CN112975027B - 一种铝铜焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铝铜焊接方法，包括以下步骤：步骤一、铝焊件表面焊接处冷喷涂预置层；所述预置层包括钎剂和钎料，其中钎剂颗粒通过钎料颗粒与铝焊件之间的结合力将钎剂颗粒包裹于铝焊件表面；步骤二、所述铜焊件表面预置有一金属过渡层；步骤三、焊接铜焊件与铝焊件；步骤四、退火保温；本发明通过钎料将钎剂包覆于铝焊接件表面形成预置层，提高焊接强度和耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及铝铜异种材料钎焊技术领域，特别是涉及一种铝铜焊接方法。
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，降低生产成本的目标。Cu及其合金具有优良的塑性、导热、导电和耐腐蚀性能，但Cu及其合金在我国属于稀缺金属，价格相对昂贵。Al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Cu便宜。因此将Cu、Al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。Al/Cu异种金属的连接部件广泛应用于制冷、电力、化工和航空航天工业中，具有广泛的实际应用前景。
Al、Cu二者存在较大的物理及化学性能上的差异。工业纯Al的熔点为660℃，工业纯Cu的熔点为1083℃；Al和Cu在液态无限互溶，而在固态下固溶度有限；Al、Cu的熔化潜热和膨胀系数相差很大。采用传统熔化焊的方法焊接Al/Cu接头时，无法克服Al和Cu的物理及化学性质相差大、接头易氧化、在焊缝区形成脆性金属间化合物和气孔等难题。激光焊能减少金属间化合物的生成，但焊接过程产生大的温度梯度，易形成较高的残余应力，影响接头的力学性能。采用固态焊接的搅拌摩擦焊时，相对容易获得质量较高的焊缝接头，但焊接成本和焊接效率偏低，而且搅拌摩擦焊需在焊接构件上施加压力，而对于大多数Al/Cu异种材料构件，搅拌摩擦焊接方法无法施焊，因此不适合对结构复杂的构件焊接。
使用钎焊焊接Al/Cu接头仍然是目前最为实际和有效的方式。Al和Cu熔点相差424℃，线胀系数相差40%以上，电导率相差70%以上，弹性模量也相差40%以上。钎焊过程是一个快速加热冷却的过程，由于线胀系数差异巨大，导致在升温过程中Al和Cu的热变形不同，Al的变形要远远大于Cu，钎焊完成后降温的过程中，Al的收缩变形明显大于Cu，由于Al和Cu的弹性模量的差异还将导致严重的接头应力。焊接接头的结构设计和窄的钎焊工艺对Al/Cu接头现场焊接操作是巨大的考验。Al/Cu接头铝合金表面很容易产生致密的Al2O3薄膜，由于薄膜的存在，Al/Cu钎焊结合时焊缝熔合效果不佳，钎焊接头质量差。
现有焊接多需使用钎剂用于保护钎料金属，防止在钎焊的过程中钎料金属被氧化，焊接强度难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝铜焊接方法，该发明通过钎料将钎剂包覆于铝焊接件表面形成预置层，提高焊接强度。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种铝铜焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、铝焊件表面焊接处冷喷涂预置层；
所述预置层包括钎剂和钎料，其中钎剂颗粒通过钎料颗粒与铝焊件之间的结合力将钎剂颗粒包裹于铝焊件表面；
步骤二、所述铜焊件表面预置有一金属过渡层；
步骤三、焊接铜焊件与铝焊件；
步骤四、退火保温；
得目标产品。
优选铜焊件表面的金属过渡层通过冷喷涂获得。本发明通过冷喷涂的方式分别将金属过渡层和预置层分别涂覆于铜焊件和铝焊件表面；其中金属过渡层与铜焊件通过金属颗粒之间的原子力相结合，二者的结合力可靠，且金属过渡层有效减少焊缝中脆性的金属间化合物生成，提高焊缝的强度。预置层中钎料将钎剂挤压包覆在铝焊件表面，焊接中温度升高，内部的钎剂先熔化去除铝焊件表面的氧化膜，随着温度进一步升高，钎料逐渐铺展于铝焊件与金属过渡层之间形成焊缝，润湿过程中钎剂位置引导钎料与铝焊件的接触，提高焊接强度。
优选所述预置层的厚度为0.1mm至3mm。本发明中预置层是通过冷喷涂的方式获得，其厚度可以根据实际使用需求连续调节，适用范围广。
优选焊接采用激光熔钎焊；令激光束与钎料层成90º夹角，采用纯氩气双面保护，保护气流量为15L/min。本发明减少外部环境中氧气对钎缝的影响，利于获得高强度焊缝。
优选钎料按照质量份数包括以下物质：
Al 70份至80份；
Si 3份至6份；
Cu 6份至10份；
Zn 5份至8份；
碳纳米管 2份至5份；
Ge 0.5份至1.8份；
P 0.2份至1.0份。
本发明向Al金属颗粒中加入Si、Cu、Zn、碳纳米管、Ge和P有效获得高强度焊缝，其中Si和P的加入有效吸收预置层内部残存的氧气，防止气孔产生，除气排污，细化晶粒，同时Si、Cu、Zn和Ge与Al之间形成均匀的物相，P的加入有效降低熔点同时起到自钎作用，提高了焊缝强度和耐腐蚀性。本发明向钎料中加入纯化的碳纳米管，碳纳米管均匀分散于焊缝，一方面在焊接的过程中碳纳米管具有良好的导热性，有效降低预置层中可能存在的温度梯度，加快焊接速度，利于焊缝整体形成。
本发明将Al-Si钎料的熔点降低到520℃以下，避免烧蚀Al基材。本发明直接将钎料混合均匀并超音速喷到待焊铝材基体形成预置层，解决钎料不易采用传统铸造成形加工的问题。超音速冷喷设备利用压缩气体通过缩放型拉瓦管产生超音速气流，将按比例混合均匀的钎料粉末沿轴向送入超音速气流中，形成气-固双相流，经过加速后在完全固态下撞击待焊的铝材基体，发生较大的塑形变形而沉积在基体表面上形成致密钎料层，因此，冷喷技术中不存在高温加热钎料粉末颗粒，也就不存在高温氧化、气化、熔化、晶化等影响钎料层性能的效应出现。
进一步优选P以Cu-P中间合金形式加入。本发明以Cu-P中间合金的形式加入钎料中，防止P元素易燃无法与其他钎料配合形成钎缝。
进一步优选钎料按照质量份数包括以下物质：
Al 73份至76份；
Si 4.2份至5.4份；
Cu 7.9份至8.5份；
Zn 6.6份至7.2份；
碳纳米管 3.6份至4.3份；
Ge 0.9份至1.1份；
P 0.6份至0.8份；
稀土元素 0.2份至0.8份。
优选金属过渡层由Ni构成；其中，Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：（4至6）。由于Ni与Cu粒径尺寸接近，Ni层在Cu表面与钎料中的其他组份相配合焊接形成一体结构，结构强度好；因Ni的加入引起熔点升高，需要控制Ni的用量。
优选所述稀土元素为Ce和/或Y。稀土金属加入钎料钎焊Al/Cu异种材料接头，充分利用微量稀土合金元素与P、Si和Ge的配合有效改善钎料的熔化特性、润湿性能、力学性能，均匀化焊缝中组成物质，改善焊接强度。
优选预置层中钎料与钎剂的质量比为（8至10）：1。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过冷喷涂将钎料金属颗粒包裹带动钎剂颗粒与铝合金表面冲击结合，将钎剂包裹于铝焊件表面；焊接过程中，靠近铝焊件表面的钎料先熔化去除氧化膜后钎料向着铝焊件表面润湿，形成接触均匀的焊缝，焊接强度高；
2、本发明利用钎料固定钎剂在铝焊件表面，保证了钎剂的集中作用，随着钎剂的熔化消除铝焊件表面氧化膜，预置层内部形成空洞引导钎料熔化后向着铝焊件表面润湿和铺展，防止铝焊件表面被再次氧化，利于获得高品质焊缝；
3、本发明将钎料和钎剂通过冷喷涂的方式制得预置层，控制超音速压缩气体的工作压力、送粉速率、喷距和喷角等，精确控制预置层的厚度，所得预置层具有高于95%的致密度；在形成预置层的过程中钎料层无氧化、无相变、无烧蚀，冷喷喷出的钎料颗粒流截面小而狭窄，且定向性好，可喷在待焊材料局部表面，定量定型，配合焊接设备实现自动化焊接。
从而实现本发明的上述目的。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种铝铜焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、铝焊件表面焊接处冷喷涂预置层；
所述预置层包括钎剂和钎料，其中钎剂颗粒通过钎料颗粒与铝焊件之间的结合力将钎剂颗粒包裹于铝焊件表面；
稀土元素为Ce；
本实施例使用钎剂为KCsAlF4，钎料的组份和用量详见表1所示；
所述钎剂与所述钎料的质量比为1:8。
步骤二、所述铜焊件表面预置有一金属过渡层；
金属过渡层由Ni构成；其中，Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：（4至6）。
步骤三、焊接铜焊件与铝焊件；
优选焊接采用激光熔钎焊；令激光束与钎料层成90º夹角，采用纯氩气双面保护，保护气流量为15L/min。
步骤四、退火保温；
得目标产品。
实施例2
本实施例与实施例1的主要区别包括：
钎料组份和用量详见表1所示；
稀土元素为Y；
Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：5。
实施例3
本实施例与实施例1的主要区别包括：
钎料组份和用量详见表1所示；
稀土元素为Y；
Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：6。
实施例4
本实施例与实施例1的主要区别包括：
钎料组份和用量详见表1所示；
稀土元素为Ce；
Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：4。
实施例5
本实施例与实施例1的主要区别包括：
钎料组份和用量详见表1所示；
稀土元素为Y；
Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：5。
实施例6
本实施例与实施例1的主要区别包括：
钎料组份和用量详见表1所示；
稀土元素为Ce；
Ni的质量与预置层中Al的质量比为1：6。
对比例1
本例与实施例1的主要区别详见表1。
对比例2
本例与实施例1的主要区别详见表1。
对比例3
本例与实施例1的主要区别是未设置金属隔离层。
表实施例1至6中钎料的组份和用量（质量份数）
| 组份 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 对比例1 | 对比例2 |
| Al | 70 | 73 | 76 | 75 | 78 | 80 | 76 | 75 |
| Si | 6 | 5.4 | 4.8 | 4.2 | 3 | 5 | 4.8 | 4.2 |
| Cu | 10 | 8.5 | 7.9 | 7.2 | 6 | 9.2 | 7.9 | 7.2 |
| Zn | 5 | 5.8 | 6.6 | 7.2 | 8.0 | 5.2 | 6.6 | 7.2 |
| 碳纳米管 | 2 | 3 | 4 | 5 | 4 | 2 | 4 | 5 |
| Ge | 0.5 | 1.0 | 1.8 | 1.3 | 0.8 | 1.6 | / | / |
| P | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 1.0 | / | / |
| 稀土金属 | / | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 0.5 | 0.4 | 0.6 |
实施例1至6以及对比例1至3所得钎料以及焊缝性能的测试数据详见表2所示。
其中盐雾腐蚀后的抗拉强度是产品在经过盐雾腐蚀后测试抗拉强度，盐雾腐蚀的试验条件为：
酸性盐雾加速腐蚀试验模拟城市污染大气和酸雨环境，试验方案参照 GB-T10125-1997 乙酸盐雾（AASS）进行。
试验所用试剂采用化学纯或者化学纯以上的试剂。将NaCl溶于电导率不超过20μS/cm的蒸馏水或去离子水中，其浓度为50g/L±5g/L。25℃时，配制的溶液密度在1.02至1.04范围内。
初配制的溶液pH值调整在3.0至3.1，以保证收集液的 pH值在3.1至3.3范围内，pH值的检测用精密pH试纸。
盐雾箱内温度为35℃±2℃。
雾自由降落为宜。
盐雾沉降的速度，经24h喷雾后，pH值保持不变，腐蚀周期设定为48h。
表2 实施例1至6以及对比例1至3所得钎料以及焊缝性能指标列表
| 项目 | 接头抗剪强度 | 铺展面积 | 钎料的固相线温度 | 钎料的液相线温度 | 盐雾腐蚀后抗拉强度 |
| 实施例1 | 79MPa | 19.2mm<sup>2</sup>/g | 486℃ | 520℃ | 71MPa |
| 实施例2 | 82MPa | 19.0mm<sup>2</sup>/g | 481℃ | 517℃ | 74MPa |
| 实施例3 | 86MPa | 19.8mm<sup>2</sup>/g | 479℃ | 513℃ | 77MPa |
| 实施例4 | 89MPa | 20.3mm<sup>2</sup>/g | 474℃ | 513℃ | 80MPa |
| 实施例5 | 87MPa | 19.6 mm<sup>2</sup>/g | 482℃ | 512℃ | 78MPa |
| 实施例6 | 85MPa | 19.7mm<sup>2</sup>/g | 477℃ | 510℃ | 76MPa |
| 对比例1 | 69MPa | 19.3mm<sup>2</sup>/g | 482℃ | 515℃ | 55MPa |
| 对比例2 | 73MPa | 19.2mm<sup>2</sup>/g | 485℃ | 517℃ | 58MPa |
| 对比例3 | 57MPa | 19.1mm<sup>2</sup>/g | 488℃ | 523℃ | 45MPa |
对比实施例1至6与对比例1和2的数据可知，本发明向Al金属颗粒中加入Si、Cu、Zn、碳纳米管、Ge和P有效获得高强度焊缝，其中Si和P配合钎剂有效吸收预置层内部残存的氧气，防止气孔产生，除气排污，细化晶粒，同时Si、Cu、Zn和Ge与Al之间形成均匀的物相，P的加入协同钎料的其他物质降低钎料熔点同时起到自钎剂作用，提高了焊缝强度和耐腐蚀性。
本发明将Al-Si钎料的熔点降低到520℃以下，避免烧蚀Al基材。本发明直接将钎料混合均匀并超音速喷到待焊铝材基体形成预置层，解决钎料不易采用传统铸造成形加工的问题。
由于Ni与Cu粒径尺寸接近，Ni层在Cu表面与钎料中的其他组份相配合焊接形成一体结构，结构强度好；因Ni的加入引起熔点升高，需要控制Ni的用量。结合对比例3的数据可知，当预置层配合金属隔离层使用时，焊缝强度得以保证。
稀土金属加入钎料钎焊Al/Cu异种材料接头，充分利用微量稀土合金元素与P、Si和Ge的配合有效改善钎料的熔化特性、润湿性能、力学性能，均匀化焊缝中组成物质，改善焊接强度。所述稀土元素为Ce和/或Y。
本发明利用钎料将钎剂固定在铝焊件表面，保证了钎剂的集中作用，随着钎剂的熔化与铝焊件表面氧化膜反应的消耗，预置层内部形成空洞引导钎料熔化后向着铝焊件表面润湿和铺展，防止铝焊件表面被再次氧化，利于获得高品质焊缝。
结合表1和表2的数据可知，本发明中通过金属过渡层配合钎料和钎剂的预置层有效配合一方面获得高强度焊缝，同时提高了焊缝的耐腐蚀性；碳纳米管的加入一方面利用优异的导热作用促进钎剂和钎料的熔化，降低钎料的熔点，另一方面在形成焊缝后碳纳米管在焊缝中作为骨架提高焊缝强度。
Claims (6)
1.一种铝铜焊接方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、铝焊件表面焊接处冷喷涂预置层；
所述预置层包括钎剂和钎料，其中钎剂颗粒通过钎料颗粒与铝焊件之间的结合力将钎剂颗粒包裹于铝焊件表面；
钎料按照质量份数由以下物质组成：
Al 70份至80份；
Si 3份至6份；
Cu 6份至10份；
Zn 5份至8份；
碳纳米管 2份至5份；
Ge 0.5份至1.8份；
P 0.2份至1.0份;
或者
钎料按照质量份数由以下物质组成：
Al 73份至76份；
Si 4.2份至5.4份；
Cu 7.9份至8.5份；
Zn 6.6份至7.2份；
碳纳米管 3.6份至4.3份；
Ge 0.9份至1.1份；
P 0.6份至0.8份；
稀土元素 0.2份至0.8份；
预置层中钎料与钎剂的质量比为（8至10）：1;
步骤二、所述铜焊件表面预置有一金属过渡层；
金属过渡层由Ni构成；其中，Ni的质量与预置层中Al质量比为1：（4至6）；
步骤三、焊接铜焊件与铝焊件；
焊接过程中，钎剂的熔化消除铝焊件表面氧化膜，预置层内部形成空洞引导钎料熔化后向着铝焊件表面润湿和铺展;
步骤四、退火保温。
2.如权利要求1所述的一种铝铜焊接方法，其特征在于：铜焊件表面的金属过渡层通过冷喷涂获得。
3.如权利要求1所述的一种铝铜焊接方法，其特征在于：所述预置层的厚度为0.1mm至3mm。
4.如权利要求1所述的一种铝铜焊接方法，其特征在于：焊接采用激光熔钎焊；令激光束与钎料层成90º夹角，采用纯氩气双面保护，保护气流量为15L/min。
5.如权利要求1所述的一种铝铜焊接方法，其特征在于：P以Cu-P合金加入。
6.如权利要求1所述的一种铝铜焊接方法，其特征在于：所述稀土元素为Ce和/或Y。
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| A1-Si-Cu-Zn-Sn快速凝固薄带钎料的制备及其性能研究;曹金山等;《热加工工艺》;20090615(第11期);第34-39页 * |
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