本發(fā)明涉及異質(zhì)金屬連接領(lǐng)域，具體的說是一種增強(qiáng)Al/Cu異質(zhì)金屬接頭強(qiáng)度的冷噴焊接方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，需要將不同性能的材料焊接成復(fù)合零部件，以期達(dá)到既能滿足各種性能要求，又能節(jié)約貴重材料，降低生產(chǎn)成本。銅及其合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、耐腐蝕和低溫塑性，但銅及其合金在我國(guó)屬于稀缺金屬，價(jià)格昂貴。鋁及其合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱導(dǎo)和電導(dǎo)率高以及加工性能良好等特點(diǎn)，價(jià)格比銅便宜，因此將銅、鋁及其合金連接制成復(fù)合接頭，不但能減輕構(gòu)件的重量、節(jié)約貴重金屬材料，而且能發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，達(dá)到成本和性能的平衡。目前，鋁/銅異種金屬接頭廣泛應(yīng)用于電力、化工、制冷和航空航天工業(yè)中，因而，鋁/銅異種材料焊接問題的解決具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

焊接是實(shí)現(xiàn)鋁銅連接并滿足鋁/銅接頭導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的可靠方法，但鋁和銅焊接性較差，具體表現(xiàn)為兩種金屬都很容易被氧化，會(huì)形成氧化膜，兩者的導(dǎo)熱率和比熱性都較高，線膨脹系數(shù)及熔點(diǎn)相差較大，直接連接將產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力；此外，在高溫下，兩種金屬液體能夠吸收大量氣體，使得焊縫中出現(xiàn)氣孔，而且焊接時(shí)銅和鋁極易形成Cu₃Al₂和Cu Al₂等脆性的金屬間化合物，將極大地影響接頭的力學(xué)性能。因此，盡可能緩解異質(zhì)母材間的物理性能差異，以及減少層狀脆性金屬間化合物的形成，是獲得優(yōu)質(zhì)銅鋁焊接接頭的關(guān)鍵。

鋁/銅異種金屬現(xiàn)階段主要采用熔化焊、釬焊、攪拌摩擦焊等方法進(jìn)行連接。由于銅與鋁的物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大并且冶金相容性差，采用傳統(tǒng)熔化焊方法難以實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的可靠連接；釬焊方法對(duì)接頭的結(jié)構(gòu)尺寸有限制，而且生產(chǎn)效率相對(duì)較低；攪拌摩擦焊主要應(yīng)用于板狀材料的連接，對(duì)設(shè)備要求較高，工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，不適合復(fù)雜接頭的生產(chǎn)也不適合薄壁構(gòu)件的焊接。

相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接方法，冷噴焊具有工作溫度低，粒子與母材碰撞前溫度低于其熔點(diǎn)，對(duì)粒子和被連接金屬的熱輸入小，使粒子和被連接金屬有更廣泛的選擇空間；同時(shí)，粒子和被連接金屬基本不會(huì)發(fā)生熔融現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)氧化、相變或晶粒長(zhǎng)大，可有效避免凝固過程形成金屬間化合物，產(chǎn)生宏觀和微觀偏聚，保留粒子和被連接金屬的本來特性。然而，通過冷噴涂直接連接異質(zhì)金屬，其界面結(jié)合強(qiáng)度仍然有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于界面釘扎作用提高異質(zhì)金屬接頭強(qiáng)度的冷噴焊接方法，消除現(xiàn)有熔化焊方法中焊接接頭處因熔融產(chǎn)生的缺陷，并提高異質(zhì)金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于界面釘扎作用提高異質(zhì)金屬接頭強(qiáng)度的冷噴焊接方法，用于第一金屬與第二金屬連接，第一金屬為純銅，第二金屬為純鋁；具體包括以下步驟：

1)對(duì)第一金屬和第二金屬的坡口表面進(jìn)行預(yù)處理；

2)采用復(fù)合粉末B冷噴涂，在第一金屬和第二金屬的坡口表面垂直噴涂形成一層復(fù)合涂層；

3)采用復(fù)合粉末A冷噴涂，填滿第一金屬和第二金屬的坡口，形成沉積體，實(shí)現(xiàn)第一金屬與第二金屬的連接；

其中，復(fù)合粉末B為直徑d50為200微米的純銅粉末、直徑d50為50微米的純鋁粉末和直徑d50為50微米的純銅粉末混合組成；或者，復(fù)合粉末B為直徑d50為200微米的純銅粉末和直徑d50為50微米的純銅粉末混合組成；

復(fù)合粉末A為直徑d50為45微米純銅粉末；或者，復(fù)合粉末A為直徑d50為45微米純銅粉末和直徑d50約為50微米的純鋁粉末混合組成。

進(jìn)一步的，復(fù)合粉末A中純銅粉末占復(fù)合粉末A體積的70％～100％。

進(jìn)一步的，復(fù)合粉末B中直徑d50為200微米的純銅粉末占復(fù)合粉末B體積的30％～70％；復(fù)合粉末B中直徑d50為50微米的純銅粉末占除直徑d50為200微米的純銅粉末外的體積的50％～100％。

進(jìn)一步的，步驟1)中所述預(yù)處理具體為：將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理。

進(jìn)一步的，坡口的夾角為90-120度。

進(jìn)一步的，冷噴涂復(fù)合粉末B時(shí)，控制冷噴涂的氣流量和溫度，使復(fù)合粉末B中部分直徑d50為200微米的純銅粉末冷噴涂時(shí)嵌入母材深度大于50微米，對(duì)母材進(jìn)行釘扎，形成150微米的復(fù)合涂層。

進(jìn)一步的，冷噴涂時(shí)，飛行粒子撞擊前的溫度和被連接金屬溫度均小于對(duì)應(yīng)連續(xù)相材料的熔點(diǎn)。

進(jìn)一步的，被連接金屬坡口部位的法線與冷噴涂中飛行粒子飛行方向夾角小于60度。

進(jìn)一步的，步驟2)和步驟3)的冷噴涂參數(shù)相同，均為：噴槍采用laval噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為2.8MPa，氣體溫度為280℃。

進(jìn)一步的，步驟3)通過粒子與粒子間的累積成形將兩個(gè)獨(dú)立金屬材料在低于其熔點(diǎn)以下連接成一個(gè)連接體。

進(jìn)一步的，粒子累積成形部位和被連接兩端金屬承受同樣的工況。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)通過冷噴焊方法連接的異質(zhì)金屬接頭，粒子累加成形部位沉積致密孔隙率低，與被連接金屬有較高的結(jié)合強(qiáng)度，粒子沉積率高，粉末可回收利用，相比傳統(tǒng)焊接方法更加的經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

2)采用低溫冷噴涂連接，低溫是指飛行粒子撞擊前的溫度和被連接金屬的溫度均低于其相應(yīng)的熔點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生熔化現(xiàn)象，避免形成層狀脆性金屬間化合物，克服了傳統(tǒng)熔化焊因熱輸入大而導(dǎo)致的一些缺陷。

3)本發(fā)明方法為異質(zhì)金屬連接提供了一種新的途徑，減少焊接缺陷，提高了異質(zhì)金屬接頭的力學(xué)和理化性能。這種新的焊接方法在連接異質(zhì)金屬方面有著廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

4)本發(fā)明在冷噴涂復(fù)合粉末B時(shí)，控制冷噴涂的氣流量和溫度，使復(fù)合粉末B中部分直徑d50為200微米的純銅粉末冷噴涂時(shí)嵌入母材深度大于50微米，對(duì)母材進(jìn)行釘扎，形成150微米的復(fù)合涂層；有效增加了母材與涂層的結(jié)合力，使得接頭與純鋁的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)0.95以上。

本發(fā)明方法也適用于其他異種材料的連接，如金屬與非金屬，金屬與復(fù)合材料的連接，噴涂粉末可以參照本專利設(shè)置，也可以直接采用兩種材料的復(fù)合材料噴涂。

附圖說明

圖1和圖2是鋁銅板材對(duì)接接頭冷噴焊過程示意圖；

圖3和圖4是鋁銅板材搭接接頭冷噴焊過程示意圖；

圖5和圖6是鋁銅棒材對(duì)接接頭冷噴焊過程示意圖。

圖7是剪切試驗(yàn)中母材由于釘扎作用產(chǎn)生的劃痕。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但它們不是本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，選用50mm×40mm×8mm純銅板材1和純鋁板材2，復(fù)合粉末B為70vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、15vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末和15vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，復(fù)合粉末A為70vol％直徑d50約為45微米純銅粉末和30vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末組成。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接純鋁板材2和純銅板材1表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖1所示；然后調(diào)整噴槍軸向垂直于純鋁板材2和純銅板材1的水平表面噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5，如圖2所示。噴槍采用laval4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為2.8MPa，氣體溫度為280℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與純鋁的界面處，與純鋁的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.95以上；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕如圖7所示。

實(shí)施例2

請(qǐng)參閱圖3和圖4所示，選用用50mm×100mm×3mm純銅板材1和純鋁板材2，復(fù)合粉末B為30vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、35vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末和35vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，復(fù)合粉末A為80vol％直徑d50約為45微米純銅復(fù)合和20vol％直徑d50約為50微米的純鋁復(fù)合組成。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接純鋁板材2和純銅板材1表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖3所示；然后調(diào)整噴槍軸向與純鋁板材2呈60°夾角噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5。然后調(diào)整噴槍軸向與純銅板材1呈60°夾角噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體，如圖4所示；噴槍采用laval 4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為50mm/s，氣體壓力為3.0MPa，氣體溫度為400℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與純鋁的界面處，與純鋁的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.95以上；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕與圖7類似。

實(shí)施例3

請(qǐng)參閱圖5和圖6所示，選用直徑為5mm，長(zhǎng)度為50的純銅棒材11和純鋁棒材12，復(fù)合粉末B為60vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、20vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末和20vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，復(fù)合粉末A為90vol％直徑d50約為45微米純銅粉末和10vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末組成。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接純銅棒材11和純鋁棒材12表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖5所示；然后調(diào)整噴槍軸向垂直于純銅棒材11和純鋁棒材12的軸線噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5，如圖6所示。噴槍采用laval 4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為2.8MPa，氣體溫度為280℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與純鋁的界面處，與純鋁的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.95以上；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕與圖7類似。

實(shí)施例4

請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，選用50mm×40mm×8mm純銅板材1和純鋁板材2，復(fù)合粉末B為70vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、30vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，粉末A為直徑d50約為45微米純銅粉末。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接純鋁板材2和純銅板材1表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖1所示；然后調(diào)整噴槍軸向垂直于純鋁板材2和純銅板材1的水平表面噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5，如圖2所示。噴槍采用laval4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為4MPa，氣體溫度為400℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與純鋁的界面處，與純鋁的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.95以上；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕與圖7類似。

實(shí)施例5

請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，選用50mm×40mm×8mm鈦合金板材1和碳纖維板材2，復(fù)合粉末B為70vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、15vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末和15vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，復(fù)合粉末A為70vol％直徑d50約為45微米純銅粉末和30vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末組成。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接鈦合金板材2和碳纖維板材1表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖1所示；然后調(diào)整噴槍軸向垂直于鈦合金板材2和碳纖維板材1的水平表面噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5，如圖2所示。噴槍采用laval 4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為2.8MPa，氣體溫度為280℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與碳纖維的界面處，斷裂強(qiáng)度約為60MPa；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕與圖7類似。

實(shí)施例6

請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，選用50mm×40mm×8mm 2219鋁合金板材1和聚合物塑料PE板材2，復(fù)合粉末B為70vol％直徑d50約為200微米的純銅粉末、15vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末和15vol％直徑d50約為50微米的純銅粉末，復(fù)合粉末A為70vol％直徑d50約為45微米純銅粉末和30vol％直徑d50約為50微米的純鋁粉末組成。將坡口表面采用100目的石英砂，壓力為6atm噴砂處理；調(diào)整噴槍軸向與待連接2219鋁合金板材2和聚合物塑料PE板材1表面法線平行，噴涂復(fù)合粉末B，形成約150微米的復(fù)合涂層3，如圖1所示；然后調(diào)整噴槍軸向垂直于2219鋁合金板材2和聚合物塑料PE板材1的水平表面噴涂復(fù)合粉末A至坡口填滿形成沉積體5，如圖2所示。噴槍采用laval 4噴嘴，噴涂距離20mm，噴槍移動(dòng)速度為40mm/s，氣體壓力為2.8MPa，氣體溫度為280℃。宏觀及微觀檢查表明，接頭表面比較平滑、內(nèi)部致密無(wú)缺陷。拉伸試驗(yàn)表明，接頭斷裂發(fā)生在粒子沉積部位的復(fù)合涂層3與PE的界面處，與PE的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.8以上；剪切實(shí)驗(yàn)中，因大顆粒粒子釘扎作用形成的劃痕與圖7類似。