超声作用下Mg-Zn-Al钎料的润湿与铺展

李国栋,栗卓新,古金茂,齐勇田

(1 北京工业大学 材料科学与工程学院,北京 100124;2 北京星航机电装备有限公司,北京 100074)



超声作用下Mg-Zn-Al钎料的润湿与铺展

李国栋1,栗卓新1,古金茂2,齐勇田1

(1 北京工业大学 材料科学与工程学院,北京 100124;2 北京星航机电装备有限公司,北京 100074)

在大气环境中，对Mg-Zn-Al钎料进行超声振动作用下的铺展，超声时间分别为1，2，3，4s，并与钎剂作用下的钎料铺展行为进行对比。采用体视显微镜观察钎料在超声及钎剂作用下的铺展形貌。采用光学显微镜观察钎料铺展初始端、铺展末端及铺展后钎料的微观组织形貌。结果表明：超声振动作用下的Mg-Zn-Al钎料沿基体表面作受迫铺展，声空化作用于液态钎料产生的冲击波可以破碎基体表面的氧化膜，使液态钎料与母材发生润湿，母材溶解的深度仅有0.12mm。超声时间为2s时，钎料铺展面积最大。超声声空化作用破碎液态钎料在凝固期间产生的α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相，使铺展后的钎料显微组织得到细化。

超声振动；镁合金钎料；铺展；润湿

镁及镁合金是目前工业应用中最轻的结构材料[1]，被誉为是“21世纪的绿色工程材料”。镁合金具有低密度、高比强度和高比刚度、阻尼性能好、电磁屏蔽性能优异、易回收等特点[2,3]，使其在电子电器、航天航空、国防军工、汽车等领域拥有良好的应用前景。自20世纪90年代初开始，镁合金材料研究及应用成为热点[4]。镁合金可以用各种方法焊接，如MIG焊、TIG焊及激光焊等[5]。钎焊由于焊接变形小，对母材性能影响小，可实现精密焊接，是连接镁合金常用的方法之一。

钎焊时，熔化的钎料与固态母材相接触，液态钎料必须能够润湿固态母材表面才能够铺展和填缝。镁合金钎焊时，虽然钎焊前待焊零件表面及钎料表面经砂纸研磨，但在其新鲜表面仍然很快会生成一层极薄氧化膜[6,7]，尤其在大气环境中加热时，氧化膜不断增厚，使镁合金钎料难以润湿与铺展[4]。传统钎焊方法使用钎剂去除氧化膜[8,9]，但在加热过程中，一些氯氟碳化物(CFC)钎剂产生大量有毒气体，可严重损害操作人的健康和安全，对环境造成危害[10]；钎剂残渣具有腐蚀性，对接头性能造成不利影响[11-13]。

超声波振动钎焊是一种无钎剂钎焊方法，利用“超声波空化”效应破碎合金表面的氧化膜[14-16]，可促进固液相界面的润湿与铺展，同时不会对环境造成危害。本工作采用超声振动辅助钎焊装置，对镁合金钎料铺展及润湿行为进行了研究。

1　实验材料与方法

实验材料为AZ31B镁合金，尺寸为70mm×50mm×3mm，其化学成分如表1所示。所用钎料为自制Mg-Zn-Al钎料，其化学成分如表1所示, 其固相线为345.7℃，液相线为350.5℃。Mg-Zn-Al钎料的尺寸为5mm×5mm×5mm。超声振动前采用400#砂纸去除AZ31B镁合金及Mg-Zn-Al钎料表面的氧化膜，用酒精清洗以去除油污，并放入酒精溶液中保存。

采用电阻炉在空气中直接加热AZ31B基体，加热至420℃后，将钎料置于AZ31B基体中央，待钎料表面塌陷并呈椭球状时，采用超声振动钎焊装置对试样进行超声振动，振动时间分别为1，2，3，4s。超声振幅为50μm，超声频率为20kHz。作为对比试样，对钎料在钎剂条件下进行铺展实验。钎剂成分及其性能如表2所示。

表1　AZ31B和Mg-Zn-Al钎料的化学成分(质量分数/%)Table 1　Chemical composition of AZ31B and Mg-Zn-Al solder (mass fraction/%)

表2　镁合金钎剂的组成及性能Table 2　Composition and properties of flux for soldering magnesium alloy

取钎料铺展后投影在基体表面的最大面积作为铺展面积。沿铺展面积直线距离最长方向截取横截面。采用SZ61体视显微镜进行宏观形貌观察。采用OLYCIA软件测试钎料的铺展面积及钎料与基体之间的接触角。采用PMG3金相显微镜观察超声及钎剂作用下试样横截面的微观组织。采用S-3400N型扫描电镜观察铺展界面微观结构。

2　结果与分析

2.1钎焊接头宏观形貌

液态钎料与固体基体接触时，液态钎料能否润湿基体取决于液态钎料内部的内聚力与液固表面之间的附着力。将AZ31B镁合金基体加热至钎料熔点后，放置Mg-Zn-Al钎料，钎料很快熔化，并发生塌陷，呈椭球形，但并未与基体润湿。其原因在于大气环境中加热时，基体与钎料表面均会生成一层很薄的MgO膜，增大了液态钎料表面的内聚力，阻碍了液态钎料与基体表面的润湿。

图1为钎料在超声与钎剂作用下Mg-Zn-Al钎料在基体表面的润湿与铺展情况。从图1中可以看到，在超声与钎剂作用下钎料均发生了润湿与铺展，铺展界面无裂纹及气孔，实现了冶金结合。两者明显的区别在于，钎料与母材润湿后，基体溶解深度不同。采用OLYCIA软件测得，在钎剂作用下，基体的最大溶解深度为0.41mm；超声作用下，基体的最大溶解深度为0.12mm，说明在超声作用下，基体表面发生了微溶，其最大溶解深度仅为钎剂作用下的29%。这是由于在超声作用下，熔体随声源振动，当声源向外振动时，熔体随之被喷出。对于熔体中的声流，Campbell[17]给出了最大可能的速率公式：

(1)

式中：A为声源端面振幅；f为超声波频率。实验中A为50μm，f为20kHz，代入式中可得超声最大声流速率为4442.08mm/s。这说明液态钎料中产生的声流速率很大。在超声作用下，液态钎料可瞬间铺展，因此液态钎料与基体表面不会有足够时间发生严重互溶。如图1(a)所示，钎料铺展后，钎料界面与基体界面平齐，无明显的凹陷现象。

从图1(a)可以看到，基体表面微溶，表明钎料与基体表面的氧化膜均已被去除。这是由于超声作用于液态钎料后可产生声空化作用，空化气泡振动可对固体表面产生强烈的射流及局部微冲流，破坏固-液界面的附面层[18]，从而破碎液态钎料及基体的表面氧化膜。

钎剂作用下，Mg-Zn-Al钎料完全铺展需60s左右。只有钎剂完全破除基体表面的氧化膜，液态钎料与钎剂、基体充分发生物理化学反应，使基体与钎剂界面张力增大，同时减少液态钎料的界面张力，液态钎料才能得到充分铺展[8,19]。由于在放置钎料处，钎料发生润湿反应时间最长，且钎料中含有Zn，可与母材中的Mg发生共晶反应，钎料与基体互溶，表现为溶深较大。根据Mg-Zn二元相图可知，Mg-Zn-Al钎料与基体镁合金属于反应润湿体系，液态钎料铺展时可发生“皮下潜流”现象，在润湿和铺展一定时间后，液态钎料铺展半径随时间的延长而呈线性铺展[20]，故表现为中间溶深大而两边溶深浅的现象，如图1(b)所示。由于发生“潜流”，液态钎料铺展的最大线性长度也超过超声作用下钎料铺展的最大线性长度。

图1　Mg-Zn-Al钎料铺展后的宏观形貌　(a)超声1s作用下的铺展;(b)钎剂作用下的铺展Fig.1　The spreading macrostructure of the Mg-Zn-Al solder under ultrasonic vibration for 1s　(a) and soldering flux (b)

2.2超声作用下铺展面积

图2为Mg-Zn-Al钎料在超声与钎剂作用下的铺展宏观形貌。表3为采用OLYCIA软件测得的铺展面积。超声在熔体中传播时，由于声波与熔体黏滞力的交互作用和有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成了一定的声压梯度，导致熔体的流动，并在整个液体中形成环流[17]。从图2中可以看到，钎料在铺展后呈不规则圆形，具有声波传播时的环流特征。

从图2和表3中可以看到，随着超声时间的延长，线性铺展长度增加，钎料铺展面积随之增大，超声时间达2s时，铺展面积达到最大。超声时间为3s时，铺展面积略有减小。这是由于超声波是一种能量形式，作用于液态钎料时，超声时间越长，液态钎料吸收的能量越大，温度越高，钎料表面氧化越严重，氧化膜越厚。被超声破碎的氧化膜集聚在钎料表面及铺展前沿，增大了钎料铺展的阻力。另一方面，在钎料铺展末端，由于声波与熔体中黏性力的交互作用导致有限振幅衰减，液态钎料铺展前沿驱动力降低。二者此消彼长，致使钎料铺展面积略有减小。超声时间为4s时，受超声波声流在媒质质点往返振动的影响，钎料回流可造成二次铺展现象，如图2(d)所示，同时由于超声时间增加，在钎料铺展起始处声空化作用增强，甚至造成钎料的飞溅现象，使有效铺展钎料减少，导致铺展面积进一步减小。

图2　Mg-Zn-Al钎料在超声作用与钎剂条件下的铺展　(a)1s；(b)2s；(c)3s；(d)4s；(e)钎剂条件下的铺展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　钎料在超声及钎剂作用下的铺展面积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

从表3可知，与超声作用下的铺展面积相比，钎剂作用下的铺展面积明显增大。从图2(e)可以看到，钎剂作用下，镁合金钎料发生潜流现象是其铺展面积明显增大的原因。钎料铺展过程中，以钎料放置点为中心，铺展前沿在各个方向的推进速率几乎相当，没有出现沿某个方向推进速率过快的现象，铺展区域最终呈现为一个较为规矩的圆形。

2.3超声作用下钎料与基体表面之间的接触角

图3为超声与钎剂作用下钎料在基体表面的铺展形貌。从图3中可以看到，在钎料铺展初始端，钎料与基体的接触角接近于90°(图3(a))，表明在铺展过程中，由于母材和液态钎料表面存在氧化膜，液态钎料并不能够在基体表面自发铺展，只有在超声作用下才开始铺展，其铺展行为是一种受迫铺展。铺展末端钎料与基体的接触角为46°(图3(b))，远大于钎剂作用下的接触角(如图3(c))，同时钎料铺展末端同钎料铺展初始端一样，仍存在着钎料的凸起与内凹，这表明在液态钎料初始端受迫铺展后，钎料末端仍然无法实现自发铺展。

图3　Mg-Zn-Al钎料铺展形貌　(a)超声2s铺展初始端；(b)超声2s铺展末端；(c)钎剂作用下钎料铺展前沿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超声作用下铺展界面微观形貌

图4为超声作用及钎剂作用下铺展钎料中部的显微组织。结合Mg-Zn二元相图可知，不同铺展条件下钎料的显微组织均为α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相。钎剂作用下，钎料中的组织结晶无外界因素干扰，可自由生长。钎料中的α-Mg固溶相大多数呈树枝状晶分布在钎料中，且枝干较为发达。靠近界面处，Mg-Zn共晶相以柱状晶方式向钎料内部生长，如图4(a)所示。

与钎剂作用下的显微组织相比，超声作用下的显微组织中α-Mg固溶相和Mg-Zn共晶相更为细小，如图4(b)所示。初生α-Mg固溶相多团簇在一起，没有明显的枝干，少量以粒状形态存在。界面处，液态钎料凝固期间以基底外延生长的Mg-Zn共晶相被破碎成细小的晶粒，凝固结晶后呈块状或条状分布。这是由于超声作用于液态钎料中可产生声空化作用。在空化区域，空化泡膨胀崩塌后产生大量细小的空化泡并产生强大的冲击波[21]，可以破碎液态钎料在凝固期间产生的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，由于在超声作用下钎料瞬间得到铺展，液态钎料的温度较为均匀，使得液态钎料能够同时凝固，从而导致超声作用下铺展钎料的显微组织得到细化，组织较为均匀。

对超声作用下钎料与基体的微观界面形貌进行观察，如图5所示。从图5中可以看到，基体中α-Mg相呈峰峦状向内生长，进一步表明在超声作用下，基体表

图4　超声与钎剂作用下Mg-Zn-Al钎料显微组织形貌　(a)钎剂作用下钎料的显微组织;(b)超声2s时钎料的显微组织Fig.4　The microstructure of Mg-Zn-Al solder after spreading in the condition of flux (a) and ultrasonic vibration for 2s(b)

图5　铺展界面的微观形貌Fig.5　The microstructure of interface between the solder and base metal

面的氧化膜已完全被去除，为钎料与基体润湿并在基体上铺展创造了条件。从图5可以看到，钎料与基体完全润湿，结合式(1)和图1(a)可知，钎料在超声作用下，可以瞬间在基体表面发生铺展，而钎料与基体的润湿需要一定的时间，表明超声作用下，钎料的铺展与润湿行为是一种先铺展后润湿的行为。

3　结论

(1)在超声作用下，声空化作用可以破碎基体表面的氧化膜，Mg-Zn-Al液态钎料瞬间受迫铺展，其铺展与润湿是一种先铺展后润湿的行为。Mg-Zn-Al钎料与基体发生润湿，基体表面发生微溶，铺展界面中最大溶解深度为0.12mm，仅为钎剂作用下的29%。

(2)超声时间不超过2s时，随着超声时间的增加，钎料铺展面积增大。超声时间为2s时，钎料铺展面积最大。进一步增加超声时间，超声波作用于液态钎料的能量增大，液态钎料温度迅速增高，其表面氧化严重，铺展阻力增大，铺展面积减小。超声时间过长，则易导致铺展的钎料发生飞溅现象，使铺展面积进一步减小。

(3)超声空化作用的强大冲击波可以破碎液态钎料在凝固期间产生的α-Mg固溶相及Mg-Zn共晶相，钎料与基体界面处的柱状晶消失，铺展后的钎料组织得到细化。

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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

国家自然科学基金项目(51275008)

2014-05-27；

2016-03-30

李国栋(1974-)，男，博士，讲师，主要从事焊接材料、焊接冶金及金属焊接性方向研究，联系地址：北京工业大学材料学院(100124)，E-mail:guodongli@bjut.edu.cn