CN101151119A - 用于焊接操作的自耗填充金属的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预先确定供焊接操作之用的长度和横截面积、丝、条或棒，及其类似物形式的自耗填充金属的生产方法，其中，该方法包括以下工序：提供一种第一金属的铸块和一种或多种不同的另外金属；通过使第一金属的铸块具有基本上互相平行的一个或多个空心型芯，并将不同的另外金属置于该空心型芯中，形成一种复合制品；对复合制品施压使其横截面积减少到预先确定的横截面积以形成原料；可选择地进一步通过机械压力使原料变形形成最终横截面积的丝、条或棒，这样当丝、条或棒在焊接操作过程中用作填充金属或自耗电极时完成第一金属与不同的另外金属的最终合金化阶段。本发明进一步涉及根据本发明方法得到的填充金属在焊接铝构件组件中的用途。

Description

用于焊接操作的自耗填充金属的制备方法
技术领域
本发明涉及一种自耗填充金属的制备方法，在上述制备方法中，上述自耗填充金属优选为丝，条或棒，及其类似物的形式，预先确定供焊接操作之用的长度和横截面，优选用于焊接铝合金。本发明进一步涉及通过本发明方法得到的填充金属在焊接铝构件组件中的用途。
此处使用的合金构件与铝协会众所周知的铝合金产品标准一致。除非另有描述，所有的百分数是指重量百分数。
背景技术
工业规模制造自耗填充金属的常用技术是通过以例如矩形条的形式连续铸造焊接填充合金实施的。用于这些产品的连续铸造技术是通过在一个铸造轮，通常叫做PROPERZI(商标)轮上铸造条材实施的。条材随后在线轧制成约8-10mm直径的圆条。另一个通用技术是CONFORM(商标)工艺，是一个连续挤压技术，其中也使用了一个大转轮，其置于具有连续铸造设备的生产线中以提供用于挤压的原料。该技术可用作上述轧制工艺的替换。对于多数焊丝来说，由于更好的金属质量，其与没有工艺污染物例如油脂相关，与铸造-挤压工艺相比更优选铸造-轧制工艺。
条材可以直接盘绕，或在轧制工序之后再盘绕，然后接着拉伸生产标准直径的焊接填充焊丝。
另一个工业规模制造自耗填充金属的方法是铸造预先确定化学组成的焊接填料合金铸块，一般在高温下挤压该铸块，然后挤压的棒材可被拉成金属丝。当用来焊接铝合金时，精拉的金属丝的直径通常为0.5-6.0mm的范围。
然而，这些已知的技术已经被证明不适合生产某些焊接填充金属，特别是在变形操作期间变得非常脆的那些，这可能是由于应变硬化和/或因为由于低熔点相的存在在变形操作期间高温下裂缝的形成。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种制备自耗填充金属的方法，该方法可用于非常宽范围的合金。
本发明的另一个目的是提供一种制备具有Mg作为其组分之一的自耗铝合金填充金属的方法。
这些目的的一个或更多可通过根据本发明的制造自耗填充金属的方法实现，上述制造方法中，自耗填充金属优选为丝，条或棒，及其类似物的形式，并具有预先确定的供焊接操作之用的长度和横截面，优选用于焊接铝构件组件。其中，该方法包括以下工序：提供第一金属的铸块和一种或多种不同的另外金属的金属型芯或物体；
通过使第一金属的铸块具有基本上互相平行且与铸块轴平行的一个或多个空心型芯或孔，并将不同的另外金属的金属型芯或物体放置或设置在空心型芯中形成复合物(composite compound)(也称为复合制品)；
优选在高温下，对复合物加压以降低其横截面积至预先确定的横截面积形成原料；
可选地进一步通过机械压力使原料变形成最终横截面积的丝，条或棒，这样当丝，条或棒在焊接操作过程中用作填充金属或自耗电极时，完成第一金属和不同的另外金属的最终合金化阶段。
用根据本发明的方法，不同的金属通过压力或变形工序彼此冶金接合，这样当使用最终的自耗丝，条或棒及其类似物时将只有在最终焊接阶段得到需要的或目标的合金系统。通过有效地将最终合金系统分为或分离成两个或更多个不同的合金部分，可以选择不同部分的组分，这样组合物比起从生产工艺最初就使用单一合金系统时更容易处理和/或变形。
这使得可以处理否则会太硬或太脆的合金，例如含有大量Mg的铝合金。
进一步，使得可以处理具有低熔共晶相，否则会限制以传统方法加工的合金。
此外，使得可以处理高合金化金属系统，其否则会形成具有高熔点的大的金属间颗粒(例如，铝合金中的含有Cr和Zr的化合物，尤其是与所存在的相当量的Mn结合时)，并将会在焊接时出现或不利地影响制造过程中合金的加工。由于现在可分离合金系统，这样可避免或至少显著降低大量金属间颗粒或化合物的形成。
优选实施方案的详细说明
对于本领域技术人员来说显而易见，根据合金系统的不同，第一金属铸块设有一个孔或空心型芯，其中彼此同轴地放置第二种不同金属的嵌入物或物体，或第一金属铸块设有多个孔或空心型芯，优选彼此以一定间隔排列，其中可放置第二种金属的金属型芯。在设有多个孔或空心型芯的实施方式中，可使用超过一种的不同金属以达到所需要的在最后焊接工序获得的填充金属最后的合金组分，例如由具有Mg合金的金属型芯和Al-Zr合金的金属型芯的AlMn-合金铸块制得的复合物(也定义为复合制品)以实现在焊接操作过程中的Al-Mg-Mn-Zr填充系统。
在一个实施方案中，用于形成复合物的第一金属铸块的直径范围为50-500mm，更优选100-350mm的范围。
第一金属铸块上的一个或多个空心型芯或孔可通过以下方法之一获得：机械加工或研磨例如在铸块上钻孔或其他的机械操作，通过挤压较大直径的铸块获得具有一个或多个空心型芯的铸块或压出品，通过使用常规铸造技术铸造具有中心空心型芯的铸块，通过两个或多个这些技术的组合。
在本发明的一个实施方案中，施加于复合物上的压力是通过挤压实现的，可以是直接的或间接的挤压。在另一个实施方案中通过静液力挤压施加压力。静液力挤压在复合物上提供了更加均匀的压力产生更均匀的原料。进一步，静液力挤压的挤压速度可比常规的挤压工艺高很多。并且比起常规挤压，静液力挤压可在较低的温度下应用，同时还具有经济的挤压速度，因此使得可以加工在高温下会导致共晶熔化的金属。
如果应用一个挤压工艺，为了改善第一和第二金属之间的结合挤压比优选超过60∶1，更优选超过80∶1，甚至更优选超过100∶1。
生成的原料通常具有5-30mm范围的横截面直径。
优选通过拉制，尤其是拉丝进一步使原料变形，并且在必要处使用多丝拉制工序。在拉制操作期间，可根据合金系统使用中间退火。根据合金的化学性质，拉制品然后可最后退火。并根据其中使用制成的填充金属产品的焊接操作，通过本领域已知的方案清洁表面，例如除去表面的细小碎片。已经发现，比起经传统方法得到的单一合金系统的金属丝，对于数个合金系统，原料的拉丝操作更容易和快捷。
在使用拉制工艺的情况下，拉制压缩率优选超过20％，更优选超过30％，以改进第一和第二金属之间的结合。
完成的丝，条或棒，及其类似物的直径，通常在0.4-6.0mm的范围。完成的丝，条或棒可切割成任何需要的长度或选择性地盘绕。
最好在变形工序之前清洁彼此相对的空心型芯和第二金属的嵌入物或物体的表面，除去多余的氧化物，油脂等。然而，通常不必要彻底清洁表面，而且在金属储存期间形成的普通氧化物层通常被遗留而在成品中不会产生第一和第二金属之间结合的破坏。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，第一金属是铝合金，且得到的填充金属用于焊接铝合金构件。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，至少一种第二金属是不同于第一金属的铝合金或是镁或镁合金。需要理解的是插入到空心型芯中的第二金属是由整块材料而不是由金属粉末或压紧的薄片制成的。适宜的第二金属的形式是，例如，具有预先确定的化学组分的圆棒，扁棒，六边形棒或条。
在另一个实施方案中，至少一种第二金属是Al-Zr合金，并且通常含有0.2-4.0wt.％的Zr作为其组分之一。Zr作为合金元素在比例如直接浇注法(DC casting)具有显著的更高的冷却速率的焊接操作期间发生固化。结果是可将更多的Zr添加给焊接金属，如果需要甚至可以高于它在Al中的正常溶解度，而没有有害的粗糙金属间化合物的形成。
根据本发明的方法可以使填充金属的范围扩大，包括本领域常规的焊接填充金属，例如AA5183，AA5356，AA5556，AA5087，和AA5187或其变体。
在一个优选实施方案中，在最后焊接工序在填充金属中得到的合金系统是在5xxx铝填充合金的范围之内，上述5xxx铝填充合金含有4.0-10.0wt.％的Mg，优选5.0-9.0wt.％的Mg作为其主要组分之一。
在一个优选实施方案中，在最后焊接工序在填充金属中得到的合金系统的化学组成为，以wt.％计：
Mg5.5-9.5
Mn0.6-2.0
Zn0.2-1.6，并优选0.2-0.9
Zr≤0.4，并优选0.05-0.3
Cr≤0.5
Sc≤ 2.8
Cu≤0.5，优选≤0.15
Fe≤0.5
Si≤0.5
Ti≤0.3，
余量为铝和偶然元素以及杂质，通常各＜0.05，总量＜0.15。
在一个该填充金属的特别优选的实施方案中，其包含，以wt.％计：
Mg6.0-7.5，并优选6.2-7.5
Mn0.9-2.0，并优选1.0-1.8
Zn0.2-1.0，并优选0.3-0.9，
及如上所述的其他元素Zr、Cr、Sc、Cu、Fe、Si、Ti
在另一个该填充金属特别优选的实施方案中，其包含，以wt.％计：
Mg7.0-9.5，  并优选7.5-8.5
Mn0.9-1.45，并优选0.9-1.25
Zn0.2-1.0，  并优选0.3-0.9，
及如上所述的其他元素Zr、Cr、Sc、Cu、Fe、Si、Ti。
在另一个实施方案中，在最后焊接工序在填充金属中得到的合金系统是在7xxx铝填充合金范围之内，上述7xxx铝填充合金含有4.0-9.0wt.％的Zn，优选4.0-5.5wt.％的Zn作为其主要组分之一，优选小于5.0wt.％范围的Mg作为其他的主要组分，并优选0.5-2.0wt.％范围的Mg。当用于焊接7xxx-系列合金构件时，填充金属中的Cu含量优选小于0.5wt.％。
在另一个实施方案中，在最后焊接工序在填充金属中得到的合金系统是在含有0.4-4.0wt.％Li的Al-Li合金系统中。
在另一方面，本发明涉及通过根据本发明的方法得到的自耗填充金属在焊接构件组件中的用途，其中，至少一个构件由选自5xxx-系列，6xxx-系列和7xxx-系列合金的铝合金制成。
在一个优选实施方案中至少一个构件具有以下组成，以wt.％计：
Mg4.0-6.2，并优选4.7-5.6
Mn0.3-1.4，优选0.4-1.2，并更优选0.6-1.1
Zn0.25-1.5，优选0.25-0.80，并更优选0.30-0.65
Zr0.05-0.30
Cr最多0.3
Ti最多0.2
Fe最多0.5，并优选最多0.25
Si最多0.5，并优选最多0.25
Cu最多0.25，并优选最多0.10
Sc最多0.5，
余量主要是铝和偶然元素及杂质，通常各＜0.05，总量＜0.15。
通过根据本发明的方法获得的自耗填充金属也可用于焊接至少一个构件为铸件(cast product)或铸造产品(foundry product)的构件组件，例如沙型铸造或压力铸造产品，优选具有选自含有3xx-，4xx-，5xx-，6xx-和7xx-系列合金的组成。
本发明将参考根据本发明的非限制的实施方案进行说明。
实施例
以工业规模直接浇注的铝合金的挤压坯在除去表皮后，具有160mm的直径。该合金是变性的非常易于铸造的3xxx-系列合金。通过钻孔，铸块在其中心具有一个52.0mm直径的孔。在该孔中放置一个具有51.8mm直径和与铸块类似长度的条以形成复合物(也定义为复合制品)。坯料和金属型芯的合金组成的必要合金元素汇总于表1，该条材来自于商业上可获得的AZ31镁合金，对于两个制品Fe和Si的含量在常规范围之内。复合物在约250℃的温度下成功地静液力压制成直径10mm的原料。原料被拉丝成1.2mm直径的MIG焊接填充金属丝。焊接填充金属丝的最终组成也在表1中给出。该填充金属丝已经成功地用于AA5059板材料的MIG焊接组件。
也已经尝试直接浇注如上所述相似厚度的挤压铸块，其具有如表1所列的作为焊接填充金属的单一合金的最终组成。这会导致铸造炉中镁过度烧尽，在铸锭直径方向上合金元素强烈的严重偏析，非常差的表面质量，这样实际的铸件的量得去掉表皮，并且挤压操作中裂缝形成严重。已经发现该生产方法对于以可靠的、始终如一的、经济诱人的方式生产具有高的Mg含量的焊接填充金属丝没有任何吸引力。
通过连续铸造技术，接着通过CONFORM(商标)挤压技术已经铸造了同样的合金成分，但其显示是不可能的。在低的铸造速度下铝合金太冷也因此太硬并且不能从铸造轮上卸掉。在随后的挤压工序中，合金好像太硬而难以加工且在变形期间加热材料会导致共晶熔化。据说具有超过5.4wt.％的Mg的铝合金不能通过该技术也不能通过其替换的连续铸造轧制技术加工。
表1
  产物形状     必要合金元素，以wt.％计
    Mg     Mn     Zr     Zn     Al
  铸块     0.14     1.06     0.13     0.68     余量
  杆材     余量     0.3     -     1     3
  填充金属丝     7.0     1.0     0.12     0.7     余量
现在已经充分描述了本发明，对本领域普通技术人员显而易见的是可在不脱离此处描述的本发明的精神和范围的情况下作出多种变化和修改。

Claims (24)

1.一种生产自耗填充金属的方法，在上述方法中，所述自耗填充金属为丝，条或棒及其类似物的形式，并具有预先确定的供焊接操作之用的长度和横截面积，其中，该方法包括以下步骤：
-提供一种第一金属的铸块和一种或多种不同的另外金属；
-通过使第一金属的铸块具有基本上互相平行的一个或多个空心型芯，并将不同的另外金属放置在该空心型芯中，形成复合制品；
-对复合制品加压使其横截面积减少到预先确定的横截面积以形成原料；
可选择地进一步通过机械压力使原料变形成最终横截面积的丝，条或棒，这样当丝，条或棒在焊接操作过程中用作填充材料或自耗电极时，完成第一金属和不同的另外金属的最终合金化阶段。
2.根据权利要求1的方法，其中通过挤压，优选液力静挤压对复合制品加压。
3.根据权利要求2的方法，其中，在挤压过程中，使用的挤压比超过60∶1，优选超过80∶1，更优选超过100∶1。
4.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中通过拉制进一步使原料变形。
5.根据权利要求4的方法，其中拉制压缩率至少为20％，优选至少为30％。
6.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第一金属是铝合金。
7.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第二金属是不同于第一金属的铝合金。
8.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第二金属是镁或镁合金。
9.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第二金属是Al-Zr合金。
10.根据权利要求9的方法，其中第二金属是具有0.2-4.0％范围Zr的Al-Zr合金。
11.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第二金属由整块材料制成。
12.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中第一金属铸块的直径为50-500mm的范围，优选100-350mm的范围。
13.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中原料横截面直径为5-30mm的范围。
14.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中填充金属或自耗电极的最终横截面直径为0.4-6.0mm的范围。
15.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中最后填充金属是含有4-10wt.％、优选5-9％Mg的5xxx-系列铝合金。
16.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中最后填充金属具有选自AA5183，AA5356，AA5556，AA5087，和AA5187的合金范围之内的化学组成。
17.根据前述权利要求的任何一项的方法，其中最后填充金属具有以下组成，以wt.％计，
Mg 6.0-9.5
Mn 0.6-2.0
Zn 0.2-1.6，并优选0.2-0.9
Zr≤0.4，并优选0.05-0.3
Cr≤0.5
Sc≤2.8
Cu≤0.5，优选＜0.2
Fe≤0.5
Si≤0.5
Ti≤0.3，
余量为铝和偶然元素以及杂质。
18.根据权利要求17的方法，其中最后填充金属具有以下组成，以wt.％计，
Mg 6.0-7.5，并优选6.2-7.5
Mn 0.9-2.0，并优选1.0-1.8
Zn 0.2-1.0，并优选0.3-0.9，
Zr≤0.4，并优选0.05-0.3
Cr≤0.5
Sc≤2.8
Cu≤0.5，优选＜0.2
Fe≤0.5
Si≤0.5
Ti≤0.3，
余量为铝和偶然元素以及杂质。
19.根据权利要求17的方法，其中最后填充金属具有以下组成，以wt.％计，
Mg 7.0-9.5，并优选7.5-8.5
Mn 0.9-1.45，并优选0.9-1.25
Zn 0.2-1.0，并优选0.3-0.9，
Zr≤0.4，并优选0.05-0.3
Cr≤0.5
Sc≤2.8
Cu≤0.5，优选＜0.2
Fe≤0.5
Si≤0.5
Ti≤0.3，
余量为铝和偶然元素以及杂质。
20.根据前述权利要求1-14的任何一项的方法，其中最后填充金属是含有4.0-9.0wt.％、优选4.0-5.5％Zn的7xxx-系列铝合金。
21.根据权利要求20的方法，其中最后填充金属是含有4.0-9.0wt.％Zn和≤5.0wt.％、优选0.5-2.0wt.％Mg的7xxx-系列铝合金。
22.根据前述权利要求1-14的任何一项的方法，其中最后填充金属是含有0.4-4.0wt.％Li的Al-Li合金。
23.根据权利要求1-22的任何一项的方法得到的自耗填充金属在焊接构件组件中的用途，该构件的至少一个由选自5xxx-系列，6xxx-系列和7xxx-系列合金的铝合金制成。
24.根据权利要求23的自耗填充金属的用途，其中至少一个构件具有以下组成，以wt.％计：
Mg 4.0-6.2，并优选4.7-5.6
Mn 0.3-1.4，并优选0.4-1.2
Zn 0.25-1.5，并优选0.25-0.80
Zr 0.05-0.3 0
Cr最多0.3
Ti最多0.2
Fe最多0.5
Si最多0.5
Cu最多0.25
Sc最多0.5
余量主要为铝和偶然元素以及杂质，通常各自＜0.05，总量＜0.15。
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