超声电机压电陶瓷与铜质定子弹性体钎焊工艺研究

摘要

超声电机制造过程中的关键之一是定子一体化连接技术。目前国内外主要采用有机胶粘剂连接，但胶粘工艺存在选胶困难、固化要求高、性能不稳定、不易机械化生产，以及胶接层易老化等诸多不足。因此，研究开发新的连接工艺将成为促进超声电机发展的重要方向之一。本文采用软钎焊的工艺方法，实现了超声电机压电陶瓷与铜质定子弹性体的钎焊连接。通过对Sn-40Pb、Sn-3.5Ag以及Sn-52In钎料钎焊定子进行振动有限元分析，并对三种钎料与几种钎剂匹配的回流焊工艺进行深入研究，确定了适合超声电机压电陶瓷与铜质定子弹性体软钎焊的钎料、钎剂以及最佳工艺参数。
　　首先，通过对钎焊定子进行振动有限元分析得出，三种钎焊定子都能按预期设计得到B09模态，且分别在39.41 kHz、39.77 kHz以及39.32 kHz的激励频率下达到最大幅值；在80 Vpp的定频电压激励下，最大幅值依次为2.79μm、2.79μm和3.30μm，均能满足超声电机对定子振动性能的要求。由于连接层间隙与边缘的夹角部位存在应力集中，导致三种钎焊定子连接层的最大面内剪切应力都出现在夹角部位，分别为2.07 MPa、3.04 MPa和2.91 MPa，均小于超声电机所要求的连接层最低抗剪强度。
　　之后，采用三种钎料分别进行回流焊，确定了各自对应的最佳工艺参数，并研究了峰值温度、回流时间以及钎焊压力对定子振动性能的影响。结果表明，适用于Sn-3.5Ag钎料回流焊的最佳工艺参数为峰值温度250℃、回流时间60 s、钎焊压力180 N，钎焊定子的振幅可达2.0μm，且两相驻波频率一致性好，振型无畸变，基本满足超声电机对定子振动性能的要求；适用于Sn-52In钎料回流焊的最佳工艺参数为峰值温度140℃、回流时间115 s、钎焊压力100 N，钎焊定子的振幅高达2.5μm，且两相驻波频率一致性好，振型无畸变，完全满足超声电机对定子振动性能的要求；Sn-40Pb钎料钎焊定子的振动性能较差，未能达到基本要求。
　　此外，对几种匹配钎剂的钎焊性能、腐蚀性的研究表明，松香类有机钎剂具有残渣腐蚀性小、黏度适中、助焊效果好以及使用方便等优点，是最佳的选择。
　　对Sn-52In钎料钎焊定子的相关性能进行进一步地研究发现，PZT8压电陶瓷的压电常数d33在钎焊加热前后没有发生明显变化，钎焊工艺不会影响压电陶瓷的压电性能；对Sn-52In钎料钎焊接头进行剪切试验，断裂出现在钎料与铜基板的结合面，钎焊层的抗剪强度达到6.9 MPa，满足超声电机定子对连接层力学性能的要求；将Sn-52In钎料钎焊定子装配成超声电机，其堵转力矩和空载转速分别为0.7 N· m和120 r/min，基本满足超声电机对机械特性的要求。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 陶瓷与金属钎焊难点

1.3 陶瓷与金属钎焊研究现状

1.4 回流焊工艺概述

1.5 行波型旋转超声电机简介及定子振动有限元分析

1.6 本文的研究意义及主要研究内容

第二章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 正交试验[65]

2.3 标定回流曲线进行钎焊试验

2.4 定子模态试验

2.5 钎焊加热对压电陶瓷压电性能的影响试验

2.6 钎焊接头力学性能测试

2.7 定子钎焊层显微形貌观察

2.8 超声电机机械特性试验

第三章 钎焊定子的振动有限元分析

3.1 引言

3.2 模型的建立

3.3 模态分析

3.4 谐响应分析

3.5 本章小结

第四章 回流焊过程最佳工艺参数的确定

4.1 引言

4.2 采用Sn-40Pb钎料回流焊时各工艺参数的确定

4.3 采用Sn-3.5Ag钎料回流焊时各工艺参数的确定

4.4 采用Sn-52In钎料回流焊时各工艺参数的确定

4.5 最佳匹配钎剂的确定

4.6 不同工艺参数、钎料、钎剂对钎焊定子振动性能影响原因的分析

4.7 本章小结

第五章 Sn-52In钎料钎焊定子的相关性能测试

5.1 引言

5.2 钎焊加热对压电陶瓷压电性能的影响试验结果

5.3 钎焊接头力学性能测试结果

5.4 定子钎焊层显微形貌

5.5 超声电机机械特性试验结果

5.6 本章小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文