CN104785950A - 一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝 - Google Patents

Abstract

一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝，其化学成分为：Mg：3.8～5.8％，Sc：1.5～3.8％，Mn：0.4～1.2％，Zr：0.05～0.2％，Cr：0.08～0.25％，其余为Al和其它不可避免的杂质元素如Si、Fe、Zn、Ti、Cu等。采用本发明焊丝进行铝合金激光焊接具有如下优点：可显著细化焊缝结晶组织，抑制焊接热裂纹产生，提高接头的抗拉强度和屈服强度。

Description

一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝

技术领域

本发明涉及一种新型铝合金焊丝，特别适合于铝合金的激光焊接。

背景技术

铝合金具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性和可加工性等特点，获得越来越广泛的应用。

激光焊接能量高度集中，焊接速度快，热输入小，焊接热影响区窄，焊接结构变形小，近年来得到快速发展，被认为是铝合金结构连接最具技术和经济优势的方法之一。

铝合金属于典型的共晶合金，且热膨胀系数大，熔化焊时容易产生凝固裂纹。因此，铝合金的焊接一般采用高Si、高Mg或高Cu焊丝，并在焊丝中添加微量Ti、Zr等变质元素，通过提供充足的共晶和细化焊缝结晶组织来防止裂纹产生。

近年来，稀土Sc也被作为一种变质微合金化元素添加到Al-Mg合金或焊丝之中。在Al-Mg合金或焊丝中添加Sc，主要是利用Sc与Al在凝固结晶初期反应形成的初生相Al₃Sc，作为异质形核的核心，细化凝固结晶组织。同时，与Al基体共格的Al₃Sc粒子也可以起到沉淀强化作用。因此，在母材或焊丝中添加Sc，可以显著改善焊接性能，降低焊接热裂纹敏感性，并提高焊接接头强度。根据Al-Sc二元相图，平衡或缓慢冷却条件下，在铝合金中，只需添加少量的Sc，就能先于Al形成Al₃Sc初晶相，起到变质作用，如在01570、01571、01545、01535、01523和01515合金中，Sc的添加量均小于0.4wt.％。

但是，在激光高速焊接快速加热冷却条件下，熔池凝固是一个极端非平衡过程。而非平衡快速冷却时，优先形成Al₃Sc初生相所需的Sc含量增加。另一方面，激光焊接通常不开坡口，焊丝填充量远小于传统熔焊，亦即焊丝中合金元素在激光焊接熔池中将被大幅度稀释。因此，激光焊接时若采用传统电弧焊接用填充焊丝将达不到理想的效果。目前，国内外还没有专门针对激光焊接特点而设计的焊丝。本发明高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝，用于铝合金的激光焊接，可有效避免焊接热裂纹，显著细化焊缝组织，提高焊接接头机械性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足铝合金激光焊接用的高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝，该焊丝用于铝合金的激光焊接，焊缝组织全部由细小的等轴晶组成，可显著提高接头的拉伸性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝，该焊丝包括Mg、Sc、Mn、Zr、Cr、Al和其它不可避免的杂质元素；该焊丝的化学成分及质量百分比(wt.％)为：

Mg：3.8～5.8％；

Sc：1.5～3.8％；

Mn：0.4～1.2％；

Zr：0.05～0.2％；

Cr：0.08～0.25％；

其余量为Al和其它不可避免的杂质元素。

所述其它不可避免的杂质元素为Si、Fe、Zn、Ti、Cu，即Ti≤0.15％，Si≤0.25％，Fe≤0.40％，Zn≤0.25％，Cu≤0.05％。

本发明的特点：

1、在Al-Mg系焊丝中添加适量的稀土Sc元素，Sc与Al发生反应形成初生相，对焊缝金属起促进异质形核作用，显著细化焊缝晶粒，消除粗大方向性强的柱状晶；同时Sc元素是表面活性元素，还可抑制树枝晶组织产生，减少微观成分偏析；此外，部分Sc形成弥散相粒子分布于焊缝内，可提高焊缝强度。通过上述三个方面，可以显著提高焊缝区的强度。由于激光焊接的特点，Sc含量较少时，Sc的作用不能充分发挥，但是过量的Sc造成焊丝制备困难。因此控制Sc的含量在1.5～3.8wt.％之间。

2、焊丝中的Mg是主要的合金元素，固溶于铝合金中，起到固溶强化作用。但是过量的Mg会与Al形成粗大的Al₈Mg₅，恶化合金的性能。Mg含量太低不能起到明显的强化作用，过高会促进晶间腐蚀现象。因此控制Mg含量在3.8～5.8wt.％之间。

3、焊丝中的Mn是基本添加元素，与Al形成Al₆Mn弥散相，可抑制加工过程中的再结晶过程，提高再结晶温度，显著细化晶粒尺寸。同时，含Mn相还可溶解Si和Fe等杂质元素，降低有害元素在合金中的作用。当Mn含量超过1.2wt.％时，拉丝过程困难。Mn含量低于0.5wt.％时，其强化作用不明显。因此控制Mn元素含量在0.4～1.2wt.％之间。

4、焊丝中的Zr是基本添加元素，与Al形成Al₃Zr初生相可作为异质形核的质点，抑制凝固裂纹产生。同时，Zr与Sc可形成复合相，进一步促进异质形核。但是，当Zr含量超过0.3wt.％时，过量的Zr与Al形成粗大的Al₃Zr相颗粒，使焊丝的脆性增加，造成拉丝困难。因此要控制Zr的含量不超过0.2wt.％。

采用本发明的高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝，用于铝合金的激光焊接，接头综合性能明显提高：(1)有效抑制焊接热裂纹，(2)明显细化焊缝结晶组织，(3)提高焊接接头的抗拉强度和屈服强度。例如，采用本发明的焊丝进行2060-T8Al-Cu-Li合金激光焊接，与牌号为5087不含Sc的Al-Mg焊丝相比，焊态下接头抗拉强度提高24％，屈服强度提高37％。

附图说明

图1为实例2中填充不含Sc的Al-Mg焊丝的焊缝金相显微组织图。

图2为实例2中高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝的焊缝金相显微组织图。

具体实施方式

实施例1

在牌号为5087的Al-Mg系焊丝成分基础上，添加Sc元素制备焊丝。Sc元素的含量为2.9wt.％。采用光纤激光器对2060-T8合金进行平板对接焊接，激光器型号为IPG YLS-6000，激光功率为3kW，焊接速度为2m/min，送丝速度为3m/min，使用Ar气保护焊接熔池。对接头进行拉伸性能测试，采用本发明焊丝的接头屈服强度为322MPa，抗拉强度为394MPa。采用5087焊丝的接头屈服强度为235MPa，抗拉强度为317MPa。

实施例2：

采用实例1中不含Sc的5087焊丝和本发明高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝所得的焊接接头，观察焊缝的金相显微组织。图1为填充5087焊丝的焊缝金相显微组织。图2为填充本发明高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝的焊缝金相显微组织。对比两图可知，采用5087焊丝的焊缝组织主要由粗大的树枝晶组成，靠近焊缝边缘形成方向性强的柱状晶；而填充本发明高Sc含量的Al-Mg-Sc焊丝的焊缝组织产生强烈细化，焊缝全部由细小的等轴晶组成，柱状晶消失。

Claims (3)

1.一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝，其特征在于：该焊丝包括Mg、Sc、Mn、Zr、Cr、Al和其它不可避免的杂质元素；该焊丝的化学成分及质量百分比为：

Mg：3.8～5.8％；

Sc：1.5～3.8％；

Mn：0.4～1.2％；

Zr：0.05～0.2％；

Cr：0.08～0.25％；

其余量为Al和其它不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝，其特征在于：所述其它不可避免的杂质元素为Si、Fe、Zn、Ti、Cu。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金激光焊接用Al-Mg-Sc系焊丝，其特征在于：杂质元素Ti≤0.15％，Si≤0.25％，Fe≤0.40％，Zn≤0.25％，Cu≤0.05％。