TiB2/BN陶瓷与铜的钎焊工艺试验与残余应力分析

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随着现代科学技术的不断进步,对材料性能要求也越来越高,经常希望其具有良好的综合性能。TiB2/BN陶瓷与铜的接合,能够在发挥陶瓷与铜各自优异性能的同时,弥补自身的一些性能缺陷。但是,由于二者的弹性模量、线膨胀系数,化学键等因素的差异,会给其接合带来一定难度。本文基于此现象,对陶瓷采用线切割加工,并针对陶瓷的加工速度和表面粗糙度这两个优化目标,对陶瓷的线切割加工进行优化。接着采用Cu-Ti-Sn钎料对陶瓷与铜进行钎焊连接,通过调整Sn粉末的质量分数为10 wt%、15wt%、20wt%,以及焊接温度和保温时间,研究钎料在陶瓷表面的润湿面积和润湿角,分析其在陶瓷表面的润湿性。研究了多因素对润湿效果的影响。最后,还利用ANSYS软件模拟TiB2/BN陶瓷与紫铜的钎焊残余应力变化规律。得到结论如下:(1)在陶瓷材料的线切割加工中,效应管的数量对加工速度影响十分明显,脉间脉宽比对表面粗糙度影响十分明显。在收集试验数据和正交优化后,结合实际试验中出现的问题,为了避免由于加工电流过大,造成断丝。综合考虑试样的加工速度和表面粗糙度之后,最佳工艺的电参数为脉冲宽度24μs、脉宽比4、效应管5根、空载电压110V。(2)活性钎料中,Sn元素的增加,会降低钎料的液相线,促进钎料在陶瓷表面的润湿,但是在含量超过一定量之后变化不大,而且过多的Sn会导致接头变脆,降低接头质量。钎焊温度对钎料铺展面积影响较大,高的钎焊温度能够加快钎料中的活性元素的扩散,促进钎料与陶瓷发生界面反应,生成界面反应层。焊接温度和保温时间对润湿角的影响较大,焊接温度越高,保温时间越长,钎料润湿角越小,但较长的保温时间也会造成钎料的过渡流淌。当Sn含量为15wt%,焊接温度为920℃,保温15min,钎料在陶瓷表面润湿性较好。(3)ANSYS有限元模拟的结果显示,在其他条件不变的情况下,相对于改变冷却温度,冷却速度的改变对残余应力的影响更大,所以改变冷却速度可以较明显的缓解残余应力。在820℃、870℃、920℃和970℃这四个温度下,随着温度的增加,残余应变化的幅度不大。依据模拟分析结果和实际试验情况,保证焊接成功率的情况下,选择温度为920℃。当冷却速度越快时,残余应力随之增大,剪切应力的增幅大于轴向应力。在不同冷却速度下,残余应力的增大幅度不一样,温度从10℃/min到15℃/min的区域内,残余应力增大的速率大于其他两个区间。采用10℃/min的冷却速度,既可以达到减小残余应力的目的,也可以提高工作效率,节约大量的时间。Cu基钎料与Ag基钎料在钎料层和陶瓷侧的残余应力分布规律相似,相比Ag基钎料,Cu基钎料的轴向应力和剪切应力值更小。接头剪应力和轴向应力会随着钎料层厚度变化而变化,当钎料层厚度为0.1mm时,接头上存在着较大剪切应力。在钎料层厚度为0.3mm时,接头上存在着较大轴向应力。在综合残余应力、钎料的填充以及钎料层属于强度薄弱区域这三个因素之后,选择0.2mm作为钎料层厚度时,接头的剪切应力和轴向应力都较小。(4)在X方向上,陶瓷侧距离陶瓷和钎料层结合面0.5mm处,会存在较大残余应力。陶瓷侧轴向应力影响陶瓷内部裂纹的扩展能力,最大剪切应力会出现在接头左右两端的陶瓷与钎料层结合面处。陶瓷侧轴向应力大致呈“W”型分布,两和中心线部位的残余应力最高,接头左右侧存在较大的剪切应力,其值大小相等,方向相反。通过本章的研究分析,选用Cu基钎料,钎料层厚度为0.2mm,焊接温度为920℃,冷却速度为10℃/min,在满足焊接要求的情况下,减少冷却时间提高效率。
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