CN106563887B - 一种三步法四界面体系的异质材料接头结构及其连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三步法四界面体系的异质材料接头结构及其连接方法，包括以下步骤：1)对母材A和母材B的连接表面进行预处理；2)对母材A的连接表面进行冷喷涂，形成涂层C；对母材B的连接表面进行冷喷涂，形成涂层D；3)采用对接或搭接方式将涂层C和涂层D进行焊接，形成焊缝E；焊接过程中控制焊接参数，使母材A、B与冷喷涂涂层C、D的界面不发生熔化或局部熔化。本发明通过使用涂层技术将两种难以连接的异质材料连接的转变成容易连接材料间的连接。通过合理的控制界面的热输入，解决了异种材料巨大的热物性能差异在常规连接方法上的各种局限，提高了接头连接性能。该方法为异种材料的连接提供了新的方法。

Description

一种三步法四界面体系的异质材料接头结构及其连接方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及两种异质材料的连接结构及方法。
背景技术
有色金属具有质轻、比强度高，良好的导热性、高的比强度导电性和耐腐蚀性以及性能可靠等特点，已成为使用广泛的轻质金属材料之一。黑色金属和有色金属异质复合结构能够充分发挥两种材料的固有优势，具有特殊的物理性能，质量轻、强度高以及耐蚀性好等综合优势，在汽车制造、航空航天等领域的应用越来越广泛。非金属材料如碳材料、硅酸盐系同样具有十分特殊的物理性能，在特定领域发挥着不可替代的作用。然而非金属与金属材料之间熔点、结构相差巨大，固溶度低，热物理性能及力学性能差异大，常规的连接方法如胶粘能不能满足使用性能；金属材料的焊接方法会直接影响，甚至破坏非金属材料的组织组成。
目前，两种熔点相差较大的金属材料的连接工艺方法大体上分为熔焊、钎焊或固态连接工艺。使用熔化焊接可以进行两种熔点相差不大材料之间的连接，对于熔点差异较大的两种材料不能够同时处于熔化或熔融状态，特别是高熔点的碳材料和陶瓷材料，熔点甚至超过了部分有色金属的沸点，使得二者很难熔合，热导率的差异使两者很难均匀加热，线膨胀系数差异导致焊接过程中在焊接接头的侧面产生残余热应力，使接头严重变形，并且这种变形不能通过热处理来消除，影响接头的性能；部分陶瓷、碳材料可以使用直接金属钎焊工艺在低于两种材料的熔点下，合理的选择钎料成分来控制界面结合过程，以获得具有良好力学性能的异种金属接头；使用铆接结构几乎可以实现上述材料的固相连接，但这种方法对工件的尺寸有很大的要求，并不能解决弹性模量不同所造成的结构变形；使用胶粘也可以实现金属材料和非金属材料的连接，但胶粘材料限制了工件的使用场合，同时也不能承受动载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种三步法四界面体系的异质材料接头结构及其连接方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，包括以下步骤：
1）对母材A和母材B的连接表面进行预处理；
2）对母材A的连接表面进行冷喷涂，形成涂层C；对母材B的连接表面进行冷喷涂，形成涂层D；
3）采用对接或搭接方式将涂层C和涂层D进行焊接，形成焊缝E；焊接过程中控制焊接参数，使母材A、B与冷喷涂涂层C、D的界面不发生熔化或局部熔化。
进一步的，步骤1）中具体为：对母材A、B的连接表面进行喷砂处理，然后将其固定在夹具上，使工件表面法线与冷喷涂枪轴向垂直。
进一步的，步骤2）中采用粒径20～50μm的金属粒子对母材A、B的连接表面进行冷喷涂；技术离子以固态形式撞击母材A、B待连接表面，形成涂层C、D。
进一步的，所述金属粒子为铝基粉末、铜基粉末、钛基粉末或不锈钢粉末。
进一步的，金属粒子撞击前的温度小于沉积母材连续相材料的熔点。
进一步的，涂层C和涂层D焊接时，对接接触界面间隙小于0.5mm。
进一步的，涂层C的厚度c和涂层D的厚度d均小于2mm，焊缝E的厚度e小于5mm。
进一步的，步骤3）中所述焊接为激光焊接、弧焊或钎焊。
进一步的，涂层C与涂层D的材料体系与母材A和母材B不同；涂层C与涂层D为相同材料体系或者两者能够形成无限固溶体；母材A和母材B材质不同，为金属、合金、无机非金属材料或者复合材料。
一种三步法四界面体系的异质材料连接方法所获得的异质材料结构结构，包括母材A和母材B，母材A的连接表面设有一层冷喷涂涂层C，母材B的连接表面设有一层冷喷涂涂层D；涂层C和涂层D之间通过焊缝E连接；存在母材A与涂层C，涂层C与焊缝E，焊缝E与涂层D，涂层D与母材B的四个连接界面。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明将冷喷涂方法和传统焊接方法结合，通过在第一母材和第二母材的焊接面上沉积与母材不形成金属间化合物的金属涂层，然后进行金属涂层的焊接，消除由于热物理性能差异和生成连片脆硬金属间化合物等原因造成的焊接接头性能恶化，提高接头连接强度。
本发明有效的解决了金属与陶瓷或有机材料难以焊接的问题，从而改善焊接接头性能；对于钎焊来讲，由于一侧母材先有了足够的连接，该方法不涉及钎料和母材间的润湿。对于熔焊来讲，不涉及两种异质母材的直接连接，而是转变为涂层的连接。由于冷喷涂涂层的多样性，多变性和大规模自动化更为异质材料连接工艺的制定和界面组织的控制带来了巨大的便利；金属涂层在非金属母材表面力学性能优益，且最大程度保留了非金属材料的组织组成，并通过合理的选择焊接工艺，获得满足要求的接头，该连接方法具有异质材料连接的普适性。
附图说明
图1为一种三步法四界面体系的异质材料结构接头结构的示意图；
图2为母材的搭接形式；
图3为母材的对接形式；
图4为管材的对接形式。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，包括以下步骤：
1）对母材A和母材B的连接表面进行预处理；
2）对母材A的连接表面进行冷喷涂，形成涂层C；对母材B的连接表面进行冷喷涂，形成涂层D；
3）采用对接或搭接方式将涂层C和涂层D通过焊缝E焊接固定在一起；焊接过程中控制焊接参数，使母材A、B与冷喷涂涂层C、D的界面不发生熔化或局部熔化。
实施例1：铝合金6063/316L不锈钢的冷喷涂-钎焊复合连接方法
铝合金6063和316L不锈板厚度为4mm，选用粒径为10～50μm的铝硅合金粉末作为喷涂材料。将铝合金6063和316L不锈钢板表面待焊接面进行喷砂处理后固定在夹具上，利用冷喷涂方法在两个母材的待焊接面上沉积200μm的铝硅合金涂层，涂层面积为4×4cm。冷喷涂喷枪采用laval喷嘴，喷涂参数为：喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，主气压力为3.8MPa，气体温度为300℃。然后采用炉中钎焊该组合件，使用Al12Si焊丝，直径1.5mm，钎焊温度610℃，保温时间5min，并随炉冷却。
实施例2：316L不锈钢管/碳纤维复合管冷喷涂-激光焊复合连接方法
316L不锈钢管和碳纤维复合管的内径8mm，外径12mm，选用粒径为10～50μm的铜粉末作为喷涂材料。将碳纤维复合管和不锈钢管的对接面进行喷砂处理后固定在夹具上，利用冷喷涂方法在待焊接面上沉积2mm的铜涂层。冷喷涂喷枪采用laval喷嘴，喷涂参数为：喷涂距离20mm，喷枪移动速度为60mm/s，主气压力为4.0MPa，气体温度为500℃。然后采用5kW激光焊接方法，一次将两种材料进行连接。
实施例3：钛合金TC4和碳纤维板喷涂-钎焊复合连接方法
钛合金板的长和宽分别为1000mm和200mm，碳纤维复合板的长和宽分布为3000mm和200mm。选用粒径为10～45μm的纯钛粉末作为喷涂材料。将碳纤维板和钛合金板需要搭接面接口进行喷砂处理后固定在夹具上，利用冷喷涂方法在沉积200-300μm的纯钛层，涂层面积即为搭接接头的面积。冷喷涂喷枪采用laval喷嘴，喷涂参数为：喷涂距离20mm，喷枪移动速度为40mm/s，主气压力为5.0MPa，气体温度为600℃。打磨涂层使其上下表面使接触面间隙小于0.5mm、错边量小于0.2mm。然后采用炉中钎焊该组合件。
实施例4：0Cr19Ni9Ti不锈钢板/ABS塑料的冷喷-钎焊复合连接方法
0Cr19Ni9Ti不锈钢板和ABS塑料板厚度为2mm，选用粒径为20～50μm铝硅合金粉末作为喷涂材料。将两种母材表面进行喷砂处理后固定在夹具上，利用冷喷涂方法在两种母材的待焊接面上沉积1mm的铝合金涂层，涂层面积为4×4cm。冷喷涂喷枪采用laval喷嘴，喷涂参数为：喷涂距离25mm，喷枪移动速度为40mm/s，主气压力为2.0～3.0MPa，气体温度为200℃。搭接装配带有涂层的两种母材，搭接面积为涂层的面积，错边量小于0.2mm。然后采用氩气保护管式加热炉，使用Zn-Al钎料进行钎焊，加热温度390℃，保温5min，升温速度3℃/s，降温速度1℃/s。
实施例5：316L不锈钢板/碳纤维增强铝基复合材料的冷喷-熔焊复合连接方法
不锈钢板和复合材料板厚度为4mm，选用粒径为10～50μm不锈钢粉末作为喷涂材料。将两种母材进行喷砂处理后固定在夹具上，利用冷喷涂方法在母材的待焊接面上沉积1mm的镍涂层。冷喷涂喷枪采用laval喷嘴，喷涂参数为：喷涂距离25mm，喷枪移动速度为40mm/s，主气压力为2.0～3.0MPa，气体温度为400℃。对接两种母材，错边量小于0.2mm。然后采用二氧化碳保护MIG焊机进行下一步工艺，焊丝GMT-SKD11，直径2mm,焊接电流190A，不开坡口。

Claims (7)

1.一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对母材A和母材B的连接表面进行预处理；
2)对母材A的连接表面进行冷喷涂，形成涂层C；对母材B的连接表面进行冷喷涂，形成涂层D；
3)采用对接或搭接方式将涂层C和涂层D进行焊接，形成焊缝E：焊接过程中控制焊接参数，使母材A、B与冷喷涂涂层C、D的界面不发生熔化：
步骤2)中采用粒径20～50μm的金属粒子对母材A、B的连接表面进行冷喷涂；金属粒子以固态形式撞击母材A、B待连接表面，形成涂层C、D；
涂层C与涂层D的材料体系与母材A和母材B不同：涂层C与涂层D为相同材料体系或者两者能够形成无限固溶体；母材A和母材B材质不同，为金属、合金、无机非金属材料或者复合材料；涂层C为与母材A不形成金属间化合物的金属涂层，涂层D为与母材B不形成金属间化合物的金属涂层；
金属粒子撞击前的温度小于沉积母材连续相材料的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，步骤1)中具体为：对母材A、B的连接表面进行喷砂处理，然后将其固定在夹具上，使工件表面法线与冷喷涂枪轴向垂直。
3.根据权利要求1所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，所述金属粒子为铝基粉末、铜基粉末、钛基粉末或不锈钢粉末。
4.根据权利要求1所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，涂层C和涂层D焊接时，对接接触界面间隙小于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，涂层C的厚度c和涂层D的厚度d均小于2mm，焊缝E的厚度e小于5mm。
6.根据权利要求1所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法，其特征在于，步骤3)中所述焊接为激光焊接、弧焊或钎焊。
7.权利要求1至6中任一项所述的一种三步法四界面体系的异质材料连接方法所获得的异质材料结构，其特征在于，包括母材A和母材B，母材A的连接表面设有一层冷喷涂涂层C，母材B的连接表面设有一层冷喷涂涂层D：涂层C和涂层D之间通过焊缝E连接：存在母材A与涂层C，涂层C与焊缝E，焊缝E与涂层D，涂层D与母材B的四个连接界面。
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