激光高速沖擊點焊工藝研究.pdf

1、近年來，隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）和微系統(tǒng)技術(MST)的高速發(fā)展，微器件在生物醫(yī)療、通訊電子、精密儀器等領域的應用越來越廣泛，與之相關的微型材料焊接技術的研究顯得越發(fā)重要。高速沖擊點焊作為一種固態(tài)焊接工藝，其優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)熔點相差很大的異種金屬材料的點焊連接，并且結合區(qū)域不存在熱影響區(qū)和金屬間化合物，因此具有極高的工業(yè)應用前景。
　　本文基于高速沖擊點焊的結合機理，并借鑒激光誘導沖擊波的驅動加載的方式提出了一種新型的激光高速沖

2、擊點焊方法，旨在探究復板厚度在100μm以下的同種和異種箔板金屬間的固態(tài)點焊連接工藝。
　　首先，研究了激光高速沖擊點焊的相關基礎理論，包括激光與物質相互作用的力效應模型、高速沖擊焊接界面波產生的前提、波形特征和結合機理。
　　其次，設計并搭建了激光高速沖擊點焊的實驗平臺，選擇厚度為30μm的鈦箔為復板、100μm的鋁箔為基板，對影響激光高速沖擊點焊連接質量的主要工藝參數(shù)，包括復板的沖擊速度、碰撞角度和飛行距離進行理論和實驗

3、研究。采用PVDF壓力傳感器系統(tǒng)來測試復板的沖擊壓力，并對復板的最大沖擊速度進行估算。研究結果表明:激光高速沖擊點焊的過程極短（ns量級），復板的沖擊壓力極高（GPa量級）;復板的飛行距離對焊點的表面形貌和焊接面積都有很大的影響。通過截面解剖測試發(fā)現(xiàn)，隨著復板飛行距離的增大，焊點中心的回彈特征變得越發(fā)明顯，固態(tài)連接區(qū)域面積逐漸增大。
　　接著，探究了三種材料組合(Al/Al、Cu/Al、Ti/Al)在不同的光斑直徑(3mm和5mm

4、)、脈沖激光能量(4J、4.5J、5J)和復板飛行距離(0.3mm、0.6mm、0.9mm)等條件下的激光高速沖擊點焊工藝。采用冷鑲嵌技術制備截面解剖試樣觀察焊接結合界面的形貌特征，并測試了垂直于焊接界面方向材料的納米壓痕硬度。結果表明:環(huán)狀焊接區(qū)域存在沿焊點直徑方向振幅和周期不斷變化的波狀界面和平直狀界面;臨近焊接界面區(qū)域的材料由于受到強塑性變形的影響，顯微硬度顯著提高。采用拉伸剪切測試研究焊接試樣的機械強度，實驗發(fā)現(xiàn)當復板和基板發(fā)生

5、有效固態(tài)冶金結合時其連接強度較高，失效形式通常是焊點邊緣破裂。
　　最后，利用顯式有限元軟件AUTODYN中的光滑粒子流體動力學法(SPH)和ANSYS/LS-DYNA中有限單元法(FEM)對激光高速沖擊點焊工藝進行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)SPH方法可以更好地模擬焊接界面的形貌特征和射流現(xiàn)象。FEM方法的優(yōu)勢在于揭示激光高速沖擊點焊的焊接過程、材料的動態(tài)響應和應力分布狀況。此外，通過觀測焊接區(qū)域和非連接區(qū)域的剪切應力和有效塑性變形隨時間

6、變化的情況，發(fā)現(xiàn)當復板和基板在碰撞界面處的剪切應力方向相反，有效塑性變形超過某一臨界值時，復板和基板才能實現(xiàn)有效的固態(tài)冶金結合。并且，隨著復板的沖擊速度和碰撞角度的增大，界面波形由平直狀過渡為微波狀，最后變成漩渦狀。與此同時，碰撞界面處的剪切應力和有效塑性變形也相應增大。
　　作為一種新型的高速沖擊點焊工藝，激光高速沖擊點焊技術具有較高的研究價值和良好的工業(yè)應用前景。本文研究將為同種和異種箔板金屬材料固態(tài)點焊連接的工程應用提供理論