激光高速冲击点焊工艺研究

摘要

近年来，随着微机电系统（MEMS）和微系统技术(MST)的高速发展，微器件在生物医疗、通讯电子、精密仪器等领域的应用越来越广泛，与之相关的微型材料焊接技术的研究显得越发重要。高速冲击点焊作为一种固态焊接工艺，其优势在于可以实现熔点相差很大的异种金属材料的点焊连接，并且结合区域不存在热影响区和金属间化合物，因此具有极高的工业应用前景。
　　本文基于高速冲击点焊的结合机理，并借鉴激光诱导冲击波的驱动加载的方式提出了一种新型的激光高速冲击点焊方法，旨在探究复板厚度在100μm以下的同种和异种箔板金属间的固态点焊连接工艺。
　　首先，研究了激光高速冲击点焊的相关基础理论，包括激光与物质相互作用的力效应模型、高速冲击焊接界面波产生的前提、波形特征和结合机理。
　　其次，设计并搭建了激光高速冲击点焊的实验平台，选择厚度为30μm的钛箔为复板、100μm的铝箔为基板，对影响激光高速冲击点焊连接质量的主要工艺参数，包括复板的冲击速度、碰撞角度和飞行距离进行理论和实验研究。采用PVDF压力传感器系统来测试复板的冲击压力，并对复板的最大冲击速度进行估算。研究结果表明:激光高速冲击点焊的过程极短（ns量级），复板的冲击压力极高（GPa量级）;复板的飞行距离对焊点的表面形貌和焊接面积都有很大的影响。通过截面解剖测试发现，随着复板飞行距离的增大，焊点中心的回弹特征变得越发明显，固态连接区域面积逐渐增大。
　　接着，探究了三种材料组合(Al/Al、Cu/Al、Ti/Al)在不同的光斑直径(3mm和5mm)、脉冲激光能量(4J、4.5J、5J)和复板飞行距离(0.3mm、0.6mm、0.9mm)等条件下的激光高速冲击点焊工艺。采用冷镶嵌技术制备截面解剖试样观察焊接结合界面的形貌特征，并测试了垂直于焊接界面方向材料的纳米压痕硬度。结果表明:环状焊接区域存在沿焊点直径方向振幅和周期不断变化的波状界面和平直状界面;临近焊接界面区域的材料由于受到强塑性变形的影响，显微硬度显著提高。采用拉伸剪切测试研究焊接试样的机械强度，实验发现当复板和基板发生有效固态冶金结合时其连接强度较高，失效形式通常是焊点边缘破裂。
　　最后，利用显式有限元软件AUTODYN中的光滑粒子流体动力学法(SPH)和ANSYS/LS-DYNA中有限单元法(FEM)对激光高速冲击点焊工艺进行数值模拟。研究发现SPH方法可以更好地模拟焊接界面的形貌特征和射流现象。FEM方法的优势在于揭示激光高速冲击点焊的焊接过程、材料的动态响应和应力分布状况。此外，通过观测焊接区域和非连接区域的剪切应力和有效塑性变形随时间变化的情况，发现当复板和基板在碰撞界面处的剪切应力方向相反，有效塑性变形超过某一临界值时，复板和基板才能实现有效的固态冶金结合。并且，随着复板的冲击速度和碰撞角度的增大，界面波形由平直状过渡为微波状，最后变成漩涡状。与此同时，碰撞界面处的剪切应力和有效塑性变形也相应增大。
　　作为一种新型的高速冲击点焊工艺，激光高速冲击点焊技术具有较高的研究价值和良好的工业应用前景。本文研究将为同种和异种箔板金属材料固态点焊连接的工程应用提供理论和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 激光冲击焊接工艺及其研究概况

1．3 高速冲击点焊工艺及其研究概况

1．3．1 水射流冲击点焊

1．3．2 弹丸冲击点焊

1．4 传统高速冲击点焊工艺的局限性

1．5 激光高速冲击点焊工艺的提出与原理

1．5．1 激光高速冲击点焊工艺的提出

1．5．2 激光高速冲击点焊工艺的原理

1．6 本课题的来源，主要内容和研究意义

1．6．1 主要内容和研究意义

1．6．2 课题来源

第二章 激光高速冲击点焊的理论研究

2．1 激光与物质相互作用的力效应模型

2．1．1 激光与物质的相互作用

2．1．2 激光诱导冲击波的压力计算

2．1．3 激光诱导冲击波的时空分布

2．2 高速冲击焊接界面形成的前提

2．3 高速冲击焊接界面波特征

2．4 焊接界面波的形成原理

2．4．1 涡旋流泻机理

2．4．2 复板流彻机理

2．4．3 失稳机理

2．4．4 应力波机理

2．5 本章小结

第三章 激光高速冲击点焊的工艺参数研究

3．1 激光器设备与实验参数

3．2 激光高速冲击点焊的冲击压力测试

3．2．1 压力测试装置

3．2．2 PVDF测试原理

3．2．3 冲击压力测试结果与讨论

3．3 激光高速冲击点焊的冲击速度

3．4 激光高速冲击点焊的碰撞角度

3．5 复板飞行距离对焊接的影响

3．6 本章小结

第四章 激光高速冲击点焊的焊接特性实验研究

4．1 激光高速冲击点焊实验准备

4．1．1 材料的选择

4．1．2 实验设计

4．1．3 实验样品获取

4．2 实验检测设备

4．3 实验结果与分析

4．3．1 焊接试样的表面形貌

4．3．2 焊接界面的形貌

4．3．3 焊接界面的纳米压痕硬度

4．3．4 焊接试样的拉伸剪切强度

4．4 本章小结

第五章 激光高速冲击点焊的数值模拟

5．1 基于SPH方法的数值模拟

5．1．1 SPH方法

5．1．2 模拟软件

5．1．3 材料状态方程

5．1．4 材料状态强度模型

5．1．5 有限元模型建立

5．2 数值模拟结果与讨论

5．2．1 剪切应力和有效塑性变形分析

5．2．2 复板飞行距离对焊接的影响

5．2．2 复板冲击速度对焊接的影响

5．3 基于FEM方法的数值模拟

5．3．1 FEM方法与模拟软件

5．3．2 材料本构模型和冲击压力模型

5．3．3 有限元模型建立

5．4 数值模拟结果与讨论

5．4．1 焊接过程分析

5．4．2 复板应力场分析

5．4．3 剪切应力、有效塑性变形和冲击压力分析

5．4．4 脉冲激光能量对焊接的影响

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

致谢