一种铝件圆形导电铜层低压冷喷涂成型工艺的制作方法

本发明涉及金属表面处理，具体涉及一种铝件圆形导电铜层低压冷喷涂成型工艺。

背景技术：

1、铝及铝合金密度小、导热性好、成本可控，被广泛用作电气连接件与散热结构件的基体材料。但铝在空气中表面自然生成致密的氧化铝膜，该膜电阻率高，使铝件表面直接作为电接触面时接触电阻偏大且分散；铝与铜的标准电极电位亦存在差异，铝件与铜质导体直接接触时，接触界面在潮湿环境下具备发生电化学腐蚀的条件。为此，工程上通常在铝件需要导电或需要与铜质导体连接的局部区域制备一层铜层，由该铜层承担电接触与连接的功能。

2、由于承担电接触的部位多为紧固件孔位周边、端子压接面或接地面，该导电铜层在铝件上通常表现为一个位置、直径与厚度均有明确要求的圆形区域；而铝件的其余表面往往兼作装配基准面、密封面或散热面，不允许因制备该铜层而发生材料损失、表面划伤或介质残留。

3、在铝件表面制备铜层的已有方式包括电镀铜、化学镀与热喷涂。电镀与化学镀需要成套的槽液体系并以酸洗作为前处理工序；热喷涂过程中铜粉处于熔融或半熔融状态，对铝基体的热输入较大。为在较低的热输入条件下获得致密的铜层，冷喷涂技术被引入该领域，其以高速气流将固态金属粉末加速至临界速度以上，使粉末粒子撞击基体后发生塑性变形而沉积，全过程中粒子不发生熔化。

4、例如，公开号为cn104561989b的中国发明专利公开了一种铝碳化硅冷喷镀铜方法及所得电子封装底板，其以冷喷工艺在铝碳化硅表面直接形成铜层，载气温度为350～400℃、载气压力为1.8～2.0mpa、喷涂距离为20～40mm，并公开该方法所得铜层致密、厚度均一、附着力强、可焊性好。该方案在避免湿法镀液体系方面相对于前述方式确有进步。

5、上述方案的公开内容围绕载气温度、载气压力与喷涂距离等沉积参数展开，未涉及喷涂区域在工件上的定位方式，未涉及铜层最终几何边界的确定方式，亦未涉及未沉积粉末的收集与回用。由此，当把该路线用于在铝件上成型位置与直径均有明确要求的圆形铜层时，铜层的几何边界并非在沉积开始之前被确定，而是在沉积结束之后经由遮蔽件的形状、喷涂参数在边缘处的衰减或后续的修整工序被动形成。

6、与之相应，行业内通常把该路线拆成基体清洁、表面预处理、定位遮蔽、冷喷涂、边缘修整与质量检测若干道分立工序分别实施：工序之间需要转序与重新装夹，喷涂坐标系、修整坐标系与检测坐标系彼此独立，圆形铜层的位置与厚度在各次装夹之间容易出现波动；为使铜层与铝基体获得足够结合，前处理环节通常以酸洗去除氧化膜或以喷砂建立表面粗糙度，二者均以去除铝基体表层材料为代价，喷砂磨料还容易嵌入铝基体表层；喷涂结束后为修齐边界所进行的打磨，则会去除已沉积的铜材料并可能在相邻表面留下划伤。

7、此外，冷喷涂单道沉积体在垂直于走枪方向上的截面通常呈中间厚、两侧薄的分布，若边界只能在沉积之后被动形成，边界处的厚度过渡便缺少可依据的控制量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铝件圆形导电铜层低压冷喷涂成型工艺，以解决现有工艺中圆形铜层的边界只能在沉积完成之后由修整工序被动形成，从而损伤铝基体、且铜层位置与厚度在批量之间波动的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种铝件圆形导电铜层低压冷喷涂成型工艺，其特征在于，在同一装夹状态下依次连续执行下述步骤s1至s7，且全过程中不对铝基体实施酸洗与喷砂、不对铜层实施喷后打磨：

4、s1、将铝件装夹于定位工装，将预成型环形定位遮蔽件按目标圆形区域的位置与直径就位并压紧贴合于铝件的待喷涂表面，以该预成型环形定位遮蔽件的内孔轮廓限定圆形喷涂区域，并以该内孔轮廓作为圆形导电铜层的最终边界，并保持该装夹状态直至步骤s7完成；

5、s2、在所述内孔所限定的圆形区域内，以低温干式清洁方式或中性去污方式清除表面油污与松散附着物，清洁过程中不使用酸性介质、不去除铝基体表层材料；

6、s3、在所述内孔所限定的圆形区域内，以压印、滚压或微冲击的塑性成形方式在铝基体表面形成局部微纹理，该处理不引入外来磨料、不去除铝基体表层材料；

7、s4、轮廓预封边：以低于步骤s5的送粉速率和低于步骤s5的走枪速度，沿所述内孔轮廓走枪至少一周，在边界处形成连续的封边铜层，封闭所述预成型环形定位遮蔽件的内孔边沿与铝基体表面之间的贴合缝隙；

8、s5、主体分区沉积：将所述内孔所限定的圆形区域按目标厚度分布划分为至少两个沉积分区，对各沉积分区分别设定送粉速率、走枪速度、搭接率与走枪路径，并依序完成各沉积分区的低压冷喷涂沉积；沉积过程中实时采集铝基体的温升并将其限制在设定阈值以内，当温升趋近该阈值时，通过降低送粉速率、提高走枪速度或插入停喷间隔予以调节；

9、s6、渐变收边：在所述预成型环形定位遮蔽件移除之前，自所述圆形区域内侧朝向所述内孔轮廓，以递减的送粉速率和递增的走枪速度完成收边道次，使铜层厚度自主体区厚度向所述内孔轮廓处连续过渡，边界的位置仍由所述内孔轮廓确定；

10、s7、在线质量检测：移除所述预成型环形定位遮蔽件，并在所述装夹状态保持不变的条件下，以步骤s1中所述内孔轮廓所限定的位置为几何基准，检测已成型铜层的边界位置、厚度分布与表面状态，并将检测结果与步骤s5、步骤s6中的所述设定相比对，当检测结果超出设定范围时，在该装夹状态内对相应的沉积分区补充沉积。

11、在步骤s4至步骤s6的沉积过程中，负压集粉口随喷枪同步移动并沿所述预成型环形定位遮蔽件的外周布置，收集未沉积的铜粉；将单位时间回收粉量与集粉负压值同当前沉积分区的送粉速率与走枪速度相比对，在送粉速率与走枪速度既定的条件下，以回收粉量升高超出设定范围表征该沉积分区的沉积效率下降，并据以调整该沉积分区的送粉速率与走枪速度。

12、进一步地，所述预成型环形定位遮蔽件的内孔边沿设有朝向铝基体一侧收窄的倒角或弹性贴合唇边，于步骤s1压紧时与铝基体表面贴合。

13、进一步地，所述预成型环形定位遮蔽件朝向喷枪的一侧由硬度高于所述铝件的材料制成，或者其朝向喷枪的表面设有低沉积性涂层，使附着于其上的粉末易于脱落并被负压集粉口收集。

14、进一步地，步骤s4中的送粉速率不高于步骤s5中送粉速率的二分之一，步骤s4中的走枪速度不高于步骤s5中走枪速度的二分之一，且沿所述内孔轮廓的走枪周数为一周至三周。

15、进一步地，步骤s5中所述沉积分区按同心环划分，各同心环的搭接率自所述圆形喷涂区域的中心向所述内孔轮廓方向递增。

16、进一步地，步骤s5中所述铝基体的温升采用非接触方式测量，测点至少设于所述圆形喷涂区域的中心与所述预成型环形定位遮蔽件的外周各一处；所述设定阈值低于所述铝件的牌号所对应的软化温度。

17、进一步地，步骤s6中所述收边道次的收边宽度与铜层的目标厚度成正比。

18、进一步地，步骤s7中所述检测采用涡流测厚与视觉边界识别相结合的方式，分别取得所述厚度分布与所述边界位置。

19、进一步地，由所述负压集粉口所收集的未沉积铜粉，经筛分与除湿之后按设定比例回用于步骤s5的低压冷喷涂沉积。

20、进一步地，所述低压冷喷涂的载气为压缩空气或氮气，载气压力为0.5～1.0mpa，载气预热温度为300～550℃，所用铜粉的粒径为10～50μm，步骤s5中的送粉速率为0.2～0.8g/s。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：圆形铜层的最终边界在沉积开始之前即由预成型环形定位遮蔽件的内孔轮廓以实体形式给出，其贴合缝隙先经轮廓预封边封闭、其厚度过渡再由渐变收边完成，边界的成型因而不再依赖喷后打磨，铝基体亦无须经酸洗与喷砂即可建立结合，铝基体与已沉积铜层均不发生材料去除；上述各步骤在同一装夹状态下连续执行，在线检测与集粉回收状态所反映的偏差可在本次装夹内直接修正，使圆形铜层的位置、边界与厚度在批量之间保持一致；未沉积粉末在扩散之前即于同一工位被收集，不与打磨屑、磨料相混杂。本发明工艺连续，无湿法废液，适于工业化生产。