超声作用下液态钎料填缝过程的数值模拟研究

摘要

超声波辅助钎焊可以在非真空环境下不使用钎剂实现对难润湿材料的良好焊接。引入超声波可以在液态钎料中产生空化效应，去除母材表面的氧化膜，实现待焊母材间良好的润湿结合。同时，超声波的引入的提升了钎料的填缝速率，从而提高焊接效率。液态钎料的填缝作为超声波辅助钎焊过程中重要的环节，其效果好坏将对焊接接头质量产生决定性的影响。目前关于它声致填缝的研究主要是通过改变焊接工艺参数，观察钎料凝固后的形貌，而对该过程中伴随的现象并没有很好的揭示。本文通过数值模拟手段研究液态钎料填缝过程的动态行为，结合流体力学知识，探讨填缝过程的驱动力，尝试解释填缝过程驱动力力的本质，并分析试验工艺参数对填缝过程的影响规律。
　　通过对液态钎料填缝过程的动态行为进行模拟，发现液态钎料在一个超声周期内便有着向前填缝与向后回缩的交替变化，一个周期内总的行为为向前的填缝，随着超声的持续作用，多个超声周期的累积，表现为宏观上不断的向前填缝。对钎料内部的声压值及速度矢量值进行研究发现，二者均呈周期性的类正弦的变化。结合填缝过程的动态行为及流体力学知识，推导出了液态钎料填缝过程的驱动力，且由该驱动力公式可知促使液态钎料的填缝主要是受到局部区域的平均超声附加压力梯度差的作用。取填缝方向为正向，当平均超声附加压力梯度差为正向且达到一定数值，填缝过程方能发生，初始时刻平均超声压力梯度差越大，预示着填缝的速度将会越快。
　　本文研究了水平及竖直两种状态下液体介质填缝的动态行为，并研究了填缝过程的几个主要影响因素对填缝过程的影响。研究发现超声频率减小到5kHz、振幅减小到2μm、间隙尺寸减小到0.1mm时，填缝过程均不能发生，这是由于平均超声压力梯度差没有达到驱动液态钎料填缝所需数值。当超声频率越大、超声振幅越大、合适的间隙尺寸范围内间隙越小时，初始时刻的平均超声压力梯度将越大，液态钎料能越快地填缝。最后对超声作用下液态钎料填缝过程的数值模拟结果的正确性进行了实验验证。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的

1.2 超声波辅助钎焊工艺研究现状

1.3 声致填缝研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 设备与装置

2.3 研究方法与步骤

第3章 超声作用下液态钎料水平填缝的数值模拟

3.1 水平填缝固体母材的振动特性研究

3.2 水平填缝的动态行为研究

3.3 水平填缝的驱动力分析

3.4 水平填缝的动态行为的影响因素分析

3.5 本章小结

第4章 超声作用下液态介质的竖直填缝模拟研究

4.1 竖直填缝固体母材的振动特性研究

4.2 竖直填缝的动态行为模拟

4.3 竖直填缝的驱动力分析

4.4 竖直填缝的动态行为的影响因素

4.5 填缝行为的实验验证

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢