付秋姣　趙琳琳

摘要： 綜述了國內(nèi)外超聲波激勵液態(tài)釬料釬焊和超聲波激勵固態(tài)母材釬焊兩種超聲波輔助釬焊形式的研究進展狀況，介紹了超聲波激勵液態(tài)釬料釬焊中超聲波電烙鐵釬焊、超聲波預(yù)涂覆釬焊、超聲波鹽浴釬焊、高頻激光調(diào)制超聲波釬焊等方法及其特性，重點分析了超聲波激勵固態(tài)母材釬焊中采用不同釬料合金釬焊不同材料的研究動態(tài)，最后提出了今后超聲波輔助釬焊研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 超聲波輔助釬焊； 液態(tài)釬料； 固態(tài)母材； 填充金屬

中圖分類號： TG457.11

Abstract： The development of two kinds of ultrasonicassisted soldering technique is summarized at home and broad， including ultrasonic on the liquid solder and ultrasonic on the solid base method. The method and feature of ultrasonicassisted iron soldering /ultrasonicassisted precoated brazing/ ultrasonicassisted salt bath brazing/highfrequency laser modulation ultrasonicassisted soldering are introduced. The case about different materials brazed with filler metal by ultrasonicassisted on solid base metal is analyzed emphatically. The characteristic and performance of different ultrasonicassisted soldering method are analyzed， finally the prospect of ultrasonicassisted soldering technique is forecast.

Key words： ultrasonicassisted soldering； liquid solder； solid base metal； filler metal

0前言

超聲波為頻率大于20 kHz的聲波。當超聲波強度超過一定數(shù)值時，作為一種能量形式，它可以與傳播介質(zhì)相互作用，改變傳播介質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，超聲波的主要作用形式是聲空化和聲流效應(yīng)[1]，利用超聲波在液體釬料中的振蕩，在液態(tài)釬料中產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化泡崩潰后所形成的沖擊波，能夠破壞母材表面的氧化膜，從而實現(xiàn)釬料與母材的潤濕結(jié)合，即超聲波輔助釬焊。

從上世紀70年代至今，超聲波輔助釬焊因其具有可以在非真空的條件下不采用釬劑就可實現(xiàn)釬焊的優(yōu)點，一直被廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件和電子元器件的連接中[2-6]。超聲波釬焊最早應(yīng)用于鋁合金的釬焊，發(fā)明目的是為了實現(xiàn)在大氣條件下無釬劑的釬焊。根據(jù)超聲波的加載方式可以將其分為超聲波激勵液態(tài)釬料釬焊和超聲波激勵固態(tài)母材釬焊[7]。

本文主要概述了超聲波激勵液態(tài)釬料釬焊和超聲波激勵固態(tài)母材釬焊兩種形式的研究進展，并對后續(xù)超聲波釬焊的研究發(fā)展方向進行了展望。

1超聲波激勵液態(tài)釬料釬焊

1.1超聲波電烙鐵釬焊

超聲波電烙鐵是最早借助超聲波的物理效應(yīng)進行焊接的形式。在20世紀30年代就開始有學者對其進行研究。Edison Welding Institute （EWI）[8]對超聲波電烙鐵釬焊進行了研究，認為其釬焊原理是當超聲波工具頭插入液態(tài)釬料中時，在超聲工具頭前端會產(chǎn)生大量的空化氣泡，而空化氣泡向固液界面運動，其近固液界面處發(fā)生崩潰對材料的表面產(chǎn)生破壞作用，使得釬料與母材發(fā)生作用從而實現(xiàn)界面的結(jié)合。Noltingk等[9]研制出了超聲烙鐵設(shè)備，用于鋁合金及其它輕合金金屬表面鍍錫，如圖1所示。

1.2超聲波預(yù)涂覆釬焊

1976年Wendt[10]申請了一項關(guān)于便攜式超聲波輔助釬焊設(shè)備的美國專利，其主要內(nèi)容是將待焊管件表面超聲鍍覆上一層釬料金屬，超聲作用于管件上，管件另一側(cè)浸入熔融的釬料之中，超聲通過管件傳入釬料產(chǎn)生空化效應(yīng)從而破除管件表面的氧化膜。日本的Naka等[11-13]將SiC、A12O3陶瓷浸入超聲波作用下的液態(tài)釬料池中，預(yù)涂覆一層金屬釬料，所用釬料以Zn-Al、Zn-Al-Cu和Zn-Sn為主。然后在超聲波輔助作用下實現(xiàn)了銅合金與SiC、A12O3陶瓷材料的釬焊連接，如圖2所示。超聲波對整個焊接過程的影響主要有：液態(tài)釬料與陶瓷界面處的氣體借助超聲波空化效應(yīng)移除；液體束流沖擊陶瓷表面；陶瓷表面與液體釬料之間存在一定的摩擦作用。正是上述這些影響才使得陶瓷與釬料在超聲波的作用下實現(xiàn)有效結(jié)合。超聲波作用時間對接頭強度影響較大。圖2超聲波預(yù)涂覆A12O3/Cu釬焊

過程及釬焊接頭示意圖[13]

1.3超聲波鹽浴釬焊

1970～1980年間，在空調(diào)熱交換器生產(chǎn)過程中為了節(jié)省成本，常常采用鋁管代替銅管，但是常規(guī)釬焊時，不可避免地要使用釬劑，焊接后殘留的釬劑難于清理，因此采用超聲鹽浴釬焊來代替常規(guī)釬焊，提高了生產(chǎn)效率和焊接接頭的可靠性。焊接時將超聲工具頭作用于釬料池上，通過釬料池傳遞到熔融釬料中，同時在熔融釬料中產(chǎn)生空化效應(yīng)，達到去除鋁合金基體表面氧化膜的目的。Graff[14]將熱交換器中U形彎管浸入超聲池中進行超聲波鹽浴釬焊，Gunkel[5]指出，接頭浸入釬料池中的深度、超聲波時間、預(yù)熱溫度和釬料化學成分等對潤濕結(jié)合均有影響。

1.4高頻激光調(diào)制超聲波釬焊

哈爾濱工業(yè)大學李明雨等[4]采用超聲波頻率的脈沖激光對釬料進行加熱使其熔化，熔化后的液體釬料球受到高頻的間斷性加熱時，其表面溫度場發(fā)生交變震蕩，而由于熱脹冷縮的作用，釬料液滴表面溫度的高頻震蕩影響產(chǎn)生高頻的往復(fù)機械振動，該機械振動會以疏密波的形式傳遞進入釬料內(nèi)部，并可在液滴內(nèi)部產(chǎn)生空化效應(yīng)，從而促進釬料與母材基板的潤濕結(jié)合。該方法比較適用于電子行業(yè)中電路板封裝的焊接。

2超聲波激勵固態(tài)母材釬焊

超聲波激勵固態(tài)母材釬焊是將超聲波振動工具頭直接作用待焊位置附近的工件表面，而不與液態(tài)釬料形成直接接觸，超聲波振動通過工件傳遞進入液態(tài)釬料，利用超聲波效應(yīng)使液態(tài)釬料在工件的表面上發(fā)生鋪展?jié)櫇癫⑴c母材工件形成結(jié)合。

2.1大氣環(huán)境下超聲波激勵固態(tài)母材釬焊

在大氣環(huán)境下，利用超聲波的去膜效應(yīng)，國內(nèi)外不少專家學者利用Sn基、Al基、Sn-Al、Sn-Zn等固態(tài)釬料實現(xiàn)了鋁合金、鋁基復(fù)合材料、鈦合金、陶瓷、鈦合金與鋁合金、陶瓷與鈦合金等材料的超聲波釬焊。

Wielage等[15]采用超聲波釬焊的方法連接了A12O3顆粒增強的鋁基復(fù)合材料，選用Sn作為釬料，如圖3所示，將釬料箔放置于母材間的水平縫隙中并加熱至熔化，垂直于該縫隙面將超聲波振動施加于母材上板，并在一定的壓力下完成釬焊連接，作者認為空化效應(yīng)和摩擦作用使得母材表面氧化膜去除，實現(xiàn)了釬料與母材的潤濕結(jié)合。

Nagaoka等[16]采用如圖4所示的超聲波輔助釬焊裝置，并采用Al基釬料實現(xiàn)了大氣條件下Ti/Ti以及Ti/SS（不銹鋼）的釬焊連接。Al基釬料為Al-2.5Mg-0.3Cr （ 質(zhì)量分數(shù)，%），釬焊溫度為670 ℃，超聲波作用6 s即可實現(xiàn)完整無缺陷的接頭。

在許志武[17]研究的復(fù)合材料表面氧化膜的去除機制（潛流輔助破除機制和直接破除機制）的基礎(chǔ)上，趙維巍等[18]采用如圖5方式進行了Al18B4O33/Al基復(fù)合材料的超聲波輔助釬焊。發(fā)現(xiàn)在超聲波作用下液態(tài)Zn-Al釬料能夠快速地填充整個釬縫間隙，這是一種非潤濕填縫行為，并認為間隙內(nèi)外的聲壓差是導(dǎo)致液態(tài)釬料毛細填縫的主要驅(qū)動力；采用甘油-水混合物代替釬料時，鋁合金表面被空化效應(yīng)所破壞，深度可達300 nm，遠超過氧化膜厚度，因此提出空化破膜為液態(tài)釬料溶解母材表層提供通道。

張洋等[19]采用超聲波輔助毛細填縫和預(yù)置中間層兩種釬焊方法實現(xiàn)了高體積分數(shù)55vol.%SiCp/A356復(fù)合材料的釬焊連接。發(fā)現(xiàn)與復(fù)合材料基體合金相比，液態(tài)Zn-A1釬料潤濕復(fù)合材料表面SiC顆粒所需超聲波作用時間相對較長，且Zn-Al與SiC陶瓷形成電子型結(jié)合界面。當適當提高焊接溫度并施加超聲波作用足夠長時，釬料能夠?qū)?fù)合材料基體形成大量溶解，使得SiC顆粒進入焊縫，從而形成了SiC顆粒增強的復(fù)合焊縫。

李遠星等[20]采用Sn-Zn釬料實現(xiàn)了2024鋁合金的超聲波釬焊連接。發(fā)現(xiàn)與純Sn相比，采用Sn-4Zn釬料的接頭強度可提高4倍以上。采用純Sn的接頭斷裂發(fā)生于界面處，而采用Sn-4Zn的接頭斷裂發(fā)生于釬縫內(nèi)部。在Sn-4Zn/2024A1界面處存在一層非晶過渡層，強化了界面結(jié)合，而非晶層的形成被認為是超聲波空化效應(yīng)造成的。

馬志鵬[21]采用直接超聲波釬焊工藝和超聲波預(yù)涂覆釬焊工藝實現(xiàn)了TC4鈦合金和2A12鋁合金以及55%SiCp/ZL101A鋁基復(fù)合材料的非真空釬焊。釬焊前780 ℃TC4浸純鋁4 min后又在超聲波作用下420 ℃浸釬料2 min。研究發(fā)現(xiàn)浸ZnAl釬料時界面處形成塊狀的TiAl3化合物；而當浸ZnA10.8Si時，界面處的TiAl3化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀的Ti7A15Si12化合物。研究發(fā)現(xiàn)超聲作用除了能夠去除母材氧化膜，還提高了液態(tài)原子的擴散速率，并降低了化合物的反應(yīng)溫度和時間。

陳曉光[7]采用超聲波釬焊工藝實現(xiàn)了SiC陶瓷和Ti-6A1-4V鈦合金的釬焊，采用Al-12Si作為釬料，界面結(jié)合良好，但由于接頭殘余應(yīng)力較大，SiC陶瓷內(nèi)部發(fā)生開裂。通過將Sn、Zn、Mg等元素加入A1-12Si釬料中制備了A1-15.5Sn-9.5Si-4.5Zn-0.5Mg釬料，該釬料的凝固溫度降低至186℃，但熔化溫度仍高達561℃。采用該釬料超聲波釬焊連接SiC和Ti-6A1-4V，界面均實現(xiàn)了良好結(jié)合，且未發(fā)生SiC陶瓷開裂現(xiàn)象。

魏晶慧[22]采用超聲波釬焊工藝實現(xiàn)了 Fe36Ni合金與55%SiCp/A356復(fù)合材料異種材料的釬焊。當采用ZnA1Si作為釬料，合適工藝為Fe36Ni在下，鋁基復(fù)合材料在上，超聲加載在下板，最高接頭剪切強度可達到114 MPa，斷裂位置位于Fe36Ni合金側(cè)界面。當采用Sn20Zn釬料時，F(xiàn)e36Ni合金側(cè)界面由自身連接時的FeZn化合物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3A12（SiO4）3 ，并且在焊接溫度300～360 ℃，超聲作用1～3 s，保溫時間0～60 min時，厚度和形貌不隨工藝參數(shù)的變化而變化。剪切強度穩(wěn)定在75 MPa，斷裂位置位于Fe36Ni側(cè)界面的SnZn釬料中。

2.2超聲波輔助真空釬焊

以上的研究都是針對大氣環(huán)境下超聲波釬焊的研究，目前國內(nèi)外對于真空環(huán)境下超聲波輔助釬焊的研究較少，這主要是由于大氣環(huán)境下利用超聲空化作用就可以代替釬劑去除氧化膜，即可實現(xiàn)接頭性能優(yōu)良的超聲波釬焊，通常無需抽真空，大大降低了制造成本。但大氣環(huán)境下的超聲波釬焊不能在釬焊之前保護已經(jīng)清潔的表面，也不能降低釬料本身的表面張力，對于一些抗高溫氧化能力較差的被焊母材和活性釬料，還有一些對性能要求較高的釬焊產(chǎn)品，在真空環(huán)境下進行超聲波釬焊還是有必要的。宋曉國[23]等人采用了超聲波輔助真空釬焊分別對2014鋁合金和55%SiCp/A356復(fù)合材料進行搭接焊接，均實現(xiàn)了良好的界面結(jié)合，獲得良好的接頭強度。

3結(jié)束語

超聲波釬焊由于其無需釬劑的性能，被廣泛應(yīng)用于電子元器件的焊接中。目前超聲波釬焊的研究主要集中在對各種材料的焊接接頭力學性能和微觀組織的研究、氧化膜的破碎機理的研究，而在超聲波對于釬料潤濕影響、超聲波釬焊機理的研究還不多，建議今后對于超聲波釬焊研究的重點在于：①繼續(xù)新型材料以及新型連接材料的超聲波釬焊焊接工藝研究；②超聲波釬焊機理研究：釬料的潤濕及鋪展動力學、超聲波在焊件以及釬料中的傳播機制。

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[23]宋曉國.超聲波輔助真空釬焊設(shè)備[P].中國，CN10339

4783A. 2013-11-20.

收稿日期： 2015-01-30

付秋姣簡介： 1984年出生，碩士，工程師，從事發(fā)明專利實質(zhì)審查工作。海外焊接