专利名称：一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料焊接技术领域，涉及一种金属焊接材料，具体涉及一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法。
背景技术：
异种金属材料焊接构件是两种或多种不同金属材料，经过焊接连接到一起，形成的具有一定使用性能的结构构件。由于其具有良好的综合性能，满足不同工作条件对材质的不同要求，而且还能节约贵重金属，降低结构整体成本，充分发挥不同材料的性能优势， 在航空航天、核工业、钢铁冶炼、汽车、石油化工等领域得到了日益广泛的应用。异种金属材料焊接作为异种金属材料焊接构件成型的重要环节受到人们日益广泛的关注。但是，由于异种金属材料在物理性能、化学性能等方面的显著差异，导致其焊接过程比同种金属材料要复杂的多，而且焊接接头质量难以保证，难以满足构件长时间使用的要求。异种金属材料焊接一直是焊接技术领域的一个重要难题。目前异种金属材料焊接的方法主要包括直接焊接和预制中间过渡层焊接。异种金属材料直接焊接一般需制定严格、复杂的焊接工艺，对焊接操作人员的技术要求高。如发明专利200910M8745. 9公开的一种铸造紫铜氧枪喷头的焊接方法，其紫铜喷头和碳钢管的焊接过程包括焊前准备、焊前预热、焊接条件控制和焊后处理等过程。而且，异种金属材料直接焊接即使制定严格的焊接工艺，由于填充材料和母材性质的差异，焊接接头会存在脆性相、裂纹等缺陷，焊接构件难以达到长时间使用的要求。预制中间过渡层焊接是异种金属材料焊接的一种新思路。申请号为 200910018267. 2的中国专利公开了一种异种金属焊接中间层的制备方法，其焊接方法为， 在待焊接异种金属材料中的一种金属的焊接接头部位，喷涂一层铝箔或锡等中间涂层，然后再与另一种金属材料进行焊接，具体方法是采用冷喷涂技术方法，先在一种母材A待焊接接头部位喷涂一层金属C中间涂层，其涂层厚度调节范围为0. 01 20mm ；然后采用同种金属焊接常用的工艺方法将焊接母材B与喷涂的金属C中间涂层相焊接；其中，母材A 包括不锈钢、碳钢、铜、钛、铝或镁金属基体；母材B包括铜、钛或铝金属材料，A和B为两种异种金属材料；喷涂的金属C中间涂层包括铝箔、锡或母材B中的一种。公开号为CN 101074130A的中国专利公开的一种铝铜异种金属焊接方法为，在铝金属和铜金属之间放置一种银镁镍金属过渡材料，然后将铝金属和铜金属分别与过渡金属材料两端焊接。预制中间过渡层焊接一定程度上减轻了异种金属材料焊接的难度，提高了焊接接头的质量。但是现有工艺中的焊接过渡层的材质与组成均勻单一，与待焊接的异种金属材料必然存在一定的性质差异，焊接接头也容易出现裂纹和脆性相等缺陷；部分采用喷涂或电镀工艺制备的焊接过渡层，厚度薄、附着力差，同样容易造成质量问题，致使构件难以达到预期的使用寿命。可见，如果找到一种过渡的焊接结，能够同时满足与两种不同的待焊接金属母材材质相同或相似，且有着良好的焊接性，将会大大降低异种金属材料焊接的难度，同时提高焊接构件的质量和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于解决异种金属材料焊接难度大及现有技术存在的缺点，提供一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法。本发明的技术方案是
一种适用于异种金属材料焊接的焊接结，其特征在于，所述的焊接结为粉末冶金方法成型、烧结后制得的金属烧结体，包括两层以上，金属元素含量具有梯度结构的金属材料层；其两端面层金属材料分别与待焊接的异种金属母材材质相同或相似。所述的异种金属材料为任意两种不同材质或结构的待焊接金属母材，包括金属或合金材料。例如，铸铁、碳钢、不锈钢，或铜、铝、镁、钛、镍等金属或其合金。所述的端面层金属材料与金属母材材质相似，是指两者主要组成元素相同，且主要组成元素含量相同，或主要组成元素含量差异小于20% (wt%)，从而使两者有着良好的焊接性。所述的焊接结，优选在两端面层之间至少包含一层过渡层，端面层与过渡层、过渡层与过渡层之间，其主要组成元素含量呈梯度分布。主要组成元素含量梯度优选线性梯度分布。所述的梯度结构金属材料层每一层厚度优选为0. 1 - 10 mm。本发明的焊接结，在焊接过程中焊接结两端分别与待焊接的两种异种金属母材进行焊接连接。由于两端面层金属材料与待焊接的金属母材材质分别相同或相似，两者有着良好的焊接性，焊接结与两异种金属母材之间的焊接相对容易，从而大大减轻焊接的难度， 提高焊接结头的质量。焊接结中梯度结构的过渡层，可以消除异质金属连接易出现的结构上的缺陷，提高两端面层以及各过渡层之间的金属结合力，保证焊接结本身的强度。焊接结与两异种金属母材之间的焊接采用普通的熔焊或钎焊等方法均可，根据不同材质选择相应的填充材料。本发明还涉及所述焊接结的制备方法，所述的适用于异种金属材料焊接的焊接结采用粉末冶金法制备。所谓粉末冶金是指用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物) 作为原料，经过成形和热处理烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。本发明的焊接结制备的方法为根据待焊接的两种异种金属母材的材质，选择金属粉末作为原材料；将所选金属粉末及有机添加剂或不加添加剂，按配比混合，配制出异种金属母材中主要元素含量呈梯度变化的两种以上混合粉料；采用粉末冶金成型技术将配制的金属粉料成型为主要元素含量为梯度结构的金属胚体，其中金属胚体两端的金属粉末层分别与待焊接的异种金属母材材质相同或相似；再经热处理制得致密的梯度结构金属材料；或采用分次成型与热处理结合制得所述的梯度结构金属材料；最后经机械加工形成焊接结。所述的焊接结的制备方法中，所选金属粉末为待焊接异种金属母材材质相同的粉末；或选择待焊接金属母材主要组成元素的单质粉末，在金属母材的组分和含量范围内添加或不添加其它元素。
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所述的有机添加剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛、石蜡或硬脂酸。粉末冶金成型技术可以采用模压、冷等静压、热等静压、注射成型、注模成型等方法中的一种或几种。所述的热处理方法包括烧结。烧结温度和气氛可以根据成型的金属胚体的元素和组成确定。制备好的焊接结进行强度等性能的测试，确定其适合用于异种金属材料之间的连接焊接。本发明的有益效果在于本发明的适用于异种金属材料焊接的焊接结，其两端材质分别与待焊接异种金属母材相同或相似，且有着良好的焊接性，能大大减轻异种金属材料焊接构件成型的焊接难度，同时提高焊接接头的质量。焊接结中的梯度结构，可以消除异质金属连接易出现的结构上的缺陷，提高两端面层以及焊接结内部的金属结合力，保证焊接结本身的强度。本发明采用粉末冶金方法制备梯度结构的焊接结，制备过程简单，易于操作，制备的焊接结金属性能良好，满足异种金属焊接构件的焊接成型的需要。本发明的焊接结及其制备方法是提高异种金属材料焊接构件使用性能和寿命的有效方法。
图1为本发明实施例1、3制备的梯度结构焊接结结构示意图。图2为本发明实施例2制备的梯度结构焊接结结构示意图。
具体实施例方式下面以具体实施例对本发明进行详细描述，所述的实施例有助于对本发明的理解和实施，并非构成对本发明的限制。实施本发明，除具体实施例中所涉及的金属材料及其焊接结外，本领域技术人员还可以对其进行功能上相同或相似的替换，例如改变金属粉末的组成和含量梯度，以及金属粉末成型、烧结方法。对于不同金属的粉末冶金方法，本领域技术人员不难根据现有的工艺技术，选择合适的成型和烧结工艺。本发明的保护范围并不以具体实施方式
为限，而是由权利要求加以限定。实施例1 不锈钢和钛异种金属材料的焊接结及其制备，焊接结为钛和不锈钢的梯度结构合金材料。首先分别配制五组组分依次变化的不锈钢粉和钛粉的混合粉料；所用不锈钢粉材质为304 L，钛粉为市售纯钛粉；五组混合粉料中不锈钢粉质量含量分别为90 %、70 %、50 %、30 %、10 %，其余为钛粉，将其分别编号为1、2、3、4、5。然后将所配制的不同组分混合粉料按编号由小到大顺序依次装入静压模型中，并由冷等静压在200 MI^压力下压制成型。压制成型的金属胚体其结构如附图1所示，A，B分别为待焊接的不锈钢材料和钛金属材料。所压制的焊接结金属胚体结构如C所示，左端面层不锈钢粉质量含量为90 %，钛粉含量为10 % ；右端面层钛粉质量含量为90 %，不锈钢粉含量为10 %;中间三层粉料中两组份含量依次变化，分别为不锈钢粉质量含量70 %、50 %和30 %，其余为钛粉，从而使压制的焊接结金属胚体中不锈钢和钛两组份含量分别呈梯度变化。最后将压制好的胚体在1500 ！的温度下进行热压烧结，对烧结体进行机械加工，
5即制备出结构如C所示的，适用于不锈钢和钛异种金属材料焊接的梯度结构焊接结。
实施例2 铜和低碳钢异种金属材料的焊接结及其制备，焊接结为铜和铁的梯度结构合金材料。选择铜粉和铁粉作为原材料，采用分次成型和烧结结合的方法来制备用于铜和低碳钢异种金属材料焊接的梯度结构焊接结。首先取一定量纯铁粉装入模压模型中，120 MPa 压力下模压成型，将胚体放入刚玉模具中1500 °C烧结出一定厚度的致密铁块；然后取铜粉和铁粉按质量比1:1配置出混合粉料，将混合粉置于模压模具中的铁块之上，同样条件下模压制成一定厚度的混合胚体，1400 ！烧结制得两层的梯度结构材料；再配置一定量的铜粉质量含量85 %的铜铁混合粉料，并模压压制成型，最后1300 °C条件下烧结制备出三层的梯度结构金属材料；最后经机械加工制备出用于铜和低碳钢异种金属材料焊接的梯度结构焊接结。焊接结的结构如图2所示，A、B分别为待焊结的低碳钢和铜金属材料。C为所制备的梯度结构焊接结，焊接结包括三层，左端为纯铁材料，右端为铜含量达85%的铜铁合金， 中间一层为过渡层，为铜和铁质量含量各占50%的合金。焊接中焊接结的左右端分别与低碳钢和铜焊接连接。
实施例3 铝和镁异种金属材料的焊接结及其制备，焊接结为铝和镁的梯度结构合金材料。首先分别配制五组组分依次变化的铝粉和镁粉的混合粉料，五组混合粉料中铝粉质量含量分别为95 %、75 %、50 %、25 %、5 %，其余为镁粉，将其分别编号为1、2、3、4、5。将所配制的不同组分混合粉料按编号由小到大的顺序依次装入静压模型中，然后等静压200 MPa压力下压制成焊接结金属胚体。通过控制各混合粉料的组成和装填顺序来调节焊接结胚体的梯度结构。焊接结胚体的结构可参见附图1所示。本实施例中，A，B分别为待焊结的铝金属材料和镁金属材料， 焊接结金属胚体结构如C所示，一端为铝粉质量含量为95 %，镁粉含量为5 %;另一端为镁粉质量含量为95 %，铝粉含量为5 %;中间三层粉料中两组份含量依次变化，分别为铝粉质量含量75 %、50 %和25 %，其余为镁粉，从而使压制的焊接结金属胚体中两组份含量呈梯度变化。最后将压制好的胚体在600 0C的温度下进行热压烧结，对烧结体进行机械加工， 即制备出用于铝和镁异种金属材料焊接的梯度结构焊接结。
权利要求
1.一种适用于异种金属材料焊接的焊接结，其特征在于，所述的焊接结为粉末冶金方法成型、烧结后制得的金属烧结体，包括两层以上，金属元素含量具有梯度结构的金属材料层；其两端面层金属材料分别与待焊接的异种金属母材材质相同或相似。
2.根据权利要求1所述的焊接结，其特征在于，所述的金属母材包括铸铁、碳钢、不锈钢，或金属铜、铝、镁、钛、镍及其合金。
3.根据权利要求1所述的焊接结，其特征在于，所述的端面层金属材料与金属母材材质相似，是指两者主要组成元素相同，且主要组成元素含量相同，或主要组成元素含量差异小于 20% (wt%)。
4.根据权利要求1所述的焊接结，其特征在于，所述的焊接结，在两端面层之间至少包含一层过渡层，端面层与过渡层、过渡层与过渡层之间，主要组成元素含量呈梯度分布。
5.根据权利要求4所述的焊接结，其特征在于，所述的主要组成元素含量的梯度分布为线性梯度分布。
6.根据权利要求1所述的焊接结，其特征在于，所述的梯度结构金属材料层每一层厚度为0. 1 10 mm。
7.—种权利要求1所述的适用于异种金属材料焊接的焊接结的制备方法，采用粉末冶金方法制备，其特征在于，根据待焊接的两种异种金属母材的材质，选择金属粉末作为原材料；将所选金属粉末及有机添加剂或不加添加剂，按配比混合，配制出异种金属母材中主要元素含量呈梯度变化的两种以上混合粉料；采用粉末冶金成型技术将配制的金属粉料成型为主要元素含量为梯度结构的金属胚体，其中金属胚体两端的金属粉末层分别与待焊接的异种金属母材材质相同或相似，再经热处理制得致密的梯度结构金属材料；或采用分次成型与热处理结合制得所述的梯度结构金属材料；最后经机械加工形成焊接结。
8.根据权利要求7所述的焊接结的制备方法，其特征在于，所述的金属粉末为待焊接异种金属母材材质相同的粉末；或为待焊接金属母材主要组成元素的单质粉末，在金属母材的组分和含量范围内添加或不添加其它元素。
9.根据权利要求7所述的焊接结的制备方法，其特征在于，所述的有机添加剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯缩丁醛、石蜡或硬脂酸。
10.根据权利要求7所述的焊接结的制备方法，其特征在于，所述的粉末冶金成型技术为模压、热等静压、冷等静压、注射成型、注模成型方法中的一种或者几种。
全文摘要
本发明公开了一种适用于异种金属材料焊接的焊接结及其制备方法。所述的焊接结为粉末冶金方法成型、烧结后制得的金属烧结体，其金属元素含量具有梯度结构，两端材质分别与待焊接的两种异种金属母材相同或相似，且有着良好的焊接性。所述的焊接结的制备方法为粉末冶金法，根据异种金属母材的材质选择金属粉末，配制出异种金属母材中主要元素含量呈梯度变化的两种以上混合粉料，经成型、热处理和机械加工制得梯度结构焊接结。本发明的焊接结金属性能良好，能满足异种金属焊接构件的焊接成型。本方法解决了异种金属材料焊接难度大及焊接接头质量差、易失效等问题，是提高异种金属材料焊接构件使用性能和寿命的有效方法。
文档编号B22F3/16GK102407408SQ201110286030
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者俞健, 吴伟, 朱祥华, 袁琪琛, 黄彦 申请人:南京工业大学