及鋪展后釬料的微觀組織形貌。結(jié)果表明：超聲振動作用下的Mg-Zn-Al釬料沿基體表面作受迫鋪展，聲空化作用于液態(tài)釬料產(chǎn)生的沖擊波可以破碎基體表面的氧化膜，使液態(tài)釬料與母材發(fā)生潤濕，母材溶解的深度僅有0.12mm。超聲時間為2s時，釬料鋪展面積最大。超聲聲空化作用破碎液態(tài)釬料在凝固期間產(chǎn)生的α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相，使鋪展后的釬料顯微組織得到細(xì)化。

超聲振動；鎂合金釬料；鋪展；潤濕

鎂及鎂合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料[1]，被譽(yù)為是“21世紀(jì)的綠色工程材料”。鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度、阻尼性能好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、易回收等特點(diǎn)[2,3]，使其在電子電器、航天航空、國防軍工、汽車等領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)90年代初開始，鎂合金材料研究及應(yīng)用成為熱點(diǎn)[4]。鎂合金可以用各種方法焊接，如MIG焊、TIG焊及激光焊等[5]。釬焊由于焊接變形小，對母材性能影響小，可實(shí)現(xiàn)精密焊接，是連接鎂合金常用的方法之一。

釬焊時，熔化的釬料與固態(tài)母材相接觸，液態(tài)釬料必須能夠潤濕固態(tài)母材表面才能夠鋪展和填縫。鎂合金釬焊時，雖然釬焊前待焊零件表面及釬料表面經(jīng)砂紙研磨，但在其新鮮表面仍然很快會生成一層極薄氧化膜[6,7]，尤其在大氣環(huán)境中加熱時，氧化膜不斷增厚，使鎂合金釬料難以潤濕與鋪展[4]。傳統(tǒng)釬焊方法使用釬劑去除氧化膜[8,9]，但在加熱過程中，一些氯氟碳化物(CFC)釬劑產(chǎn)生大量有毒氣體，可嚴(yán)重?fù)p害操作人的健康和安全，對環(huán)境造成危害[10]；釬劑殘渣具有腐蝕性，對接頭性能造成不利影響[11-13]。

超聲波振動釬焊是一種無釬劑釬焊方法，利用“超聲波空化”效應(yīng)破碎合金表面的氧化膜[14-16]，可促進(jìn)固液相界面的潤濕與鋪展，同時不會對環(huán)境造成危害。本工作采用超聲振動輔助釬焊裝置，對鎂合金釬料鋪展及潤濕行為進(jìn)行了研究。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為AZ31B鎂合金，尺寸為70mm×50mm×3mm，其化學(xué)成分如表1所示。所用釬料為自制Mg-Zn-Al釬料，其化學(xué)成分如表1所示, 其固相線為345.7℃，液相線為350.5℃。Mg-Zn-Al釬料的尺寸為5mm×5mm×5mm。超聲振動前采用400#砂紙去除AZ31B鎂合金及Mg-Zn-Al釬料表面的氧化膜，用酒精清洗以去除油污，并放入酒精溶液中保存。

采用電阻爐在空氣中直接加熱AZ31B基體，加熱至420℃后，將釬料置于AZ31B基體中央，待釬料表面塌陷并呈橢球狀時，采用超聲振動釬焊裝置對試樣進(jìn)行超聲振動，振動時間分別為1，2，3，4s。超聲振幅為50μm，超聲頻率為20kHz。作為對比試樣，對釬料在釬劑條件下進(jìn)行鋪展實(shí)驗(yàn)。釬劑成分及其性能如表2所示。

表1　AZ31B和Mg-Zn-Al釬料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1　Chemical composition of AZ31B and Mg-Zn-Al solder (mass fraction/%)

表2　鎂合金釬劑的組成及性能Table 2　Composition and properties of flux for soldering magnesium alloy

取釬料鋪展后投影在基體表面的最大面積作為鋪展面積。沿鋪展面積直線距離最長方向截取橫截面。采用SZ61體視顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌觀察。采用OLYCIA軟件測試釬料的鋪展面積及釬料與基體之間的接觸角。采用PMG3金相顯微鏡觀察超聲及釬劑作用下試樣橫截面的微觀組織。采用S-3400N型掃描電鏡觀察鋪展界面微觀結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與分析

2.1釬焊接頭宏觀形貌

液態(tài)釬料與固體基體接觸時，液態(tài)釬料能否潤濕基體取決于液態(tài)釬料內(nèi)部的內(nèi)聚力與液固表面之間的附著力。將AZ31B鎂合金基體加熱至釬料熔點(diǎn)后，放置Mg-Zn-Al釬料，釬料很快熔化，并發(fā)生塌陷，呈橢球形，但并未與基體潤濕。其原因在于大氣環(huán)境中加熱時，基體與釬料表面均會生成一層很薄的MgO膜，增大了液態(tài)釬料表面的內(nèi)聚力，阻礙了液態(tài)釬料與基體表面的潤濕。

圖1為釬料在超聲與釬劑作用下Mg-Zn-Al釬料在基體表面的潤濕與鋪展情況。從圖1中可以看到，在超聲與釬劑作用下釬料均發(fā)生了潤濕與鋪展，鋪展界面無裂紋及氣孔，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。兩者明顯的區(qū)別在于，釬料與母材潤濕后，基體溶解深度不同。采用OLYCIA軟件測得，在釬劑作用下，基體的最大溶解深度為0.41mm；超聲作用下，基體的最大溶解深度為0.12mm，說明在超聲作用下，基體表面發(fā)生了微溶，其最大溶解深度僅為釬劑作用下的29%。這是由于在超聲作用下，熔體隨聲源振動，當(dāng)聲源向外振動時，熔體隨之被噴出。對于熔體中的聲流，Campbell[17]給出了最大可能的速率公式：

(1)

式中：A為聲源端面振幅；f為超聲波頻率。實(shí)驗(yàn)中A為50μm，f為20kHz，代入式中可得超聲最大聲流速率為4442.08mm/s。這說明液態(tài)釬料中產(chǎn)生的聲流速率很大。在超聲作用下，液態(tài)釬料可瞬間鋪展，因此液態(tài)釬料與基體表面不會有足夠時間發(fā)生嚴(yán)重互溶。如圖1(a)所示，釬料鋪展后，釬料界面與基體界面平齊，無明顯的凹陷現(xiàn)象。

從圖1(a)可以看到，基體表面微溶，表明釬料與基體表面的氧化膜均已被去除。這是由于超聲作用于液態(tài)釬料后可產(chǎn)生聲空化作用，空化氣泡振動可對固體表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流及局部微沖流，破壞固-液界面的附面層[18]，從而破碎液態(tài)釬料及基體的表面氧化膜。

釬劑作用下，Mg-Zn-Al釬料完全鋪展需60s左右。只有釬劑完全破除基體表面的氧化膜，液態(tài)釬料與釬劑、基體充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使基體與釬劑界面張力增大，同時減少液態(tài)釬料的界面張力，液態(tài)釬料才能得到充分鋪展[8,19]。由于在放置釬料處，釬料發(fā)生潤濕反應(yīng)時間最長，且釬料中含有Zn，可與母材中的Mg發(fā)生共晶反應(yīng)，釬料與基體互溶，表現(xiàn)為溶深較大。根據(jù)Mg-Zn二元相圖可知，Mg-Zn-Al釬料與基體鎂合金屬于反應(yīng)潤濕體系，液態(tài)釬料鋪展時可發(fā)生“皮下潛流”現(xiàn)象，在潤濕和鋪展一定時間后，液態(tài)釬料鋪展半徑隨時間的延長而呈線性鋪展[20]，故表現(xiàn)為中間溶深大而兩邊溶深淺的現(xiàn)象，如圖1(b)所示。由于發(fā)生“潛流”，液態(tài)釬料鋪展的最大線性長度也超過超聲作用下釬料鋪展的最大線性長度。

圖1　Mg-Zn-Al釬料鋪展后的宏觀形貌　(a)超聲1s作用下的鋪展;(b)釬劑作用下的鋪展Fig.1　The spreading macrostructure of the Mg-Zn-Al solder under ultrasonic vibration for 1s　(a) and soldering flux (b)

2.2超聲作用下鋪展面積

圖2為Mg-Zn-Al釬料在超聲與釬劑作用下的鋪展宏觀形貌。表3為采用OLYCIA軟件測得的鋪展面積。超聲在熔體中傳播時，由于聲波與熔體黏滯力的交互作用和有限振幅衰減使液體內(nèi)從聲源處開始形成了一定的聲壓梯度，導(dǎo)致熔體的流動，并在整個液體中形成環(huán)流[17]。從圖2中可以看到，釬料在鋪展后呈不規(guī)則圓形，具有聲波傳播時的環(huán)流特征。

從圖2和表3中可以看到，隨著超聲時間的延長，線性鋪展長度增加，釬料鋪展面積隨之增大，超聲時間達(dá)2s時，鋪展面積達(dá)到最大。超聲時間為3s時，鋪展面積略有減小。這是由于超聲波是一種能量形式，作用于液態(tài)釬料時，超聲時間越長，液態(tài)釬料吸收的能量越大，溫度越高，釬料表面氧化越嚴(yán)重，氧化膜越厚。被超聲破碎的氧化膜集聚在釬料表面及鋪展前沿，增大了釬料鋪展的阻力。另一方面，在釬料鋪展末端，由于聲波與熔體中黏性力的交互作用導(dǎo)致有限振幅衰減，液態(tài)釬料鋪展前沿驅(qū)動力降低。二者此消彼長，致使釬料鋪展面積略有減小。超聲時間為4s時，受超聲波聲流在媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)往返振動的影響，釬料回流可造成二次鋪展現(xiàn)象，如圖2(d)所示，同時由于超聲時間增加，在釬料鋪展起始處聲空化作用增強(qiáng)，甚至造成釬料的飛濺現(xiàn)象，使有效鋪展釬料減少，導(dǎo)致鋪展面積進(jìn)一步減小。

圖2　Mg-Zn-Al釬料在超聲作用與釬劑條件下的鋪展　(a)1s；(b)2s；(c)3s；(d)4s；(e)釬劑條件下的鋪展Fig.2　The spreading macrostructure of the Mg-Zn-Al solder under different ultrasonic vibration time　(a)1s；(b)2s；(c)3s；(d)4s；(e)soldering flux表3　釬料在超聲及釬劑作用下的鋪展面積Table 3　The spreading area of the solder in the condition of ultrasonic vibration and flux

SpreadingconditionUltrasonictime/sSpreadingarea/mm2Ultrasonicvibration1140.12149.73146.14144.6Flux-175.6

從表3可知，與超聲作用下的鋪展面積相比，釬劑作用下的鋪展面積明顯增大。從圖2(e)可以看到，釬劑作用下，鎂合金釬料發(fā)生潛流現(xiàn)象是其鋪展面積明顯增大的原因。釬料鋪展過程中，以釬料放置點(diǎn)為中心，鋪展前沿在各個方向的推進(jìn)速率幾乎相當(dāng)，沒有出現(xiàn)沿某個方向推進(jìn)速率過快的現(xiàn)象，鋪展區(qū)域最終呈現(xiàn)為一個較為規(guī)矩的圓形。

2.3超聲作用下釬料與基體表面之間的接觸角

圖3為超聲與釬劑作用下釬料在基體表面的鋪展形貌。從圖3中可以看到，在釬料鋪展初始端，釬料與基體的接觸角接近于90°(圖3(a))，表明在鋪展過程中，由于母材和液態(tài)釬料表面存在氧化膜，液態(tài)釬料并不能夠在基體表面自發(fā)鋪展，只有在超聲作用下才開始鋪展，其鋪展行為是一種受迫鋪展。鋪展末端釬料與基體的接觸角為46°(圖3(b))，遠(yuǎn)大于釬劑作用下的接觸角(如圖3(c))，同時釬料鋪展末端同釬料鋪展初始端一樣，仍存在著釬料的凸起與內(nèi)凹，這表明在液態(tài)釬料初始端受迫鋪展后，釬料末端仍然無法實(shí)現(xiàn)自發(fā)鋪展。

圖3　Mg-Zn-Al釬料鋪展形貌　(a)超聲2s鋪展初始端；(b)超聲2s鋪展末端；(c)釬劑作用下釬料鋪展前沿Fig.3　The spreading microstructure of Mg-Zn-Al solder (a)the starting place of spreading under ultrasonic vibration for 2s;(b)the end place of spreading;(c)in the condition of flux

2.4超聲作用下鋪展界面微觀形貌

圖4為超聲作用及釬劑作用下鋪展釬料中部的顯微組織。結(jié)合Mg-Zn二元相圖可知，不同鋪展條件下釬料的顯微組織均為α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相。釬劑作用下，釬料中的組織結(jié)晶無外界因素干擾，可自由生長。釬料中的α-Mg固溶相大多數(shù)呈樹枝狀晶分布在釬料中，且枝干較為發(fā)達(dá)?？拷缑嫣?，Mg-Zn共晶相以柱狀晶方式向釬料內(nèi)部生長，如圖4(a)所示。

與釬劑作用下的顯微組織相比，超聲作用下的顯微組織中α-Mg固溶相和Mg-Zn共晶相更為細(xì)小，如圖4(b)所示。初生α-Mg固溶相多團(tuán)簇在一起，沒有明顯的枝干，少量以粒狀形態(tài)存在。界面處，液態(tài)釬料凝固期間以基底外延生長的Mg-Zn共晶相被破碎成細(xì)小的晶粒，凝固結(jié)晶后呈塊狀或條狀分布。這是由于超聲作用于液態(tài)釬料中可產(chǎn)生聲空化作用。在空化區(qū)域，空化泡膨脹崩塌后產(chǎn)生大量細(xì)小的空化泡并產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波[21]，可以破碎液態(tài)釬料在凝固期間產(chǎn)生的α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相，使得晶核大量增值，提高了形核率。此外，由于在超聲作用下釬料瞬間得到鋪展，液態(tài)釬料的溫度較為均勻，使得液態(tài)釬料能夠同時凝固，從而導(dǎo)致超聲作用下鋪展釬料的顯微組織得到細(xì)化，組織較為均勻。

對超聲作用下釬料與基體的微觀界面形貌進(jìn)行觀察，如圖5所示。從圖5中可以看到，基體中α-Mg相呈峰巒狀向內(nèi)生長，進(jìn)一步表明在超聲作用下，基體表

圖4　超聲與釬劑作用下Mg-Zn-Al釬料顯微組織形貌　(a)釬劑作用下釬料的顯微組織;(b)超聲2s時釬料的顯微組織Fig.4　The microstructure of Mg-Zn-Al solder after spreading in the condition of flux (a) and ultrasonic vibration for 2s(b)

圖5　鋪展界面的微觀形貌Fig.5　The microstructure of interface between the solder and base metal

面的氧化膜已完全被去除，為釬料與基體潤濕并在基體上鋪展創(chuàng)造了條件。從圖5可以看到，釬料與基體完全潤濕，結(jié)合式(1)和圖1(a)可知，釬料在超聲作用下，可以瞬間在基體表面發(fā)生鋪展，而釬料與基體的潤濕需要一定的時間，表明超聲作用下，釬料的鋪展與潤濕行為是一種先鋪展后潤濕的行為。

3　結(jié)論

(1)在超聲作用下，聲空化作用可以破碎基體表面的氧化膜，Mg-Zn-Al液態(tài)釬料瞬間受迫鋪展，其鋪展與潤濕是一種先鋪展后潤濕的行為。Mg-Zn-Al釬料與基體發(fā)生潤濕，基體表面發(fā)生微溶，鋪展界面中最大溶解深度為0.12mm，僅為釬劑作用下的29%。

(2)超聲時間不超過2s時，隨著超聲時間的增加，釬料鋪展面積增大。超聲時間為2s時，釬料鋪展面積最大。進(jìn)一步增加超聲時間，超聲波作用于液態(tài)釬料的能量增大，液態(tài)釬料溫度迅速增高，其表面氧化嚴(yán)重，鋪展阻力增大，鋪展面積減小。超聲時間過長，則易導(dǎo)致鋪展的釬料發(fā)生飛濺現(xiàn)象，使鋪展面積進(jìn)一步減小。

(3)超聲空化作用的強(qiáng)大沖擊波可以破碎液態(tài)釬料在凝固期間產(chǎn)生的α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相，釬料與基體界面處的柱狀晶消失，鋪展后的釬料組織得到細(xì)化。

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Wetting and Spreading Behavior of Mg-Zn-Al Solder Under Ultrasonic Vibration

LI Guo-dong1，LI Zhuo-xin1，GU Jin-mao2，QI Yong-tian1

(1 College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China；2 Beijing Xinghang Electro-mechanical Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100074,China)

The spreading and wetting behavior of Mg-Zn-Al solder under the action of flux and ultrasonic vibration was conducted in atmosphere. The ultrasonic vibration time was 1, 2, 3, 4s, respectively. The spreading morphology and microstructure of the solder was investigated by optical microscope. The results show that the Mg-Zn-Al solder is forced spread under the effect of ultrasonic vibration along the base metal. The impact wave induced by ultrasonic cavitation can break the oxide film on the surface of base metal and the solder, which can promote the solder to wet the base metal. The depth of the dissolved base metal is only 0.12mm. When the ultrasonic time is 2s, the spreading area reaches its maximum. The ultrasonic cavitation can break the columnar crystals of Mg-Zn eutectic phase and the dendrite crystals of α-Mg, which can refine the microstructure of the Mg-Zn-Al solder.

ultrasonic vibration; Mg-Zn-Al solder; spreading; wetting

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.008

TG454

A

1001-4381(2016)07-0043-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275008)

2014-05-27；

2016-03-30

李國棟(1974-)，男，博士，講師，主要從事焊接材料、焊接冶金及金屬焊接性方向研究，聯(lián)系地址：北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院(100124)，E-mail:guodongli@bjut.edu.cn