一種異種金屬焊接中間層的製備方法
2023-04-28 22:17:31 1
專利名稱：一種異種金屬焊接中間層的製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料焊接技術領域，涉及船舶材料加工技術場合中的 一種異種金屬材料焊接中間層的製備方法，特別涉及鈦、銅、鋁等輕合金 中間塗層材料的冷噴塗製備方法。
背景技術：
鈦、銅、鋁等有色金屬合金由於重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、 無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用於各種焊接結構產 品中。目前最常用的焊接方法是手工焊(MMA)，其次是金屬極氣體保護焊 (MIG/MAG)和鴿極惰性氣體保護悍(TIG)。異種金屬之間有時採用直接焊 接，有時採用添加中間層的方式來改進焊接接頭的性能，但對於輕合金材 料的焊接來說目前存在以下幾個技術缺陷:①焊接接頭軟化嚴重,強度係數 低，這也是阻礙輕合金應用的最大障礙;②輕合金表面易產生難熔的氧化膜 (如A1203其熔點為2060°C)，這就需要採用大功率密度的焊接工藝;③輕合 金焊接容易產生氣孔;④輕合金焊接易產生熱裂紋。不少專利文章也提出了 目前焊接方法所存在的問題。
發明專利(200810064272.2)鋁鋼異種金屬預塗層連接方法中公開了 一種鋁鋼異種金屬的連接方法。該發明解決了現有的MI G熔一釺焊方法 受限於鋁基釺料與鋼板之間的潤溼性致使釺料在鋼板上鋪展性能欠佳，焊 縫成形差的問題。用丙酮擦拭鋼板與鋁板的表面，用刷子將混合粉末與黏 結劑拌和的膏狀體刷塗在鋼板表面上，待鋼板表面乾燥後，將鋼板與鋁板 組成鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，利用MI G焊機通過熔化鋁板，同 時保持鋼板為固態，在鋼板一側形成自釺釺焊連接，而在鋁板側形成熔化 焊連接來對搭接接頭進行焊接。該發明提高了鋁基釺料在其上的鋪展性能， 最後可以獲得成形美觀，力學性能優異，強度可靠的鋁鋼異種金屬接頭， 接頭的拉伸強度可以達到鋁母材的8 0%以上。它由以下步驟完成一、
用丙酮擦拭鋼板與鋁板的表面；二、用刷子將混合粉末與黏結劑拌和的膏
3狀體刷在鋼板表面上形成塗層；三、待鋼板表面乾燥後，將鋼板與鋁板組 成鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，其中鋼板上刷塗塗層的表面與鋁板接 觸；四、利用MI G焊機通過熔化鋁板，同時保持鋼板為固態，在鋼板一 側形成自釺釺焊連接，而在鋁板側形成熔化焊連接來對搭接接頭進行焊接。 發明專利(200510096434.7):鎂合金與鈦合金擴散焊接方法中公開了 一種鎂合金與鈦合金擴散焊接方法，包括下述步驟根據鎂合金與鈦合金 的特性，選擇A箔作為鎂合金與鈦合金的焊接中間層，並清潔處理鎂合 金與鈦合金的焊接面以及A 1箔中間層；將A 1箔中間層置於鎂合金與鈦 合金之間，並放置於真空擴散焊爐內上壓頭和下壓頭之間，在壓頭與鎂合 金、壓頭與鈦合金之間放置阻焊層，施加預壓力壓實；對擴散焊爐抽真空， 當真空度優於4. 0*10—3Pa時，加熱到2 0 0 'C並保溫5 1 0 m i n ，充 入氬氣，當真空室壓力達到l 0 0 2 2 0 P a時，關閉充氣閥。繼續升 溫至4 5 0 4 9 5 °C，並保溫6 0 1 8 0m i n，並在4 5 0 4 9 5 'C保溫過程前3 0 m i n施加0 . 3 1 M P a軸向壓力，之後完全卸 壓，達到保溫時間後隨爐冷卻。這種使用A l箔中間層的擴散焊接方法， 可實現鈦合金與鎂合金的焊接。但是焊接工藝非常複雜，並且中間鋁箔的 過渡層對鎂鈦合金的之間連接性能影響很大。
《焊接學報》2005.26 (7): 5 8—鎂鋁異種材料TIG焊接接頭擴散行
為分析中表明鎂鋁直接焊接時，鎂與鋁之間有明顯的界面，鎂元素向鋁母 材中進行大量擴散形成擴散層，鋁元素向鎂母材中的擴散很少，這種擴散 層很容易發生斷裂。如果採用鍍錫焊接，採用熔焊-釺焊連接方法，中間過 渡金屬錫與母材之間形成了一個成分、組織和性能均不相同的過渡區，該 區對接頭性能有著較大的影響，錫過渡層對鎂與鋁的直接接觸起到了一定 得阻礙作用。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求提供一種工藝簡單、 焊接性能良好的輕合金(銅、鈦、鋁等)焊接中間層的冷噴塗製備方法。 所謂冷噴塗是基於空氣動力學與高速碰撞動力學原理的噴塗技術，其原理 是先將高壓氣體(He、 N2、空氣或它們的混合氣體等)導入特殊設計的拉瓦爾噴嘴(Laval nozzle),高壓氣體流過噴嘴喉部後將產生超音速流動，得 到高速氣流(300—1 200 m/s);然後再利用高壓氣體攜帶粉末顆粒(5 50 ixm)從軸向進入噴槍產生高速射流，粉末顆粒在完全固態下高速撞擊基體， 通過產生較大的塑性變形而沉積於基體表面形成塗層；在這一過程中，高 壓氣體可以預熱，以提高氣流速度，從而增加粒子速度；另一方面增加粒 子的碰撞溫度，從而提高粒子的變形能力；預熱溫度根據材料不同， 一般 在100 70(TC ，但遠低於材料熔點，其形成的塗層殘餘應力小，且為壓應 力，有利於沉積厚塗層；塗層緻密，氣孔率低；產生了高硬度的冷加工微 結構。
為了實現上述目的，本發明的技術思路是採用冷噴塗技術方法，先在 一種母材A待焊接接頭部位噴塗一層需要焊接的中間金屬C塗層，塗層厚 度根據焊接需要進行調節， 一般為0.01 20mm;然後採用同種金屬焊接常 用的工藝方法將另一種焊接母材B與噴塗的金屬C塗層相焊接；其中，母 材A包括不鏽鋼、碳鋼、銅、鈦、鋁和鎂金屬基體；母材B包括銅、鈦和 鋁金屬材料，A和B為兩種異種金屬材料；噴塗的中間金屬C塗層包括鋁箔 和錫或母材B中的一種；噴塗的中間金屬C塗層的製備過程如下
1) 將母材A基體待焊接部位噴砂至Sa 2. 5級,達到一般表面預處理要 求；
2) 取壓縮空氣(或氮氣)預熱至200 400度；
3) 將10 100微米粒徑的中間金屬C粉末加入送粉器，在0. 5 2. 5Mpa 壓力下經過拉瓦爾噴嘴進行噴塗；
4) 控制拉瓦爾噴嘴與母材A基體的距離保持在10 50mm;
5) 待2 10分鐘內，在母材A基體表面即可沉積10微米 2釐米厚的 中間層金屬C塗層；
6) 中間金屬C塗層成分含氧量較低,與母材A基體的結合強度達到10Mpa 以上，無熱影響區；
7) 中間金屬C塗層與母材B之間形成一個成分、組織和性能均相同的 過渡區，改進焊接接頭的性能。
本發明方法避免了目前採用其他中間焊接材料所引起的過渡層問題，解決了焊接區與母材之間的結合問題，將複雜的異種金屬焊接轉化為簡單 的同種金屬材料焊接，可提高焊接工藝的可靠性，為異種金屬材料焊接改 善焊接接頭性能開闢了新的道路。
圖1為本發明的實施時不鏽鋼棒外表面冷噴塗鈦塗層圖。 圖2為本發明的實施時不鏽鋼基體與鈦塗層橫截面結構圖。 圖3為本發明的實施時不鏽鋼管與鈦環之間的焊接結構圖 圖4為本發明的實施時碳鋼棒外表面噴塗銅塗層圖。 圖5為本發明的實施時碳鋼基體與銅塗層的橫截面結構圖。
具體實施例方式
下面通過實施例並結合附圖做進一步的說明。
本實施例採用冷噴塗技術，先在一種母材A待焊接接頭部位噴塗一層
中間金屬C塗層，塗層厚度為0. 1 10 Ml;然後採用常規的同種金屬焊接 工藝方法將另一種焊接母材B與噴塗的中間金屬C塗層相焊接；本實施例 的母材A包括不鏽鋼、碳鋼、銅、鈦、鋁或鎂金屬基體；母材B包括銅、
鈦或鋁金屬材料，A和B為兩種異種金屬材料；中間金屬C塗層包括鋁箔和 錫或母材B中的一種；當在母材A上冷噴塗中間金屬C塗層為母材B中的 一種時，為母材B之間的同種金屬焊接。
實施例l:不鏽鋼與鈦異種金屬焊接，中間金屬鈦塗層 先在不鏽鋼(1Crl3)棒表面，控制噴塗溫度300 500度、壓力為2. 0 3. 5Mpa、噴嘴距離為15 30mm條件下運用冷噴塗技術製備中間金屬鈦塗層， 外形和橫截面形貌見圖1、圖2，實際焊接結構見圖3，採用手工鎢極氬弧 焊(TIG)，焊接後冷噴塗的鈦塗層與母材不鏽鋼基體之間結合良好，並具 有良好的可機加工性能，與鈦材性能相似，可以在常規條件下實現不鏽鋼 與鈦材的異種材料焊接。
實施例2:碳鋼與銅異種金屬焊接，中間金屬銅塗層 先在碳鋼棒表面，控制溫度250 450度、壓力為1.5 3.5Mpa、噴嘴 距離為10 40mm條件下運用冷噴塗技術冷噴塗中間金屬純銅塗層，外形和 橫截面形貌見圖4、圖5，冷噴塗的純銅塗層與碳鋼基體之間結合良好，並
6具有良好的可機加工性能，與純銅材性能相似，再在中間金屬銅塗層上焊 接銅，可以實現與銅材的同種材料焊接。
經測試，本實施例焊接的異f金屬接頭，其各種物理、化學或機械性 能均符合設計要求，其主要技術^標均達理想值。
權利要求
1、一種異種金屬焊接中間層的製備方法，其特徵在於採用冷噴塗技術方法，先在一種母材A待焊接接頭部位噴塗一層金屬C中間塗層，其塗層厚度調節範圍為0.01～20mm；然後採用同種金屬焊接常用的工藝方法將焊接母材B與噴塗的金屬C中間塗層相焊接；其中，母材A包括不鏽鋼、碳鋼、銅、鈦、鋁或鎂金屬基體；母材B包括銅、鈦或鋁金屬材料，A和B為兩種異種金屬材料；噴塗的金屬C中間塗層包括鋁箔、錫或母材B中的一種；噴塗金屬C中間塗層的製備過程為1)將母材A基體待焊接部位噴砂至Sa 2.5級；2)取壓縮空氣或氮氣預熱至200～500℃；3)將10～100微米粒徑的金屬C粉末加入送粉器，在0.5～2.5Mpa壓力下進行噴塗；4)控制噴嘴與母材A基體的距離保持在10～50mm；5)待2～10分鐘內，在母材A基體表面沉積10微米～2釐米厚的金屬C中間塗層；6)金屬C中間塗層與母材A基體的結合強度達到10Mpa以上，無熱影響區；7)金屬C中間塗層與母材B之間形成成分、組織和性能均相同的過渡區。
全文摘要
本發明屬於金屬材料焊接技術領域，涉及船舶材料加工技術場合中的異種金屬材料焊接中間層的製備方法，特別涉及鈦、銅、鋁等輕合金中間塗層材料的冷噴塗製備方法，採用冷噴塗技術方法，先在一種母材A待焊接接頭部位噴塗一層金屬C中間塗層，其塗層厚度調節範圍為0.01～20mm；然後採用同種金屬焊接常用的工藝方法將焊接母材B與噴塗的金屬C中間塗層相焊接；其中，母材A包括不鏽鋼、碳鋼、銅、鈦、鋁或鎂金屬基體；母材B包括銅、鈦或鋁金屬材料，A和B為兩種異種金屬材料；噴塗的金屬C中間塗層包括鋁箔、錫或母材B中的一種；其工藝路線合理可靠，焊接質量好，適於異種金屬的焊接，節省時間和材料，成本低。
文檔編號C23C24/00GK101643899SQ20091001826
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月5日 優先權日2009年9月5日
發明者李海濤, 李相波, 黃國勝 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所