基于界面钉扎作用提高异质金属接头强度的冷喷焊接方法

摘要

本发明公开一种基于界面钉扎作用提高异质金属接头强度的冷喷焊接方法，用于第一金属与第二金属连接，第一金属为纯铜，第二金属为纯铝；具体包括：1)对第一金属和第二金属的坡口表面进行预处理；2)采用复合粉末B冷喷涂，在第一金属和第二金属的坡口表面形成一层复合涂层；3)采用复合粉末A冷喷涂，填满第一金属和第二金属的坡口，形成沉积体，实现第一金属与第二金属的连接。本发明通过喷涂一定厚度的具有钉扎作用的界面增强作用的复合涂层，然后冷喷涂形成沉积体，连接具有一定坡口的异质金属接头，最终的得到结合强度高的连接体。本发明可以实现复杂结构铝与铜的连接，界面接合强度高，连接过程温度低，基本没有氧化和新相的生成。

说明书

技术领域

本发明涉及异质金属连接领域，具体的说是一种增强Al/Cu异质金属接头强度的冷喷焊接方法。

背景技术

现代工业生产中，需要将不同性能的材料焊接成复合零部件，以期达到既能满足各种性能要求，又能节约贵重材料，降低生产成本。铜及其合金具有优良的导电、导热性能、耐腐蚀和低温塑性，但铜及其合金在我国属于稀缺金属，价格昂贵。铝及其合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、热导和电导率高以及加工性能良好等特点，价格比铜便宜，因此将铜、铝及其合金连接制成复合接头，不但能减轻构件的重量、节约贵重金属材料，而且能发挥各自的性能优势，达到成本和性能的平衡。目前，铝/铜异种金属接头广泛应用于电力、化工、制冷和航空航天工业中，因而，铝/铜异种材料焊接问题的解决具有广泛的实际应用价值。

焊接是实现铝铜连接并满足铝/铜接头导电、导热性能的可靠方法，但铝和铜焊接性较差，具体表现为两种金属都很容易被氧化，会形成氧化膜，两者的导热率和比热性都较高，线膨胀系数及熔点相差较大，直接连接将产生很大的焊接应力；此外，在高温下，两种金属液体能够吸收大量气体，使得焊缝中出现气孔，而且焊接时铜和铝极易形成Cu₃Al₂和Cu>2等脆性的金属间化合物，将极大地影响接头的力学性能。因此，尽可能缓解异质母材间的物理性能差异，以及减少层状脆性金属间化合物的形成，是获得优质铜铝焊接接头的关键。

铝/铜异种金属现阶段主要采用熔化焊、钎焊、搅拌摩擦焊等方法进行连接。由于铜与铝的物理、化学性质差异较大并且冶金相容性差，采用传统熔化焊方法难以实现铝/铜异种金属的可靠连接；钎焊方法对接头的结构尺寸有限制，而且生产效率相对较低；搅拌摩擦焊主要应用于板状材料的连接，对设备要求较高，工艺参数要求严格，不适合复杂接头的生产也不适合薄壁构件的焊接。

相对于传统的焊接方法，冷喷焊具有工作温度低，粒子与母材碰撞前温度低于其熔点，对粒子和被连接金属的热输入小，使粒子和被连接金属有更广泛的选择空间；同时，粒子和被连接金属基本不会发生熔融现象，不会出现氧化、相变或晶粒长大，可有效避免凝固过程形成金属间化合物，产生宏观和微观偏聚，保留粒子和被连接金属的本来特性。然而，通过冷喷涂直接连接异质金属，其界面结合强度仍然有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于界面钉扎作用提高异质金属接头强度的冷喷焊接方法，消除现有熔化焊方法中焊接接头处因熔融产生的缺陷，并提高异质金属之间的结合强度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于界面钉扎作用提高异质金属接头强度的冷喷焊接方法，用于第一金属与第二金属连接，第一金属为纯铜，第二金属为纯铝；具体包括以下步骤：

1)对第一金属和第二金属的坡口表面进行预处理；

2)采用复合粉末B冷喷涂，在第一金属和第二金属的坡口表面垂直喷涂形成一层复合涂层；

3)采用复合粉末A冷喷涂，填满第一金属和第二金属的坡口，形成沉积体，实现第一金属与第二金属的连接；

其中，复合粉末B为直径d50为200微米的纯铜粉末、直径d50为50微米的纯铝粉末和直径d50为50微米的纯铜粉末混合组成；或者，复合粉末B为直径d50为200微米的纯铜粉末和直径d50为50微米的纯铜粉末混合组成；

复合粉末A为直径d50为45微米纯铜粉末；或者，复合粉末A为直径d50为45微米纯铜粉末和直径d50约为50微米的纯铝粉末混合组成。

进一步的，复合粉末A中纯铜粉末占复合粉末A体积的70％～100％。

进一步的，复合粉末B中直径d50为200微米的纯铜粉末占复合粉末B体积的30％～70％；复合粉末B中直径d50为50微米的纯铜粉末占除直径d50为200微米的纯铜粉末外的体积的50％～100％。

进一步的，步骤1)中所述预处理具体为：将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理。

进一步的，坡口的夹角为90-120度。

进一步的，冷喷涂复合粉末B时，控制冷喷涂的气流量和温度，使复合粉末B中部分直径d50为200微米的纯铜粉末冷喷涂时嵌入母材深度大于50微米，对母材进行钉扎，形成150微米的复合涂层。

进一步的，冷喷涂时，飞行粒子撞击前的温度和被连接金属温度均小于对应连续相材料的熔点。

进一步的，被连接金属坡口部位的法线与冷喷涂中飞行粒子飞行方向夹角小于60度。

进一步的，步骤2)和步骤3)的冷喷涂参数相同，均为：喷枪采用laval喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为2.8MPa，气体温度为280℃。

进一步的，步骤3)通过粒子与粒子间的累积成形将两个独立金属材料在低于其熔点以下连接成一个连接体。

进一步的，粒子累积成形部位和被连接两端金属承受同样的工况。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1)通过冷喷焊方法连接的异质金属接头，粒子累加成形部位沉积致密孔隙率低，与被连接金属有较高的结合强度，粒子沉积率高，粉末可回收利用，相比传统焊接方法更加的经济环保。

2)采用低温冷喷涂连接，低温是指飞行粒子撞击前的温度和被连接金属的温度均低于其相应的熔点，不会发生熔化现象，避免形成层状脆性金属间化合物，克服了传统熔化焊因热输入大而导致的一些缺陷。

3)本发明方法为异质金属连接提供了一种新的途径，减少焊接缺陷，提高了异质金属接头的力学和理化性能。这种新的焊接方法在连接异质金属方面有着广阔的工业应用前景。

4)本发明在冷喷涂复合粉末B时，控制冷喷涂的气流量和温度，使复合粉末B中部分直径d50为200微米的纯铜粉末冷喷涂时嵌入母材深度大于50微米，对母材进行钉扎，形成150微米的复合涂层；有效增加了母材与涂层的结合力，使得接头与纯铝的强度系数达0.95以上。

本发明方法也适用于其他异种材料的连接，如金属与非金属，金属与复合材料的连接，喷涂粉末可以参照本专利设置，也可以直接采用两种材料的复合材料喷涂。

附图说明

图1和图2是铝铜板材对接接头冷喷焊过程示意图；

图3和图4是铝铜板材搭接接头冷喷焊过程示意图；

图5和图6是铝铜棒材对接接头冷喷焊过程示意图。

图7是剪切试验中母材由于钉扎作用产生的划痕。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明，但它们不是本发明的限定。

实施例1

请参阅图1和图2所示，选用50mm×40mm×8mm纯铜板材1和纯铝板材2，复合粉末B为70vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、15vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末和15vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，复合粉末A为70vol％直径d50约为45微米纯铜粉末和30vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末组成。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接纯铝板材2和纯铜板材1表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图1所示；然后调整喷枪轴向垂直于纯铝板材2和纯铜板材1的水平表面喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5，如图2所示。喷枪采用laval4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为2.8MPa，气体温度为280℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与纯铝的界面处，与纯铝的强度系数可达0.95以上；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕如图7所示。

实施例2

请参阅图3和图4所示，选用用50mm×100mm×3mm纯铜板材1和纯铝板材2，复合粉末B为30vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、35vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末和35vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，复合粉末A为80vol％直径d50约为45微米纯铜复合和20vol％直径d50约为50微米的纯铝复合组成。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接纯铝板材2和纯铜板材1表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图3所示；然后调整喷枪轴向与纯铝板材2呈60°夹角喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5。然后调整喷枪轴向与纯铜板材1呈60°夹角喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体，如图4所示；喷枪采用laval 4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为50mm/s，气体压力为3.0MPa，气体温度为400℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与纯铝的界面处，与纯铝的强度系数可达0.95以上；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕与图7类似。

实施例3

请参阅图5和图6所示，选用直径为5mm，长度为50的纯铜棒材11和纯铝棒材12，复合粉末B为60vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、20vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末和20vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，复合粉末A为90vol％直径d50约为45微米纯铜粉末和10vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末组成。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接纯铜棒材11和纯铝棒材12表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图5所示；然后调整喷枪轴向垂直于纯铜棒材11和纯铝棒材12的轴线喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5，如图6所示。喷枪采用laval 4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为2.8MPa，气体温度为280℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与纯铝的界面处，与纯铝的强度系数可达0.95以上；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕与图7类似。

实施例4

请参阅图1和图2所示，选用50mm×40mm×8mm纯铜板材1和纯铝板材2，复合粉末B为70vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、30vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，粉末A为直径d50约为45微米纯铜粉末。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接纯铝板材2和纯铜板材1表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图1所示；然后调整喷枪轴向垂直于纯铝板材2和纯铜板材1的水平表面喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5，如图2所示。喷枪采用laval4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为4MPa，气体温度为400℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与纯铝的界面处，与纯铝的强度系数可达0.95以上；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕与图7类似。

实施例5

请参阅图1和图2所示，选用50mm×40mm×8mm钛合金板材1和碳纤维板材2，复合粉末B为70vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、15vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末和15vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，复合粉末A为70vol％直径d50约为45微米纯铜粉末和30vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末组成。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接钛合金板材2和碳纤维板材1表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图1所示；然后调整喷枪轴向垂直于钛合金板材2和碳纤维板材1的水平表面喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5，如图2所示。喷枪采用laval 4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为2.8MPa，气体温度为280℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与碳纤维的界面处，断裂强度约为60MPa；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕与图7类似。

实施例6

请参阅图1和图2所示，选用50mm×40mm×8mm 2219铝合金板材1和聚合物塑料PE板材2，复合粉末B为70vol％直径d50约为200微米的纯铜粉末、15vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末和15vol％直径d50约为50微米的纯铜粉末，复合粉末A为70vol％直径d50约为45微米纯铜粉末和30vol％直径d50约为50微米的纯铝粉末组成。将坡口表面采用100目的石英砂，压力为6atm喷砂处理；调整喷枪轴向与待连接2219铝合金板材2和聚合物塑料PE板材1表面法线平行，喷涂复合粉末B，形成约150微米的复合涂层3，如图1所示；然后调整喷枪轴向垂直于2219铝合金板材2和聚合物塑料PE板材1的水平表面喷涂复合粉末A至坡口填满形成沉积体5，如图2所示。喷枪采用laval 4喷嘴，喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，气体压力为2.8MPa，气体温度为280℃。宏观及微观检查表明，接头表面比较平滑、内部致密无缺陷。拉伸试验表明，接头断裂发生在粒子沉积部位的复合涂层3与PE的界面处，与PE的强度系数可达0.8以上；剪切实验中，因大颗粒粒子钉扎作用形成的划痕与图7类似。