CN101643899A

CN101643899A - 一种异种金属焊接中间层的制备方法

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Publication number: CN101643899A
Application number: CN200910018267A
Authority: CN
Inventors: 李相波; 黄国胜; 李海涛
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2009-09-05
Filing date: 2009-09-05
Publication date: 2010-02-10

Abstract

本发明属于金属材料焊接技术领域，涉及船舶材料加工技术场合中的异种金属材料焊接中间层的制备方法，特别涉及钛、铜、铝等轻合金中间涂层材料的冷喷涂制备方法，采用冷喷涂技术方法，先在一种母材A待焊接接头部位喷涂一层金属C中间涂层，其涂层厚度调节范围为0.01～20mm；然后采用同种金属焊接常用的工艺方法将焊接母材B与喷涂的金属C中间涂层相焊接；其中，母材A包括不锈钢、碳钢、铜、钛、铝或镁金属基体；母材B包括铜、钛或铝金属材料，A和B为两种异种金属材料；喷涂的金属C中间涂层包括铝箔、锡或母材B中的一种；其工艺路线合理可靠，焊接质量好，适于异种金属的焊接，节省时间和材料，成本低。

Description

一种异种金属焊接中间层的制备方法

技术领域：

本发明属于金属材料焊接技术领域，涉及船舶材料加工技术场合中的一种异种金属材料焊接中间层的制备方法，特别涉及钛、铜、铝等轻合金中间涂层材料的冷喷涂制备方法。

背景技术：

钛、铜、铝等有色金属合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中。目前最常用的焊接方法是手工焊(MMA)，其次是金属极气体保护焊(MIG/MAG)和钨极惰性气体保护焊(TIG)。异种金属之间有时采用直接焊接，有时采用添加中间层的方式来改进焊接接头的性能，但对于轻合金材料的焊接来说目前存在以下几个技术缺陷：①焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍轻合金应用的最大障碍；②轻合金表面易产生难熔的氧化膜(如A1203其熔点为2060℃)，这就需要采用大功率密度的焊接工艺；③轻合金焊接容易产生气孔；④轻合金焊接易产生热裂纹。不少专利文章也提出了目前焊接方法所存在的问题。

发明专利(200810064272.2)铝钢异种金属预涂层连接方法中公开了一种铝钢异种金属的连接方法。该发明解决了现有的MIG熔-钎焊方法受限于铝基钎料与钢板之间的润湿性致使钎料在钢板上铺展性能欠佳，焊缝成形差的问题。用丙酮擦拭钢板与铝板的表面，用刷子将混合粉末与黏结剂拌和的膏状体刷涂在钢板表面上，待钢板表面干燥后，将钢板与铝板组成铝板在上、钢板在下的搭接接头，利用MIG焊机通过熔化铝板，同时保持钢板为固态，在钢板一侧形成自钎钎焊连接，而在铝板侧形成熔化焊连接来对搭接接头进行焊接。该发明提高了铝基钎料在其上的铺展性能，最后可以获得成形美观，力学性能优异，强度可靠的铝钢异种金属接头，接头的拉伸强度可以达到铝母材的80％以上。它由以下步骤完成：一、用丙酮擦拭钢板与铝板的表面；二、用刷子将混合粉末与黏结剂拌和的膏状体刷在钢板表面上形成涂层；三、待钢板表面干燥后，将钢板与铝板组成铝板在上、钢板在下的搭接接头，其中钢板上刷涂涂层的表面与铝板接触；四、利用MIG焊机通过熔化铝板，同时保持钢板为固态，在钢板一侧形成自钎钎焊连接，而在铝板侧形成熔化焊连接来对搭接接头进行焊接。

发明专利(200510096434.7)：镁合金与钛合金扩散焊接方法中公开了一种镁合金与钛合金扩散焊接方法，包括下述步骤：根据镁合金与钛合金的特性，选择Al箔作为镁合金与钛合金的焊接中间层，并清洁处理镁合金与钛合金的焊接面以及Al箔中间层；将Al箔中间层置于镁合金与钛合金之间，并放置于真空扩散焊炉内上压头和下压头之间，在压头与镁合金、压头与钛合金之间放置阻焊层，施加预压力压实；对扩散焊炉抽真空，当真空度优于4.0*10^-3Pa时，加热到200℃并保温5～10min，充入氩气，当真空室压力达到100～220Pa时，关闭充气阀。继续升温至450～495℃，并保温60～180min，并在450～495℃保温过程前30min施加0.3～1MPa轴向压力，之后完全卸压，达到保温时间后随炉冷却。这种使用Al箔中间层的扩散焊接方法，可实现钛合金与镁合金的焊接。但是焊接工艺非常复杂，并且中间铝箔的过渡层对镁钛合金的之间连接性能影响很大。

《焊接学报》2005.26(7)：5～8-镁铝异种材料TIG焊接接头扩散行为分析中表明镁铝直接焊接时，镁与铝之间有明显的界面，镁元素向铝母材中进行大量扩散形成扩散层，铝元素向镁母材中的扩散很少，这种扩散层很容易发生断裂。如果采用镀锡焊接，采用熔焊-钎焊连接方法，中间过渡金属锡与母材之间形成了一个成分、组织和性能均不相同的过渡区，该区对接头性能有着较大的影响，锡过渡层对镁与铝的直接接触起到了一定得阻碍作用。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种工艺简单、焊接性能良好的轻合金(铜、钛、铝等)焊接中间层的冷喷涂制备方法。所谓冷喷涂是基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的喷涂技术，其原理是先将高压气体(He、N2、空气或它们的混合气体等)导入特殊设计的拉瓦尔喷嘴(Laval nozzle)，高压气体流过喷嘴喉部后将产生超音速流动，得到高速气流(300-1200m/s)；然后再利用高压气体携带粉末颗粒(5～50ixm)从轴向进入喷枪产生高速射流，粉末颗粒在完全固态下高速撞击基体，通过产生较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层；在这一过程中，高压气体可以预热，以提高气流速度，从而增加粒子速度；另一方面增加粒子的碰撞温度，从而提高粒子的变形能力；预热温度根据材料不同，一般在100～700℃，但远低于材料熔点，其形成的涂层残余应力小，且为压应力，有利于沉积厚涂层；涂层致密，气孔率低；产生了高硬度的冷加工微结构。

为了实现上述目的，本发明的技术思路是采用冷喷涂技术方法，先在一种母材A待焊接接头部位喷涂一层需要焊接的中间金属C涂层，涂层厚度根据焊接需要进行调节，一般为0.01～20mm；然后采用同种金属焊接常用的工艺方法将另一种焊接母材B与喷涂的金属C涂层相焊接；其中，母材A包括不锈钢、碳钢、铜、钛、铝和镁金属基体；母材B包括铜、钛和铝金属材料，A和B为两种异种金属材料；喷涂的中间金属C涂层包括铝箔和锡或母材B中的一种；喷涂的中间金属C涂层的制备过程如下：

1)将母材A基体待焊接部位喷砂至Sa 2.5级，达到一般表面预处理要求；

2)取压缩空气(或氮气)预热至200～400度；

3)将10～100微米粒径的中间金属C粉末加入送粉器，在0.5～2.5Mpa压力下经过拉瓦尔喷嘴进行喷涂；

4)控制拉瓦尔喷嘴与母材A基体的距离保持在10～50mm；

5)待2～10分钟内，在母材A基体表面即可沉积10微米～2厘米厚的中间层金属C涂层；

6)中间金属C涂层成分含氧量较低，与母材A基体的结合强度达到10Mpa以上，无热影响区；

7)中间金属C涂层与母材B之间形成一个成分、组织和性能均相同的过渡区，改进焊接接头的性能。

本发明方法避免了目前采用其他中间焊接材料所引起的过渡层问题，解决了焊接区与母材之间的结合问题，将复杂的异种金属焊接转化为简单的同种金属材料焊接，可提高焊接工艺的可靠性，为异种金属材料焊接改善焊接接头性能开辟了新的道路。

附图说明：

图1为本发明的实施时不锈钢棒外表面冷喷涂钛涂层图。

图2为本发明的实施时不锈钢基体与钛涂层横截面结构图。

图3为本发明的实施时不锈钢管与钛环之间的焊接结构图

图4为本发明的实施时碳钢棒外表面喷涂铜涂层图。

图5为本发明的实施时碳钢基体与铜涂层的横截面结构图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步的说明。

本实施例采用冷喷涂技术，先在一种母材A待焊接接头部位喷涂一层中间金属C涂层，涂层厚度为0.1～10mm；然后采用常规的同种金属焊接工艺方法将另一种焊接母材B与喷涂的中间金属C涂层相焊接；本实施例的母材A包括不锈钢、碳钢、铜、钛、铝或镁金属基体；母材B包括铜、钛或铝金属材料，A和B为两种异种金属材料；中间金属C涂层包括铝箔和锡或母材B中的一种；当在母材A上冷喷涂中间金属C涂层为母材B中的一种时，为母材B之间的同种金属焊接。

实施例1：不锈钢与钛异种金属焊接，中间金属钛涂层

先在不锈钢(1Cr13)棒表面，控制喷涂温度300～500度、压力为2.0～3.5Mpa、喷嘴距离为15～30mm条件下运用冷喷涂技术制备中间金属钛涂层，外形和横截面形貌见图1、图2，实际焊接结构见图3，采用手工钨极氩弧焊(TIG)，焊接后冷喷涂的钛涂层与母材不锈钢基体之间结合良好，并具有良好的可机加工性能，与钛材性能相似，可以在常规条件下实现不锈钢与钛材的异种材料焊接。

实施例2：碳钢与铜异种金属焊接，中间金属铜涂层

先在碳钢棒表面，控制温度250～450度、压力为1.5～3.5Mpa、喷嘴距离为10～40mm条件下运用冷喷涂技术冷喷涂中间金属纯铜涂层，外形和横截面形貌见图4、图5，冷喷涂的纯铜涂层与碳钢基体之间结合良好，并具有良好的可机加工性能，与纯铜材性能相似，再在中间金属铜涂层上焊接铜，可以实现与铜材的同种材料焊接。

经测试，本实施例焊接的异种金属接头，其各种物理、化学或机械性能均符合设计要求，其主要技术指标均达理想值。

Claims

1、一种异种金属焊接中间层的制备方法，其特征在于采用冷喷涂技术方法，先在一种母材A待焊接接头部位喷涂一层金属C中间涂层，其涂层厚度调节范围为0.01～20mm；然后采用同种金属焊接常用的工艺方法将焊接母材B与喷涂的金属C中间涂层相焊接；其中，母材A包括不锈钢、碳钢、铜、钛、铝或镁金属基体；母材B包括铜、钛或铝金属材料，A和B为两种异种金属材料；喷涂的金属C中间涂层包括铝箔、锡或母材B中的一种；喷涂金属C中间涂层的制备过程为：

1)将母材A基体待焊接部位喷砂至Sa 2.5级；

2)取压缩空气或氮气预热至200～500℃；

3)将10～100微米粒径的金属C粉末加入送粉器，在0.5～2.5Mpa压力下进行喷涂；

4)控制喷嘴与母材A基体的距离保持在10～50mm；

5)待2～10分钟内，在母材A基体表面沉积10微米～2厘米厚的金属C中间涂层；

6)金属C中间涂层与母材A基体的结合强度达到10Mpa以上，无热影响区；

7)金属C中间涂层与母材B之间形成成分、组织和性能均相同的过渡区。