CN102114579A - 一种高强度铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度铝合金焊丝，其材料的化学成分及其质量百分比是：2.5~3.5％Cu，2.2~3.2％Si，0.1~0.25％Ti，0.1~0.25％Zr，0.1~0.2％Mn，其余为Al。其制备方法如下：先将原料熔炼、铸锭，制备出Al-Cu50、Al-Mn10、Al-Si30、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金；再按成分配比将纯铝锭放入坩埚中，升温，待铝锭全熔化后依次按成分配比加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金，熔化；待全部熔清后，升温至800℃，保温15分钟，用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气、造渣，六氯乙烷用量为炉量的0.3~0.4％，扒渣完毕，撒少许精炼剂后，除去表面浮渣。继续升温至820~850℃，充分搅拌，出炉；拉铸，制成高强度铝合金铸锭；随后将铸锭提出锯成段、扒皮；放入挤压机中，加热温度为330~380℃，挤压；进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。
Description
技术领域
本发明属国防工业领域，尤其涉及一种高强度铝合金焊丝及其制备方法。
背景技术
铝由于具有比重小、抗腐蚀性好、导电性及导热性高等优良性能，在航天工业中大量地应用；目前，我们国家火箭箭体采用的材料是10号锻铝，这种材料虽然质轻，强度高，且价格低，但是，与现有铝合金焊丝材料焊接品质不好，所以欧美国家都没有采用。
由于对国防工业航天用的运载装置的建造有着极其的严格要求，在保证强度的前提下，焊接箱体后要求焊缝与母材基本特性需保持一致，才能保证箭体注入燃料到发射后的整个过程顺利成功。所以亟需有更优质且具有符合运载装置母材基本特性的焊接材料问世。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高强度的铝合金焊丝，其能够保证焊接后跟母材的熔接性好及硬度一致，焊接品质佳，以满足航天用运载装置箱体的焊接。
本发明的另一目的是提供一种工艺简单的制作高强度铝合金焊丝的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种高强度铝合金焊丝，其材料组成成份和重量百分比含量为：
Cu： 2.5~3.5％
Si： 2.2~3.2％
Ti： 0.1~0.25％
Zr： 0.1~0.25％
Mn： 0.1~0.2％
Al： 余量
本发明中关键是高强度铝合金焊丝与运载装置箱体焊接后二者能牢固结合，其结合性能优劣，在很大程度上取决于该铝合金焊丝的性能。首先铝合金焊丝与运载装置箱体(LD10)应良好匹配，而铝合金焊丝的性能首先取决于材料组成，控制铝合金焊丝的材料组成，可以保持与高强度铝合金焊丝与运载装置箱体的性能相吻合。
一种制备高强度铝合金焊丝的方法，该方法包括下述步骤：
1)以纯铝锭、铜锭、海绵钛、海绵锆、多晶硅、电解锰为原料，备料；
2)将上述原料分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出Al-Cu50、Al-Mn10、Al-Si30、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金；
3)按照成分配比将存铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次按成分配比加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金，熔化；
4)待中间合金全部熔清后，升温至800℃，保温15分钟，用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气、造渣，六氯乙烷用量为炉量的0.3~0.4％，扒渣完毕，撒少许精炼剂后，除去表面浮渣。继续升温至820~850℃，充分搅拌，出炉；
5)出炉过程中，中频感应炉开始倾炉时，使铝合金熔体流入中间包中，并注意中间包高度；
6)开始拉铸，制成高强度铝合金铸锭；
7)随后将铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮；
8)放入挤压机中，加热温度为330~380℃，挤压；
9)进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。
要保证本发明高强度铝合金焊丝与运载装置箱体焊接后的牢固结合，同时还会受处理工艺条件影响，只有通过有效的工艺控制，才能获得理想的焊丝。
本发明的优点是：
1、材质轻，性能稳定，组织细化，从而保证焊接强度高。
2、焊接强度好，耐疲劳性强，可满足与运载装置箱体母材基体特性共存的要求；
3、特殊工艺的控制，以降低铝合金焊丝的杂质含量，提高了其韧性。
具体实施方式
本发明制备高强度铝合金焊丝的具体方法：
一、原材料的选用
Al：T1、T2。≥99.6％。
Cu：Cu-4。电解铜。≥99.5％。
Mn：电解锰。
Ti：海绵钛。
Zr：海绵锆。
Si：多晶硅。
二、中间合金制备
1.Al-Cu50中间合金的熔炼
1)设备：150公斤中频感应炉
2)模具：水冷板模：250*440*30mm
3)配料：每炉按100公斤配料。
4)操作：
在石墨粘土坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，加入铜锭，使炉温升至800~850℃，充分搅拌，待铜锭全部熔清后，铸锭。合金浇铸温度700~750℃。
2.Al-Mn10中间合金的熔炼
1)设备：10公斤中频感应炉
2)模具：水冷板模：250*440*30mm
3)配料：每炉按8公斤配料。
4)操作：
在石墨粘土坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，使炉温升至800~850℃，将金属锰碎块分批压入铝液。待金属锰全部熔清后，充分搅拌，铸锭。合金浇铸温度850~900℃。
3.Al-Ti10中间合金的熔炼
1)设备：10公斤中频感应炉
2)模具：水冷板模：250*440*30mm
3)配料：每炉按8公斤配料。
4)操作：
在石墨粘土坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，使炉温升至680℃，将海绵钛压入铝液。待海绵钛全部熔清后，在1100℃保温20分钟，充分搅拌，铸锭。合金浇铸温度1100~1200℃。
3.Al-Zr10中间合金的熔炼
1)设备：10公斤中频感应炉
2)模具：水冷板模：250*440*30mm
3)配料：每炉按8公斤配料。
4)操作：
在石墨粘土坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，使炉温升至800℃，将海绵锆压入铝液。待海绵锆全部熔清后，在1200℃保温20分钟，充分搅拌，铸锭。合金浇铸温度约为1200℃。
5.Al-Si30中间合金的熔炼
1)设备：10公斤中频感应炉
2)模具：水冷板模：250*440*30mm
3)配料：每炉按8公斤配料。
4)操作：
在石墨粘土坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，使炉温升至800℃，将多晶硅压入铝液。待多晶硅全部熔清后，在1200℃保温20分钟，充分搅拌，铸锭。合金浇铸温度约为1200℃。
三、高强度铝合金的熔铸
1.设备
1)150公斤中频感应炉；2)半连续立式拉铸机；3)中间包；4)结晶器：Φ120mm；5)圆盘锯；6)车床。
2.原材料
1)原材料：Al、Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10、Al-Si30。
2)辅料：六氯乙烷、高纯铝箔、拉铸用油
3.配料
每炉一般按150公斤配料，所配返回料不得超过炉量的30％。
4.操作
将纯铝放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10、Al-Si30中间合金。待中间合金全部熔清后，升温至800℃，保温15分钟，用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气、造渣，六氯乙烷用量为炉量的0.3~0.4％，扒渣完毕，撒少许精炼剂后，除去表面浮渣。继续升温至820~850℃，充分搅拌，出炉。
中频感应炉开始倾炉时，要注意测定熔体的温度，同时控制其流速，经常观察中间包的液面高度，防止熔体溢出。当结晶器涂好涂料漆后即可开始进行拉铸，拉铸时液流温度应控制在750~780℃。当拉铸接近尾声时，要特别注意拉铸机的行程，直至拉铸完毕。随后用吊车将铸锭提出，在铸锭上分头、中、尾分别取样送理化分析。待分析结果合格后，即可将铸锭锯成段，扒皮，转挤压工序。
四、高强度铝合金的挤压
1.设备
1)挤压机用退火炉；2)1200T挤压机
2.模具及辅料
挤压模具规格：Φ10mm*3
润滑剂：60％24#汽缸油+40％石墨粉
3.加热规程
均匀化退火温度：370℃~400℃
保温时间：12小时
4.挤压工艺规程
挤压高强度铝锭加热温度：370℃~400℃
挤压筒保温套加热温度：370℃~400℃
挤压模及挤压垫预热温度：370℃~400℃
为保证挤压线坯表面质量，要经常观察模具是否粘铝，如发现及时消除。为避免挤压线坯起皮产生，严禁于模筒内涂抹润滑剂。挤压后的产品应盘好，捆好炉号标记，转入拉拔工序。
五、高强度铝合金的拉拔
1.设备
1)卧罐拉丝机；2)大立罐拉丝机；3)小立罐拉丝机；4)压尖机；
5)拔丝退火炉；6)冷镦机。
2.模具及辅料
1)拔丝模
金刚石聚晶模
2)拔丝用润滑油：Al-1#拉拔油
3.拔丝退火工艺规程
退火温度：450℃
保温时间：2小时
焊丝在Φ8.0mm、Φ6.0mm、Φ4.0mm时可退火，Φ3.2mm、Φ2.4mm时可退火，退火后用冷镦机冷焊接丝。
4.拔丝工艺规程
| 拔丝设备 | 成品直径 | 原料直径 | 拔丝规程 |
| 卧罐拉丝机 | 5.0mm | 10.0mm | Φ10mm→9.0→8.0→7.5→7.0→6.5→6.0→5.5→5.0 |
| 大立罐拉丝机 | 3.0mm | 5.0mm | Φ5.0mm→4.6→4.3→4.0→3.7→3.4→3.2→2.9 |
| 小立罐拉丝机 | 2.0mm | 3.0mm | Φ2.9mm→2.6→2.4→2.2→2.0 |
| 小立罐拉丝机 | 1.0mm | 2.0mm | Φ2.0mm→1.8→1.7→1.6→1.5→1.4→1.3→1.2 |
拔丝注意事项：
1)避免人为划伤线坯及半成品焊丝；
2)经常更换拉拔油，保持拉拔油清洁、有效。
由于采用先配制铝合金，再与纯铝锭合成铸锭及深加工，故可保证得到的材质杂质含量低且性能稳定，组织细化，从而可保证焊接强度高，以满足与运载装置母材基本特性共存的要求。
下面将结合具体配料计算的实施例对本发明高强度铝合金焊丝材料及制备方法作进一步描述。
实施例1：炉量为90公斤
先用原料制备出Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10、Al-Si30中间合金；再准备Al-Mn101.35公斤、Al-Cu505.4公斤、Al-Ti101.62公斤、Al-Zr101.62公斤、Al-Si308.1公斤，将各种中间合金混合，再加入71.91公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu3.0Wt％、Mn0.15Wt％、Si2.7Wt％、Ti 0.18Wt％、Zr0.18Wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压：最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。
实施例2：炉量为100公斤
先用原料制备出Al-Mn101.5公斤、Al-Cu506公斤、Al-Ti101.8公斤、Al-Zr101.8公斤、Al-Si309公斤，将各种中间合金混合，再加入79.9公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu3.0Wt％、Mn0.15Wt％、Si2.7Wt％、Ti 0.18Wt％、Zr0.18Wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压：最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。
实施例3：炉量为120公斤
先用原料制备出Al-Mn101.8公斤、Al-Cu507.2公斤、Al-Ti102.16公斤、Al-Zr102.16公斤、Al-Si3010.8公斤，将各种中间合金混合，再加入95.88公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu3.0Wt％、Mn0.15Wt％、Si2.7Wt％、Ti 0.18Wt％、Zr0.18Wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压：最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。
Claims (4)
1.一种高强度铝合金焊丝，其特征在于：其材料的化学成分及其质量百分比是：2.5~3.5％Cu，2.2~3.2％Si，0.1~0.25％Ti，0.1~0.25％Zr，0.1~0.2％Mn，其余为Al。
2.一种制备权利要求1所述的高强度铝合金焊丝的方法，该方法包括下列步骤：
1)以纯铝锭、铜锭、海绵钛、海绵锆、多晶硅、电解锰为原料，备料；
2)将上述原料分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出Al-Cu50、Al-Mn10、Al-Si30、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金；
3)按照成分配比将纯铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次按成分配比加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Ti10、Al-Zr10中间合金，熔化；
4)待中间合金全部熔清后，升温至800℃，保温15分钟，用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气、造渣，六氯乙烷用量为炉量的0.3~0.4％，扒渣完毕，撒少许精炼剂后，除去表面浮渣。继续升温至820~850℃，充分搅拌，出炉；
5)出炉过程中，中频感应炉开始倾炉时，使铝合金熔体流入中间包中，并注意中间包高度；
6)开始拉铸，制成高强度铝合金铸锭；
7)随后将铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮；
8)放入挤压机中，加热温度为330~380℃，挤压；
9)进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。
3.根据权利要求2所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤4)中出炉前，添加精炼剂进行脱气精炼，用量为炉料的0.3~0.4％，精炼完毕后，除去表面浮渣。
4.根据权利要求2所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：所述的精炼剂为六氯乙烷。
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