CN112958865B - 一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种预置钎料焊接Al‑Cu异种材料的方法，包括以下步骤：步骤一、喷砂去除铝金属和铜金属表面氧化层；步骤二、钎料和钎剂冷喷涂于经过步骤一的铝金属表面；将铜金属和铝金属焊接、退火保温，得Al‑Cu焊接；所述钎料按照质量份数包括：70份至80份Al；3份至6份Si；6份至10份Cu；5份至8份Zn；0.2份至0.8份稀土元素；该发明通过定量预置钎料，有效保证钎料和钎剂的用量，钎焊强度高，钎焊品质均匀。

Description

一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法

技术领域

本发明涉及异质金属焊接技术领域，特别是涉及一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法。

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、在钎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钎缝接头，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钎焊结合时钎缝熔合效果不佳，钎焊接头质量差。这些情况的产生都将严重威胁接头的质量和性能。急需研发出能够有效解决Al/Cu钎焊接头质量问题的新型钎焊连接方法并产业化，切实保证Al/Cu异种材料构件的可靠性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，该发明通过定量预置钎料，有效保证钎料和钎剂的用量，钎焊强度高，钎焊品质均匀。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、喷砂去除铝金属和铜金属表面氧化层；

步骤二、钎料和钎剂冷喷涂于经过步骤一的铝金属表面；

将铜金属和铝金属焊接、退火保温，得Al-Cu焊接。

优选步骤二中冷喷钎料由超音速气、固两相气流将钎料和钎剂粉末击射到基板形成致密钎料层。本发明中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，钎剂和钎料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。

优选所述铜金属表面预涂覆有一Ni层。本发明通过在铜金属表面通过冷喷涂预设有一Ni层，Ni层的存在一方面有效隔离焊接过程以及均质过程中Cu与Al的接触，减少脆性的金属间化合物生成；另一方面，Ni层改善钎料在Cu表面的润湿性能，提高钎焊性能。由于Ni的加入会在一定程度提高焊接的温度，要控制用量。

优选所述钎剂包括Al₂O₃和KCsAlF₄。本发明中优选钎料为Al₂O₃和KCsAlF₄，一方面有效防止钎料被氧化，尤其是Al₂O₃随着KCsAlF₄，一定程度提高焊接强度。

优选所述钎剂与所述钎料的质量比为1:（8至10）。本发明通过控制钎剂与钎料有效配合，钎剂有效从预置的钎料中浮出避免焊接过程空气氧化钎料。

优选退火温度为460℃至500℃。本发明中的钎料和钎剂先通过冷喷涂的方式预置于待焊接金属表面，在加热的过程中内部流动性受到原子间作用力的限制，流动性不佳，可进一步配合振动，有效提高钎缝中物质的均匀性，提高钎缝的强度。

优选所述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；

稀土元素 0.2份至0.8份。

本发明将上述钎料预置于铝表面，一方面上述钎料与铝表面之间结合力好，预置的钎料和钎剂用量可控，且在生产过程中批次间均匀性好，利于实际生产的品质管控。本发明中向Al中加入Si、Cu、Zn和稀土元素，上述质量份数的Si、Cu和Zn加入Al中作为钎料，提高钎缝的强度，稀土元素加入有效改善钎料在熔化焊接过程的润湿性，焊接效果好。本发明优化Al/Cu异种材料钎焊的钎料成分，在无需投入其他焊接设备的情况下，形成接头性能优良的Al/Cu异种材料接头构件。

进一步优选所述稀土元素为Ce和/或Y。利用含有Ce和/或Y的钎料钎焊Al/Cu异种材料接头，充分利用微量稀土合金元素对钎料的熔化特性、润湿性能、力学性能的提升作用，均匀化钎缝中组成物质，改善焊接强度。

进一步优选，Ni与钎料中Al的质量比为1：（4至6）。本发明中使用在铜金属表面预置Ni层，由于Ni与Cu粒径尺寸接近，且冷喷涂固连于Cu表面与钎料和钎剂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。

进一步优选，焊接的采用激光熔钎焊；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。本发明使用激光焊接，利于异形产品的制造，使用范围广泛。

通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用在待焊铝合金侧预置超音速冷喷钎料层的新型钎焊连接方法，创新性的将铝合金材料的焊前表面喷砂处理和钎料预置工序合二为一，形成接头性能优良的Al/Cu异种材料接头构件；

本发明可以有效控制钎剂和钎料的用量，产品批次间均匀性好；

预置钎料钎焊具有工序简单、易操作、钎料无浪费且用量可控的特点，满足了高效、优质、洁净生产的需要；

同时，由于钎料致密覆盖在喷砂清理后的Al材表面，减轻了Al/Cu异种材料接头的氧化问题，钎焊过程中可采用腐蚀性小或无腐蚀性钎剂，可提高接头强度和抗腐蚀性。

另外，超音速钎料喷钎料颗粒流截面小而狭窄，且定向性好，可表面局部喷涂，保证了钎料添加的定量化、均匀性和稳定性，在提高Al/Cu异种材料接头焊接质量的同时能够完成对复杂工件的自动化焊接。

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1公开一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、喷砂去除铝金属和铜金属表面氧化层；

步骤二、钎料和钎剂冷喷涂于经过步骤一的铝金属表面；本实施例中所用钎剂包括Al₂O₃和KCsAlF₄，钎料的组分和用量详见表1所示；

所述钎剂与所述钎料的质量比为1:8。

步骤二中冷喷钎料由超音速气、固两相气流将20μm至50μm的钎料和钎剂粉末击射到基板形成致密钎料层；

将铜金属和铝金属焊接、退火保温，得Al-Cu焊接；

焊接的采用激光熔钎焊；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；

其中退火温度为460℃至500℃，退火过程中保持振动。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于：

所述铜金属表面预涂覆有一Ni层；Ni层也是通过冷喷涂的方式预置于铜表面。

所述钎剂与所述钎料的质量比为1:9。

钎料的组分和用量详见表1所示。

Ni与钎料中Al的质量比为1：4。

实施例3

本实施例与实施例1的主要区别在于：

所述铜金属表面预涂覆有一Ni层；Ni层也是通过冷喷涂的方式预置于铜表面。

所述钎剂与所述钎料的质量比为1:10。

钎料的组分和用量详见表1所示。

Ni与钎料中Al的质量比为1：5。

实施例4

本实施例与实施例1的主要区别在于：

所述铜金属表面预涂覆有一Ni层；Ni层也是通过冷喷涂的方式预置于铜表面。

所述钎剂与所述钎料的质量比为1:9。

钎料的组分和用量详见表1所示。

Ni与钎料中Al的质量比为1：6。

对比例

本例与实施例3的主要区别在于:焊接后未进行退火振动；所得产品焊接性能详见表2所示。

表1实施例1至4中钎料的组份和用量（质量份数）

钎料组分	Al	Si	Cu	Zn	稀土元素
						实施例1	70份	3份	6份	8份	Ce 0.2份
实施例2	72份	4份	8份	7份	Y 0.5份
						实施例3	76份	4.5份	10份	6份	Ce 0.5份；Y 0.3份
实施例4	80份	6份	7份	5份	Ce 0.3份；Y 0.3份

表2实施例1至4所得Al-Cu焊接性能指标列表

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
					实施例1	85MPa	20mm<sup>2</sup>/g	470℃	510℃
实施例2	88MPa	21mm<sup>2</sup>/g	491℃	520℃
					实施例3	89MPa	20.8mm<sup>2</sup>/g	485℃	517℃
实施例4	86MPa	21.3mm<sup>2</sup>/g	477℃	513℃
					对比例	78MPa	20.9mm<sup>2</sup>/g	484℃	516℃

结合实施例1至4所得性能指标可知，本发明为了克服焊接前铝材的表面氧化，同时更好的避免焊接过程中铝材的氧化，采用表面喷砂处理和钎料层预置喷涂工艺在同一台超音速冷喷设备完成。考虑到铝材的氧化膜较铜材严重，选择在铝材而不是铜材表面喷涂钎料；同一台设备操作可将机械喷砂清理干净的铝材表面立即覆盖厚度可控的、有一定结合强度的钎料层，阻隔空气导致的铝材表面氧化；由于钎料的覆盖，钎焊前和钎焊过程中可采用腐蚀性小或无腐蚀性钎剂并减少用量，提高接头强度和抗腐蚀性。

超音速冷喷钎料在常温下由超音速气、固两相气流将20μm～50μm混合钎料粉末击射到基板形成致密层。钎料层在0.1mm～3mm连续可调，钎料层的致密度在95%以上。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，将按比例配比并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。

超音速冷喷钎料层厚度可以有效精确控制，与热喷的高温产生高应力、热变形不同，超音速冷喷无氧化、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，可表面局部喷钎料层，适合预置钎料在待钎焊区域，杜绝浪费。

实施例2至4则在铜焊件一侧预涂了Ni层，有效防止Cu与Al形成脆性的金属间化合物，同时，Ni的加入进一步改善了钎料的润湿性，提高了焊接性能；由于Ni在一定程度会提高焊接温度，因此需要控制Ni的用量，配合钎料以及钎剂组分，尤其是稀土元素用量的同步增加抑制焊接温度的大幅度增加，保证焊接性能。

对比对比例与实施例3的性能指标，可知，本发明通过振动退火的工艺步骤有效促进了焊接性能的提高。

综上，本发明通过冷喷涂的方式将Ni层预置于铜表面，将钎剂和钎料的混合物预置于铝表面，保证预喷钎料层钎焊钎料添加的定量化、均匀性和稳定性，具有工序简单、易操作、钎料无浪费且用量可控的特点，满足了高效、优质、洁净生产的需要，在提高Al/Cu异种材料接头焊接质量的同时，能够完成对复杂工件的自动化焊接。

Claims (6)

1.一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一、喷砂去除铝金属和铜金属表面氧化层；

步骤二、钎料和钎剂冷喷涂于经过步骤一的铝金属表面；

步骤二中冷喷钎料由超音速气、固两相气流将钎料和钎剂粉末击射到基板形成致密钎料层；

所述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；

稀土元素 0.2份至0.8份;

将铜金属和铝金属焊接、退火保温，得Al-Cu焊接；

其中，所述铜金属表面预涂覆有一Ni层；

Ni与钎料中Al的质量比为1：（4至6）。

2.如权利要求1所述的一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：所述钎剂包括Al₂O₃和KCsAlF₄。

3.如权利要求1所述的一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：所述钎剂与所述钎料的质量比为1:（8至10）。

4.如权利要求1所述的一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：退火温度为460℃至500℃。

5.如权利要求1所述的一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：所述稀土元素为Ce和/或Y。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种预置钎料焊接Al-Cu异种材料的方法，其特征在于：焊接的采用激光熔钎焊；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。