超声波钎焊研究现状
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摘要： 综述了国内外超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材钎焊两种超声波辅助钎焊形式的研究进展状况，介绍了超声波激励液态钎料钎焊中超声波电烙铁钎焊、超声波预涂覆钎焊、超声波盐浴钎焊、高频激光调制超声波钎焊等方法及其特性，重点分析了超声波激励固态母材钎焊中采用不同钎料合金钎焊不同材料的研究动态，最后提出了今后超声波辅助钎焊研究的发展方向。
关键词： 超声波辅助钎焊； 液态钎料； 固态母材； 填充金属
中图分类号： 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
超声波为频率大于20 kHz的声波。当超声波强度超过一定数值时，作为一种能量形式，它可以与传播介质相互作用，改变传播介质的状态、性质及结构，超声波的主要作用形式是声空化和声流效应[1]，利用超声波在液体钎料中的振荡，在液态钎料中产生空化现象，空化泡崩溃后所形成的冲击波，能够破坏母材表面的氧化膜，从而实现钎料与母材的润湿结合，即超声波辅助钎焊。
从上世纪70年代至今，超声波辅助钎焊因其具有可以在非真空的条件下不采用钎剂就可实现钎焊的优点，一直被广泛应用于各种结构件和电子元器件的连接中[2-6]。超声波钎焊最早应用于铝合金的钎焊，发明目的是为了实现在大气条件下无钎剂的钎焊。根据超声波的加载方式可以将其分为超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材钎焊[7]。
本文主要概述了超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材钎焊两种形式的研究进展，并对后续超声波钎焊的研究发展方向进行了展望。
1超声波激励液态钎料钎焊
1.1超声波电烙铁钎焊
超声波电烙铁是最早借助超声波的物理效应进行焊接的形式。在20世纪30年代就开始有学者对其进行研究。Edison Welding Institute （EWI）[8]对超声波电烙铁钎焊进行了研究，认为其钎焊原理是当超声波工具头插入液态钎料中时，在超声工具头前端会产生大量的空化气泡，而空化气泡向固液界面运动，其近固液界面处发生崩溃对材料的表面产生破坏作用，使得钎料与母材发生作用从而实现界面的结合。Noltingk等[9]研制出了超声烙铁设备，用于铝合金及其它轻合金金属表面镀锡，如图1所示。
1.2超声波预涂覆钎焊
1976年Wendt[10]申请了一项关于便携式超声波辅助钎焊设备的美国专利，其主要内容是将待焊管件表面超声镀覆上一层钎料金属，超声作用于管件上，管件另一侧浸入熔融的钎料之中，超声通过管件传入钎料产生空化效应从而破除管件表面的氧化膜。日本的Naka等[11-13]将SiC、A12O3陶瓷浸入超声波作用下的液态钎料池中，预涂覆一层金属钎料，所用钎料以Zn-Al、Zn-Al-Cu和Zn-Sn为主。然后在超声波辅助作用下实现了铜合金与SiC、A12O3陶瓷材料的钎焊连接，如图2所示。超声波对整个焊接过程的影响主要有：液态钎料与陶瓷界面处的气体借助超声波空化效应移除；液体束流冲击陶瓷表面；陶瓷表面与液体钎料之间存在一定的摩擦作用。正是上述这些影响才使得陶瓷与钎料在超声波的作用下实现有效结合。超声波作用时间对接头强度影响较大。图2超声波预涂覆A12O3/Cu钎焊
过程及钎焊接头示意图[13]
1.3超声波盐浴钎焊
1970～1980年间，在空调热交换器生产过程中为了节省成本，常常采用铝管代替铜管，但是常规钎焊时，不可避免地要使用钎剂，焊接后残留的钎剂难于清理，因此采用超声盐浴钎焊来代替常规钎焊，提高了生产效率和焊接接头的可靠性。焊接时将超声工具头作用于钎料池上，通过钎料池传递到熔融钎料中，同时在熔融钎料中产生空化效应，达到去除铝合金基体表面氧化膜的目的。Graff[14]将热交换器中U形弯管浸入超声池中进行超声波盐浴钎焊，Gunkel[5]指出，接头浸入钎料池中的深度、超声波时间、预热温度和钎料化学成分等对润湿结合均有影响。
1.4高频激光调制超声波钎焊
哈尔滨工业大学李明雨等[4]采用超声波频率的脉冲激光对钎料进行加热使其熔化，熔化后的液体钎料球受到高频的间断性加热时，其表面温度场发生交变震荡，而由于热胀冷缩的作用，钎料液滴表面温度的高频震荡影响产生高频的往复机械振动，该机械振动会以疏密波的形式传递进入钎料内部，并可在液滴内部产生空化效应，从而促进钎料与母材基板的润湿结合。该方法比较适用于电子行业中电路板封装的焊接。
2超声波激励固态母材钎焊
超声波激励固态母材钎焊是将超声波振动工具头直接作用待焊位置附近的工件表面，而不与液态钎料形成直接接触，超声波振动通过工件传递进入液态钎料，利用超声波效应使液态钎料在工件的表面上发生铺展润湿并与母材工件形成结合。
2.1大气环境下超声波激励固态母材钎焊
在大气环境下，利用超声波的去膜效应，国内外不少专家学者利用Sn基、Al基、Sn-Al、Sn-Zn等固态钎料实现了铝合金、铝基复合材料、钛合金、陶瓷、钛合金与铝合金、陶瓷与钛合金等材料的超声波钎焊。
Wielage等[15]采用超声波钎焊的方法连接了A12O3颗粒增强的铝基复合材料，选用Sn作为钎料，如图3所示，将钎料箔放置于母材间的水平缝隙中并加热至熔化，垂直于该缝隙面将超声波振动施加于母材上板，并在一定的压力下完成钎焊连接，作者认为空化效应和摩擦作用使得母材表面氧化膜去除，实现了钎料与母材的润湿结合。
Nagaoka等[16]采用如图4所示的超声波辅助钎焊装置，并采用Al基钎料实现了大气条件下Ti/Ti以及Ti/SS（不锈钢）的钎焊连接。Al基钎料为Al-2.5Mg-0.3Cr （ 质量分数，%），钎焊温度为670 ℃，超声波作用6 s即可实现完整无缺陷的接头。
在许志武[17]研究的复合材料表面氧化膜的去除机制（潜流辅助破除机制和直接破除机制）的基础上，赵维巍等[18]采用如图5方式进行了Al18B4O33/Al基复合材料的超声波辅助钎焊。发现在超声波作用下液态Zn-Al钎料能够快速地填充整个钎缝间隙，这是一种非润湿填缝行为，并认为间隙内外的声压差是导致液态钎料毛细填缝的主要驱动力；采用甘油-水混合物代替钎料时，铝合金表面被空化效应所破坏，深度可达300 nm，远超过氧化膜厚度，因此提出空化破膜为液态钎料溶解母材表层提供通道。
张洋等[19]采用超声波辅助毛细填缝和预置中间层两种钎焊方法实现了高体积分数55vol.%SiCp/A356复合材料的钎焊连接。发现与复合材料基体合金相比，液态Zn-A1钎料润湿复合材料表面SiC颗粒所需超声波作用时间相对较长，且Zn-Al与SiC陶瓷形成电子型结合界面。当适当提高焊接温度并施加超声波作用足够长时，钎料能够对复合材料基体形成大量溶解，使得SiC颗粒进入焊缝，从而形成了SiC颗粒增强的复合焊缝。
李远星等[20]采用Sn-Zn钎料实现了2024铝合金的超声波钎焊连接。发现与纯Sn相比，采用Sn-4Zn钎料的接头强度可提高4倍以上。采用纯Sn的接头断裂发生于界面处，而采用Sn-4Zn的接头断裂发生于钎缝内部。在Sn-4Zn/2024A1界面处存在一层非晶过渡层，强化了界面结合，而非晶层的形成被认为是超声波空化效应造成的。
马志鹏[21]采用直接超声波钎焊工艺和超声波预涂覆钎焊工艺实现了TC4钛合金和2A12铝合金以及55%SiCp/ZL101A铝基复合材料的非真空钎焊。钎焊前780 ℃TC4浸纯铝4 min后又在超声波作用下420 ℃浸钎料2 min。研究发现浸ZnAl钎料时界面处形成块状的TiAl3化合物；而当浸ZnA10.8Si时，界面处的TiAl3化合物转变为条状的Ti7A15Si12化合物。研究发现超声作用除了能够去除母材氧化膜，还提高了液态原子的扩散速率，并降低了化合物的反应温度和时间。
陈晓光[7]采用超声波钎焊工艺实现了SiC陶瓷和Ti-6A1-4V钛合金的钎焊，采用Al-12Si作为钎料，界面结合良好，但由于接头残余应力较大，SiC陶瓷内部发生开裂。通过将Sn、Zn、Mg等元素加入A1-12Si钎料中制备了A1-15.5Sn-9.5Si-4.5Zn-0.5Mg钎料，该钎料的凝固温度降低至186℃，但熔化温度仍高达561℃。采用该钎料超声波钎焊连接SiC和Ti-6A1-4V，界面均实现了良好结合，且未发生SiC陶瓷开裂现象。
魏晶慧[22]采用超声波钎焊工艺实现了 Fe36Ni合金与55%SiCp/A356复合材料异种材料的钎焊。当采用ZnA1Si作为钎料，合适工艺为Fe36Ni在下，铝基复合材料在上，超声加载在下板，最高接头剪切强度可达到114 MPa，断裂位置位于Fe36Ni合金侧界面。当采用Sn20Zn钎料时，Fe36Ni合金侧界面由自身连接时的FeZn化合物转变为Fe3A12（SiO4）3 ，并且在焊接温度300～360 ℃，超声作用1～3 s，保温时间0～60 min时，厚度和形貌不随工艺参数的变化而变化。剪切强度稳定在75 MPa，断裂位置位于Fe36Ni侧界面的SnZn钎料中。
2.2超声波辅助真空钎焊
以上的研究都是针对大气环境下超声波钎焊的研究，目前国内外对于真空环境下超声波辅助钎焊的研究较少，这主要是由于大气环境下利用超声空化作用就可以代替钎剂去除氧化膜，即可实现接头性能优良的超声波钎焊，通常无需抽真空，大大降低了制造成本。但大气环境下的超声波钎焊不能在钎焊之前保护已经清洁的表面，也不能降低钎料本身的表面张力，对于一些抗高温氧化能力较差的被焊母材和活性钎料，还有一些对性能要求较高的钎焊产品，在真空环境下进行超声波钎焊还是有必要的。宋晓国[23]等人采用了超声波辅助真空钎焊分别对2014铝合金和55%SiCp/A356复合材料进行搭接焊接，均实现了良好的界面结合，获得良好的接头强度。
3结束语
超声波钎焊由于其无需钎剂的性能，被广泛应用于电子元器件的焊接中。目前超声波钎焊的研究主要集中在对各种材料的焊接接头力学性能和微观组织的研究、氧化膜的破碎机理的研究，而在超声波对于钎料润湿影响、超声波钎焊机理的研究还不多，建议今后对于超声波钎焊研究的重点在于：①继续新型材料以及新型连接材料的超声波钎焊焊接工艺研究；②超声波钎焊机理研究：钎料的润湿及铺展动力学、超声波在焊件以及钎料中的传播机制。
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收稿日期： 2015-01-30
付秋姣简介： 1984年出生，硕士，工程师，从事发明专利实质审查工作。海外焊接