CN108672868B - 一种铝和铜异质金属材料的焊接方法 - Google Patents

一种铝和铜异质金属材料的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，主要针对5～8mm厚T0态下2024铝合金和紫铜异质金属材料由于导热率的不同所引起的变形和接头组织不均匀等问题。主要步骤包括：(1)分别对2024铝合金和紫铜母材进行坡口加工和焊接组对；(2)对紫铜母材进行预焊，参数为电压15‑50V，电流60‑150A，速度1‑10m/min；(3)对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊，钎剂成分为AlCu2，焊接参数为电压20‑60V，电流60‑200A，速度1‑10m/min。在本发明中，通过对不同材料坡口尺寸、预焊和钎焊参数的选取和控制，能够实现对2024铝合金和紫铜两种异质金属的焊接，并且获得焊接性能优良的焊接接头。

Description

一种铝和铜异质金属材料的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
近年来，随着新材料不但涌现，异种材料的复合连接得到了快速的发展和应用，尤其是在航空航天、电子机械和国防工业。铝铜复合件由于兼顾铝合金的优良机械性能和铜的良好导电、导热性能，其应用越来越广泛。因此，铝铜异质金属材料的焊接问题一直是研究的焦点。
铜铝异种金属材料的焊接方法主要有熔化焊、固态焊接、钎焊三类。对于熔化焊，焊缝中极易产生杂质和气孔等缺陷，且由于铝与铜的熔点相差较大，焊接过程中往往铝已经熔化了而铜还处于固态，易导致未熔合或夹杂等缺陷，使焊缝的力学性能显著下降。固态焊接虽能克服上述缺点，但需要专门的设备，投资大，且无法进行现场焊接，只能预制铝铜接头，实际应用存在很大的局限性。钎焊是使母材金属不熔化，而靠钎料熔化后填满间隙，并与母材金属发生溶解、扩散等冶金作用的焊接方法，因此特别适合异种材料的焊接。此外，钎焊还具有工件变形小，设备简单，操作简便，可在现场进行焊接等优点。
采用钎焊工艺进行铝铜异质金属材料的焊接时常常也会出现由于导热率的不同所引起的热变形不均匀和接头残余应力较大等问题；此外，由于焊缝附近母材受热不均也会导致组织不均、成分偏析、孔洞和形成大量低熔点的共晶化合物Al2Cu等缺陷。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种既能保证焊缝的力学性能又较为容易实现的用于铝和铜两种异质金属材料的钎焊方法。
为此,本发明提供一种适用于铝和铜异质金属材料的焊接方法，至少包括以下步骤：
步骤1：分别对2024铝合金和紫铜母材进行坡口加工和焊接组对；
步骤2：对紫铜母材进行预焊；
步骤3：对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊，焊后无需进行热处理。
在所述步骤1中形成的所述焊接组对为2024铝合金和紫铜两种异质金属材料的焊接面对接；
在所述步骤1中形成的所述焊接组对为2024铝合金和紫铜两种异质金属材料的焊接面水平搭接；
在所述步骤1中对2024铝合金和紫铜开坡口时应根据母材的厚度不同所开坡口角度(θ1和θ2)、中部对接厚度方向尺寸(h1和h2)和对接距离(d)也应不同。
在所述步骤1中，2024铝合金开坡口时所开坡口角度为θ1＝30°～60°，紫铜开坡口时所开坡口角度为θ2＝45°～75°，并将两种材料的坡口角度关系设置为θ2≥1.25θ1。
在所述步骤1中，2024铝合金开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h1＝2～5mm，紫铜开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h2＝3～7mm，并将两种材料开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸关系设置为h2≥1.35h1。
在所述步骤1中，开坡后，2024铝合金和铜的对接距离为d＝0.5～3mm，并满足d≤0.5h1。
在所述步骤2中对紫铜母材进行预焊时，电压为15-50V，电流为60-150A，速度为1-10m/min。
在所述步骤3中对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊时，选用的焊剂成分为AlCu2。
在所述步骤3中对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊时，焊接参数为电压20-60V，电流60-200A，速度1-10m/min。
在所述步骤1之前还包括对所述2024铝合金和紫铜两种异质金属材料母材的表面进行去油污和/或去氧化膜的预处理。
本申请的优势在于：(1)由于铝和铜熔点的差异较大，熔焊接过程中往往铝已经熔化而铜还处于固态，本发明避免了熔化焊过程中产生的杂质、气孔和未熔合等缺陷，使焊缝的力学性能显著提高；(2)相比于固态焊接，本发明无需昂贵的专用焊接设备(如：搅拌摩擦焊设备)，且焊接的适应性强，能够实现现场焊接；(3)对铝合金和紫铜母材进行坡口加工，并根据异种金属导热率的不同控制坡口尺寸，改善由于温度差异所引起的热变形不均匀和接头残余应力较大等问题；(4)钎焊前对导热率较大、散热较快的紫铜母材进行预焊处理，提高紫铜母材的温度，降低钎焊过程中的异种金属之间的温度差，进一步改善由于温差所引起的热变形不均匀和接头残余应力较大等问题。
附图说明
图1是本发明的实施例1中采用的组对接头与2024铝合金和紫铜两种异质金属母材的坡口尺寸示意图；
图2是本发明的实施例1中第一组紫铜母材经过预焊处理并钎焊后的整体宏观焊缝金相组织图；
图3是本发明的实施例1中第二组紫铜母材无预焊处理并钎焊后的整体宏观焊缝金相组织图；
图4是本发明的实施例2中采用的组对接头与2024铝合金和紫铜两种异质金属母材的坡口尺寸示意图；
图5是本发明的实施例2中第三组紫铜母材经过预焊处理并钎焊后的整体宏观焊缝金相组织图；
图6是本发明的实施例2中第四组紫铜母材无预焊处理并钎焊后的整体宏观焊缝金相组织图。
具体实施方式
实施例1
发明提供一种5mm厚的2024铝合金和紫铜两种异质金属材料的焊接方法，包括以下步骤：
A.用锉刀分别将5mm厚的2024铝合金和紫铜各两块的一侧开坡口、去油污和去氧化膜处理，最终坡口尺寸如图1所示，铝合金所开坡口角度为θ1＝30°，开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h1＝2mm；紫铜所开坡口角度为θ2＝45°，开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h2＝3mm。
B.将铝合金与紫铜母材两两组合形成对接接头，并分别进行编号第一组和第二组，两组均控制对接距离为d＝1mm。
C.对第一组中的紫铜母材进行预焊处理，电压为18V，电流为150A，速度为9.5m/min；第二组中的紫铜母材不进行预焊处理。
D.第一组中紫铜母材预焊后立刻对铝合金和紫铜母材进行钎焊，选用的焊剂成分为AlCu2，焊接参数为电压28.2V，电流194A，速度9.5m/min；之后对第二组铝合金和紫铜母材进行钎焊，选用的焊剂成分为AlCu2，焊接参数为电压45V，电流252A，速度14m/min。
本实施例结果表明，第一组紫铜母材进行预焊处理后的焊接头两侧母材无孔洞、夹杂和低熔点的共晶化合物Al2Cu出现，晶粒大小和组织过渡均匀，整体焊缝如图2所示，焊接接头抗拉强度达到47.04MPa；第二组紫铜母材无预焊处理的焊接头紫铜一侧组织均匀性较差，存在明显的组织过度，晶粒尺寸与到焊缝中心的距离成反比，靠近焊缝紫铜晶粒显著粗化，远离焊缝的晶粒较细化，整体焊缝如图3所示，焊接接头抗拉强度达到41.32MPa。
本实施例中采用的焊接设备为MIG电弧钎焊设备。
实施例2
发明提供一种8mm厚的2024铝合金和紫铜两种异质金属材料的焊接方法，包括以下步骤：
A.用锉刀分别将8mm厚的2024铝合金和紫铜各两块的一侧开坡口、去油污和去氧化膜处理，最终坡口尺寸如图4所示，铝合金所开坡口角度为θ1＝45°，开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h1＝3.5mm；紫铜所开坡口角度为θ2＝60°，开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h2＝5mm。
B.将铝合金与紫铜母材两两组合形成对接接头，并分别进行编号第三组和第四组，两组均控制对接距离为d＝1.5mm。
C.对第三组中的紫铜母材进行预焊处理，电压为18V，电流为150A，速度为9.5m/min；第二组中的紫铜母材不进行预焊处理。
D.第三组中紫铜母材预焊后立刻对铝合金和紫铜母材进行钎焊，选用的焊剂成分为AlCu2，焊接参数为电压27.7V，电流72A，速度3.5m/min；之后对第四组铝合金和紫铜母材进行钎焊，选用的焊剂成分为AlCu2，焊接参数为电压28.2V，电流194A，速度9.5m/min。本实施例结果表明，第三组紫铜母材进行预焊处理后的焊接头两侧母材无孔洞、夹杂和低熔点的共晶化合物Al2Cu出现，晶粒大小和组织过渡均匀，整体焊缝如图5所示，焊接接头抗拉强度达到45.51MPa；第四组紫铜母材不进行预焊处理的焊接头紫铜一侧组织均匀性较差，存在明显的组织过度，晶粒尺寸与到焊缝中心的距离成反比，靠近焊缝紫铜晶粒显著粗化，远离焊缝的晶粒较细化，整体焊缝如图6所示，焊接接头抗拉强度达到39.61MPa。

Claims (8)

1.一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于针对5~8mm厚T0态下2024铝合金和紫铜异质金属材料的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：分别对2024铝合金和紫铜母材进行坡口加工和焊接组对；
步骤2：对紫铜母材进行预焊；预焊电压为15-50V，预焊电流为60-150A，预焊速度为1-10m/min；
步骤3：对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊，焊后无需进行热处理。
2.根据权利要求1所述的一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于，所述步骤1中焊接组对为2024铝合金和紫铜两种异质金属材料的焊接面对接。
3.根据权利要求1或2所述的铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于2024铝合金开坡口时所开坡口角度即铝合金坡口所在的斜面与焊接面夹角为θ1=30°~60°，紫铜开坡口时所开坡口角度即紫铜坡口所在的斜面与焊接面夹角为θ2=45°~75°，并将两种材料的坡口角度关系设置为θ2≥1.25θ1。
4.根据权利要求1或2所述的铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于2024铝合金开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h1=2~5mm，紫铜开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸为h2=3~7mm，并将两种材料开坡口后剩余中部对接厚度方向尺寸关系设置为h2≥1.35h1。
5.根据权利要求1或2所述的铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于开坡后，2024铝合金和铜的对接距离为d=1~5mm，并满足d≤0.5 h1。
6.根据权利要求1所述的一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于，所述步骤3中对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊时，选用的焊剂成分为AlCu2。
7.根据权利要求1所述的一种铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于，所述步骤3中对2024铝合金和紫铜异质金属材料母材进行钎焊时，焊接参数为电压20-60V，电流60-200A，速度1-10m/min。
8.根据权利要求1、2、6或7所述的铝和铜异质金属材料的焊接方法，其特征在于在所述步骤1之前还包括对所述铝合金和紫铜母材的表面进行去油污和/或去氧化膜的预处理。
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