一種超聲輔助釬焊固液界面熔融釬料中空化行為的原位可視化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲輔助釬焊的基礎(chǔ)研究，尤其涉及一種超聲輔助釬焊固液界面熔融釬料中空化行為的同步輻射成像可視化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，國內(nèi)外對超聲輔助釬焊進(jìn)行了探索性研究，發(fā)現(xiàn)了在釬焊過程輔以超聲波，促進(jìn)釬料合金與母材的潤濕，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)條件下界面非潤濕或難潤濕的受迫潤濕。大多數(shù)研究者分析認(rèn)為超聲波通過空化效應(yīng)和聲流作用等可以部分去除氧化膜，促進(jìn)釬料在基材表面的潤濕、鋪展和填縫，從而可以在非真空和無釬劑條件下實(shí)現(xiàn)同種或異種材料的連接。然而，聲空化效果與液態(tài)金屬的溫度關(guān)系很大，已有研究表明，溫度越高，空化效應(yīng)越弱；加上釬料合金固有的不透明性，研究者們很難直接觀察到超聲場中釬焊過程中固液界面是否有空化效應(yīng)發(fā)生。超聲輔助釬焊過程中的基礎(chǔ)研究，如母材表面狀態(tài)對固/液及內(nèi)部超聲波傳輸、耦合規(guī)律的影響，超聲場作用下自發(fā)或受迫潤濕發(fā)生的條件，潤濕的瞬態(tài)過程和平衡過程的物理本質(zhì)，對學(xué)術(shù)上進(jìn)一步理解/完善超聲場下釬焊過程的聲致潤濕物理機(jī)制，工業(yè)上優(yōu)化超聲輔助釬焊技術(shù)及應(yīng)用都具有重要意義。
[0003]通常采用分析最終成形組織的微觀特征來推測金屬熔體成形過程中可能發(fā)生的現(xiàn)象，進(jìn)而推斷超聲效應(yīng)的作用，均屬于不確性較強(qiáng)的定性分析。因?yàn)槌晥鍪懿牧辖Y(jié)構(gòu)及拘束條件影響很大，可能會造成實(shí)驗(yàn)所施加的聲場不一致，更無法對超聲輔助釬焊成形的動力學(xué)過程及空化行為進(jìn)行實(shí)時觀察，因此勢必會造成一些重要動態(tài)信息的丟失;數(shù)值模擬技術(shù)可得到動態(tài)模擬結(jié)果，但缺乏可信的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。研究者曾試圖利用高速攝影方法對直接施加到母材上的釬料動態(tài)潤濕、鋪展過程成像觀察，但由于無法直接觀察到釬料內(nèi)部的超聲空化效應(yīng)，對超聲輔助金屬熔體成形中受迫潤濕鋪展的機(jī)制的研究意義不大。而同步輻射光源具有高能量、高亮度、高分辨率及單色性好等優(yōu)點(diǎn)，可透過合金進(jìn)行成像，并已成功觀察到熔融合金中的枝晶生長行為。因此，同步X輻射成像技術(shù)成為目前唯一可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時觀察超聲場下固液界面熔融金屬中空化行為的實(shí)驗(yàn)方法。
[0004]而超聲場下固液界面熔融金屬中空化行為的同步輻射可視化實(shí)驗(yàn)需要一套完善的實(shí)驗(yàn)裝置和精確設(shè)計的樣品來完成，其對能否取得良好的成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果起著重要的作用。現(xiàn)有的用于超聲輔助釬焊的超聲振動系統(tǒng)通常只在室溫下施加，難以在高溫環(huán)境下正常工作，而傳統(tǒng)的釬料和母材的耦合方式中尺寸過大、易移動，影響同步輻射X射線的透過及分析處理，不適用于同步輻射成像研究，從而限制了其應(yīng)用范圍和研究領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)所存在的現(xiàn)有問題，本發(fā)明公開了一種超聲輔助釬焊固液界面熔融金屬中空化行為的同步輻射成像可視化方法，其通過一種小型電阻爐進(jìn)行加熱，采用一種耐高溫超聲振動系統(tǒng)直接施加超聲到母材，解決了超聲場下固液界面不同釬料合金，尤其是超聲場下固液界面中高熔點(diǎn)釬料中空化行為的同步輻射成像可視化的限制。
[0006]—種超聲輔助釬焊固液界面熔融釬料中空化行為同步輻射成像可視化方法通過用于同步輻射X射線成像的小型電阻爐加熱，試樣根據(jù)同步輻射X射線對材料的透過率(透過率越高，樣品分析越快，樣品成像效果越好、拍攝速率越高)以及熔融釬料中空化氣泡的平均尺寸(20-80μπι)等因素，同時考慮到前期的試樣中采用黏土、磷酸鋁、石膏粉等粘接，在超聲振動施加時易脫落，以及超聲在母材中傳輸?shù)囊?guī)律，釬料合金厚度應(yīng)低于300μηι且與母材精密耦合、牢固連接，最終通過耐高溫超聲振動系統(tǒng)施加超聲，耐溫可達(dá)8000C，包括如下步驟:
[0007]第一步:樣品制備
[0008]釬料樣品制備成100-200μπι厚的薄樣品；
[0009]母材樣品制備:選用的合金板，并切割出兩處對稱平行的凹槽；
[0010]樣品中釬料與母材的耦合及高溫防氧化處理:把釬料試樣，放在母材試樣的上方，并置于中空的涂有氮化硼的云母片中間，然后將其夾在兩片氮化硼陶瓷片中間，通過刷膠連接并周圍密封，得到樣品；
[0011]第二步:超聲場施加的準(zhǔn)備
[0012](I)耐高溫超聲振動設(shè)備的選用:超聲振動設(shè)備必須采用符合實(shí)驗(yàn)?zāi)蜏匾蟮墓ぞ哳^，并通過增長變幅桿降溫以保證超聲振動設(shè)備的壓電陶瓷在50-150度(一般超聲振動設(shè)備的壓電陶瓷正常工作溫度)工作；
[0013](2)超聲場的施加:樣品用可升降的圓盤平臺固定，使得超聲工具頭垂直接觸母材上；
[0014]第三步:整體成像裝備的組裝
[0015]加熱爐室中央部位左右均有一個通光孔，用于同步輻射光源通過樣品，樣品動態(tài)信息最終被CCD探測器接受;同步輻射光源、釬料和母材接觸界面、CCD探測器必須在同一條直線上；
[0016]超聲支架固定，放置試樣并調(diào)節(jié)圓盤至通光孔中心處，調(diào)節(jié)工具頭接觸母材依次進(jìn)行；
[0017]第四步:熔融金屬中空化行為同步輻射成像可視化測定
[0018]將溫度控制器與加熱爐相連，并設(shè)定好加熱溫度，將超聲波電源與振動系統(tǒng)相連，設(shè)好振動強(qiáng)度;在操作室中選定成像區(qū)域，設(shè)定成像參數(shù)，最后，待加熱爐升溫到設(shè)置溫度后施加超聲波，進(jìn)行釬焊中固液界面空化行為的形成、運(yùn)動及分布的數(shù)據(jù)采集。
[0019]進(jìn)一步，在后續(xù)的試樣中，保證樣品支撐平臺和爐體位置不變，每次只移動超聲振動系統(tǒng)和更換試樣。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的技術(shù)效果:
[0021]本發(fā)明精確設(shè)計釬料厚度，采用氮化硼陶瓷一樣品/云母片一氮化硼陶瓷的三明治形式，用耐高溫膠牢固連接及樣品高溫防氧化處理，解決了樣品的易脫落和樣品高溫下氧化，以及傳統(tǒng)釬料/母材耦合方式不適用于同步輻射成像可視化問題;通過具有三級變幅桿的耐高溫超聲振動系統(tǒng)對試樣施加超聲，耐溫可達(dá)8000C，解決了超聲振動設(shè)備只能在常溫下正常工作的限制，使其廣泛的應(yīng)用于不同合金，尤其是中、高熔點(diǎn)合金熔融狀態(tài)下空化行為同步輻射成像可視化的研究。從而為超聲輔助釬焊中固液界面熔融釬料中空化行為的可視化研究提供廣闊的途徑，進(jìn)而對原位觀察超聲輔助釬焊中空化效應(yīng)破碎氧化膜，進(jìn)一步理解/完善超聲場下釬焊過程的聲致潤濕物理機(jī)制理論，工業(yè)上優(yōu)化超聲輔助釬焊技術(shù)及應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)難焊材料的焊接探索新的技術(shù)途徑都具有重要意義。
【附圖說明】
[0022]圖1是超聲場下界面空化行為的同步輻射成像原理圖
[0023]圖2是用于同步輻射成像的試樣制作的示意圖
[0024]圖3是是實(shí)施例所述同步輻射可視化成像裝置圖
[0025]圖4是加熱及超聲施加后TC4鈦合金和釬料固液界面的氣泡情況
[0026]圖5是加熱及超聲施加后1060鈦合金和釬料固液界面的氣泡情況
[0027]1.同步輻射X射線2.耐高溫超聲振動系統(tǒng)3.小型電阻絲加熱爐4.CXD探測器
5.樣品支撐平臺6.凹槽7.母材8.氮化硼陶瓷片9.釬料10.云母片支架11.耐高溫超聲振動系統(tǒng)固定平臺12.爐架13.通光孔14.試樣15.超聲工具頭通孔16.熱電偶通孔
【具體實(shí)施方式】
[0028]—種超聲輔助釬焊固液界面熔融釬料中空化行為的同步輻射成像可視化方法，包括如下步驟
[0029]丨.樣品的準(zhǔn)備
[0030](I)釬料樣品初步制備
[0031 ] a.配置一定成分的釬料合金，直接乳制成Imm厚的薄板，將薄板切割成10mm* I Omm大小的薄片；
[0032]b.將薄片試樣用502膠粘在不銹鋼樣品