CN116652331A - 一种铜-钢异种金属连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种铜‑钢异种金属连接方法，以钢为基材，在钢基材表面采用CMT电弧增材制造技术制备铜合金，以通过中间过渡层和/或尺寸梯度过渡的方式，形成铜钢异种金属复合接头，从而消除铜钢异种金属复合接头的至少一种裂纹缺陷，实现铜‑钢两种金属的良好熔合。通过本发明所述的一种铜‑钢异种金属连接方法，解决铜‑钢异种金属熔焊连接界面的缺陷控制难题，避免产生渗透裂纹缺陷和/或边缘开裂缺陷，实现铜‑钢异种金属的良好熔合。
Description
技术领域
本发明涉及异种金属连接技术领域，具体而言，涉及一种铜-钢异种金属连接方法。
背景技术
异种金属连接技术可充分发挥不同金属间的特殊性能，扬长避短、物尽其用。钢与铜的连接，一方面能满足工件的高强度、高导电性、导热性能要求；另一方面在钢表面堆焊铜合金，能提高耐磨耐蚀性能、增强密封能力等。在核电、航空航天、化工、冶金、机电等领域中都能见到钢与铜之间的复合接头，但若异种金属间差异较大，会导致相互之间难以融合，从而导致熔焊缺陷。
铜与钢的熔点、热导率、线膨胀系数、收缩率等热物理性能差别较大，两者的熔焊接头易产生渗透裂纹缺陷和边缘开裂缺陷。这是因为铜-钢熔焊结晶过程中，钢的结晶表面会产生微观裂口，这时处于液态的铜容易浸润微观裂口的表面，并在毛细管效应下渗入微观裂口中，从而形成渗透裂纹缺陷；而在铜与钢的熔焊界面区域，由于杂质和有害元素的掺入，熔合界面区域易形成低熔点共晶体和脆性化合物，降低复合接头的韧性、塑性、导电性及耐腐蚀性等性能，同时在熔合界面边缘应力集中，导致产生边缘开裂缺陷。该类缺陷会降低铜钢结构件的疲劳强度和性能，降低结构件的使用寿命。
目前，国内外针对铜钢异种金属焊接主要采用钎焊、爆炸焊、真空扩散焊等方式，如专利CN111168204A在铜与钢之间预制镍片，采用TIG焊接形成一种金属接头，该方法形成的复合接头尺寸有限，且接头性能不良。专利CN106270868A、专利CN108453350A和专利CN112170996A均采用钎焊方式形成铜钢复合接头，该类连接方法的接头抗腐蚀性能较低、接头性能不足，且应用范围受到一定限制。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：提出一种铜-钢异种金属连接方法，解决铜-钢异种金属熔焊连接界面的缺陷控制难题，避免产生渗透裂纹缺陷和/或边缘开裂缺陷，实现铜-钢异种金属的良好熔合。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种铜-钢异种金属连接方法，以钢为基材，在钢基材表面采用CMT电弧增材制造技术制备铜合金，以通过中间过渡层和/或尺寸梯度过渡的方式，形成铜钢异种金属复合接头，从而消除铜钢异种金属复合接头的至少一种裂纹缺陷，实现铜-钢两种金属的良好熔合。
优选地，所述中间过渡层为纯铁素体中间过渡层，其作为钢和铜之间连接的过渡材料，能够防止铜液沿着奥氏体晶界渗入，以消除渗透裂纹缺陷。
优选地，基于中间过渡层的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材表面清理；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材表面制备纯铁素体中间过渡层；
S3：铜合金增材制造，采用电弧增材制造技术在中间过渡层上表面进行铜合金的电弧增材制造，以形成铜钢异种金属复合接头。
优选地，在步骤S1中，采用机械加工和/或丙酮清洗的方式，清理钢基材表面包含有锈蚀、油污、水渍的杂质，使基材表面呈金属光泽。
优选地，在步骤S2中，纯铁素体中间过渡层的材料厚度不低于0.3mm。
优选地，在步骤S3中，先对中间过渡层表面进行清理，去除包含有氧化物、油污、水渍的杂质，然后再进行铜合金的电弧增材制造。
优选地，所述尺寸梯度过渡是指：在增材制造过程中，第一层尺寸较大，然后逐渐收缩尺寸，形成底部大顶部小的尺寸梯度形貌，以减小接头界面边缘的应力，消除边缘开裂缺陷。
优选地，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，基于尺寸梯度过渡的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材表面清理；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在钢基材表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
优选地，在步骤S31中，电弧增材模式为脉冲模式；而在步骤S32-S34中，电弧增材模式均为CMT模式。
优选地，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，则所述方法包括如下步骤：
S1：钢基材表面清理，使钢基材表面呈金属光泽；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材表面制备纯铁素体中间过渡层；
S30：中间过渡层表面清理，使中间过渡表面呈金属光泽；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在中间过渡层表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
相对于现有技术而言，本发明所述的一种铜-钢异种金属连接方法具有以下有益效果：
1)解决铜-钢异种金属熔焊连接界面的缺陷控制难题，避免产生渗透裂纹缺陷和/或边缘开裂缺陷，实现铜-钢异种金属的良好熔合；
2)复合接头的制备采用电弧增材制造技术，制备过程稳定，接头质量可靠、性能优良，且复合接头的形状、尺寸不受限制；
3)通过中间过渡层和尺寸梯度过渡的方式，消除铜-钢异种金属复合接头的所有裂纹缺陷，实现铜-钢两种金属的良好熔合。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种铜钢异种金属复合接头的形貌示意图；
图2为本发明所述的一种中间过渡层其横截面组织的形貌示意图；
图3为本发明所述的一种尺寸梯度过渡的横截面组织形貌示意图。
附图标记说明：
1-钢基材，2-纯铁素体中间过渡层，3-铜合金尺寸梯度过渡，4-增材制造铜合金结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、技术方案和优点更加清楚易懂，下面将结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，本发明在此所描述的具体实施例仅是构成本发明的部分实施例，其仅用以解释本发明，并不构成对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图1-3所示，本发明提出了一种铜-钢异种金属连接方法，以钢为基材，在钢基材1表面采用CMT电弧增材制造技术制备铜合金，以通过中间过渡层和/或尺寸梯度过渡的方式，形成铜钢异种金属复合接头，从而消除铜钢异种金属复合接头的至少一种裂纹缺陷，实现铜-钢两种金属的良好熔合。
具体的，在钢基材1表面熔焊制备铜合金，若在钢基材1表面直接制备铜合金，由于Cu和Fe两者物理性能差异较大，在铜与钢的连接界面区域会出现两种缺陷：渗透裂纹缺陷、边缘开裂缺陷。其中，渗透裂纹缺陷，是由于高温作用下，熔融状态的铜元素沿奥氏体晶界向钢基材1内部渗透，形成热裂纹，因此可制备中间过渡层材料阻止铜的渗入作用，以消除渗透裂纹缺陷；而边缘开裂缺陷，是由于铜钢复合接头的界面边缘应力集中导致，因此可在增材制造过程中采用尺寸梯度过渡的方式减小边缘应力。
作为熔焊技术的其中一种，增材制造技术对热输入和材料性能可精确调控，与手工氩弧焊相比，热输入可控、尺寸精度高、变形小、稀释率低，为解决钢与铜的熔焊连接缺陷提供了技术途径。而其中，冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术是一种低热输入的熔焊方法，可有效控制热输入、降低复合接头残余应力，同时可以通过添加过渡层抑制铜-钢复合界面的渗透裂纹问题。在本发明中，CMT电弧增材制造技术所采用的焊接电源，例如可以为奥地利FronusCMT焊机。
优选地，所述中间过渡层为纯铁素体中间过渡层2，其作为钢和铜之间连接的过渡材料，能够防止铜液沿着奥氏体晶界渗入，以消除渗透裂纹缺陷。
具体的，中间过渡层作为钢和铜之间连接的过渡材料，能够提高铜钢复合接头的强度和性能，同时消除铜钢复合接头的渗透裂纹缺陷。这是因为纯铁素体材料中不含奥氏体晶粒，因此可以防止铜液沿着奥氏体晶界渗入，造成渗透裂纹。
优选地，基于中间过渡层的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材1表面清理；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材1表面制备纯铁素体中间过渡层2；
S3：铜合金增材制造，采用电弧增材制造技术在中间过渡层上表面进行铜合金的电弧增材制造，以形成铜钢异种金属复合接头。
具体的，在步骤S1中，采用机械加工、丙酮清洗等方式，清理钢基材1表面的锈蚀、油污、水渍等杂质，使基材表面呈金属光泽。在步骤S2中，纯铁素体中间过渡层2的材料厚度应不低于0.3mm。在步骤S3中，可先对中间过渡层表面进行清理，去除氧化物、油污、水渍等杂质，然后再进行铜合金的电弧增材制造。
优选地，所述尺寸梯度过渡是指：在增材制造过程中，第一层尺寸较大，然后逐渐收缩尺寸，形成底部大顶部小的尺寸梯度形貌，以减小接头界面边缘的应力，消除边缘开裂缺陷。
优选地，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，基于尺寸梯度过渡的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材1表面清理；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在钢基材1表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
具体的，在步骤S33和步骤S34的目标尺寸基础上，步骤S31的长、宽方向均需向外双侧扩展6mm，步骤S32的长、宽方向均需向外双侧扩展3mm，由此形成尺寸梯度过渡的增材制造形貌。具体可参见图1所示，铜合金尺寸梯度过渡3包含第一层铜合金和第二层铜合金，而在铜合金尺寸梯度过渡3之上为增材制造铜合金结构4，增材制造铜合金结构4包含有第三层铜合金且与第三层铜合金保持统一的长宽尺寸。
作为本发明的其中一种优选示例，在步骤S31中，电弧增材模式为脉冲模式；而在步骤S32-S34中，电弧增材模式均为CMT模式。
优选地，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，则所述方法包括如下步骤：
S1：钢基材1表面清理，使钢基材1表面呈金属光泽；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材1表面制备纯铁素体中间过渡层2；
S30：中间过渡层表面清理，使中间过渡表面呈金属光泽；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在中间过渡层表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
实施例1：20#钢表面增材制造铜合金
20#钢表面增材制造铜合金SCu6328的目标尺寸为长500mm、宽32mm、高28mm。制备过程如下：
(1)钢基材表面清理：采用机械加工、丙酮清洗等方式，清理20#钢基材表面的锈蚀、油污、水渍等杂质，使20#钢基材表面呈金属光泽。
(2)中间过渡层制备：采用CMT电弧增材制造技术，在20#钢基材表面制备纯铁素体中间过渡层材料。中间过渡层的电弧增材模式采用CMT模式，其中，行走速度为10～16mm/s，送丝速度5.5～7.0m/min，干伸长为10～15mm，保护气为80％Ar+20％CO2，保护气流量为20～28L/min，搭接量为2.0～2.6mm。中间过渡层增材制造尺寸为长518mm、宽50mm、厚0.5mm。
(3)铜合金增材制造：
①表面清理：对中间过渡层表面采用机械加工、丙酮清洗等方式，清理表面的氧化物、油污、水渍等杂质，使中间过渡表面呈金属光泽；
②第一层铜合金制备：采用电弧增材制造技术，在中间过渡层表面制备第一层铜合金材料的尺寸为长512mm、宽44mm。第一层铜合金的电弧增材模式为脉冲模式。其中，行走速度18～25mm/s，送丝速度6～10m/min，干伸长15～18mm，保护气为纯Ar，搭接量2.5～3.0mm，抬升量2.0～2.6mm。
③第二层铜合金制备：在第一层铜合金的基础上，增材制造第二层铜合金的尺寸为长506mm、宽38mm。第二层铜合金的电弧增材制造模式为CMT模式。其中，行走速度20～25mm/s，送丝速度7～12m/min，干伸长15～18mm，保护气为纯Ar，搭接量2.3～2.8mm，抬升量2.2～3.0mm。
④第三层铜合金制备：在第二层铜合金的基础上，增材制造第三层铜合金的尺寸为长500mm、宽32mm。第三层铜合金的电弧增材制造模式和工艺参数均与第二层一致。
⑤后续铜合金的电弧增材制造尺寸、模式及工艺参数与第三层一致，使铜合金电弧增材制造的高度达到30mm，完成铜钢异种金属的电弧增材制造。
本实施例相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)通过中间过渡层和尺寸梯度过渡的方式，解决铜-钢异种金属熔焊连接界面的缺陷控制难题，避免产生渗透裂纹缺陷与边缘开裂缺陷，实现铜-钢异种金属的良好熔合；
2)复合接头的制备采用电弧增材制造技术，制备过程稳定，接头质量可靠、性能优良，且复合接头的形状、尺寸不受限制。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，以钢为基材，在钢基材(1)表面采用CMT电弧增材制造技术制备铜合金，以通过中间过渡层和/或尺寸梯度过渡的方式，形成铜钢异种金属复合接头，从而消除铜钢异种金属复合接头的至少一种裂纹缺陷，实现铜-钢两种金属的良好熔合。
2.根据权利要求1所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，所述中间过渡层为纯铁素体中间过渡层(2)，其作为钢和铜之间连接的过渡材料，能够防止铜液沿着奥氏体晶界渗入，以消除渗透裂纹缺陷。
3.根据权利要求2所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，基于中间过渡层的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材(1)表面清理；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材(1)表面制备纯铁素体中间过渡层(2)；
S3：铜合金增材制造，采用电弧增材制造技术在中间过渡层上表面进行铜合金的电弧增材制造，以形成铜钢异种金属复合接头。
4.根据权利要求3所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，在步骤S1中，采用机械加工和/或丙酮清洗的方式，清理钢基材(1)表面包含有锈蚀、油污、水渍的杂质，使基材表面呈金属光泽。
5.根据权利要求3所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，在步骤S2中，纯铁素体中间过渡层(2)的材料厚度不低于0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，在步骤S3中，先对中间过渡层表面进行清理，去除包含有氧化物、油污、水渍的杂质，然后再进行铜合金的电弧增材制造。
7.根据权利要求1所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，所述尺寸梯度过渡是指：在增材制造过程中，第一层尺寸较大，然后逐渐收缩尺寸，形成底部大顶部小的尺寸梯度形貌，以减小接头界面边缘的应力，消除边缘开裂缺陷。
8.根据权利要求7所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，基于尺寸梯度过渡的方式，铜钢异种金属复合接头的制备步骤如下：
S1：钢基材(1)表面清理；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在钢基材(1)表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
9.根据权利要求8所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，在步骤S31中，电弧增材模式为脉冲模式；而在步骤S32-S34中，电弧增材模式均为CMT模式。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种铜-钢异种金属连接方法，其特征在于，设定增材制造铜合金的目标尺寸为长Amm、宽Bmm，则所述方法包括如下步骤：
S1：钢基材(1)表面清理，使钢基材(1)表面呈金属光泽；
S2：中间过渡层制备，采用CMT电弧增材制造技术，在钢基材(1)表面制备纯铁素体中间过渡层(2)；
S30：中间过渡层表面清理，使中间过渡表面呈金属光泽；
S31：第一层铜合金制备，采用电弧增材制造技术，按照“A+12mm长、B+12mm宽”的增材制造尺寸，在中间过渡层表面制备第一层铜合金材料，
S32：第二层铜合金制备，按照“A+6mm长、B+6mm宽”的增材制造尺寸，在第一层铜合金的基础上增材制造第二层铜合金材料；
S33：第三层铜合金制备，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，在第二层铜合金的基础上增材制造第三层铜合金材料；
S34：完成铜钢异种金属的电弧增材制造，按照“Amm长、Bmm宽”的增材制造尺寸，继续进行后续铜合金的电弧增材制造，直至使铜合金电弧增材制造的高度达到预设要求。
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| CN202310738556.XA CN116652331A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种铜-钢异种金属连接方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117696918A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-15 | 暨南大学 | 激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用 |
| CN117696918B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-06-07 | 暨南大学 | 激光复合增材制造铜钢异种金属的方法及应用 |
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- 2023-06-21 CN CN202310738556.XA patent/CN116652331A/zh active Pending
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