CN104827200B - 一种高强铝合金激光焊接用Al‑Si‑Sc系焊丝 - Google Patents

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Abstract

一种高强铝合金激光焊接用Al‑Si‑Sc系焊丝，该焊丝的化学成分及质量百分比为：Si：11～13％、Sc：2.0～4.5％，其余为Al和其它不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素为Fe、Zn、Mn、Mg；各杂质元素所占比例为，Fe：0～0.8％、Zn：0～0.2％、Mn：0～0.15％、Mg：0～0.1％。用该种焊丝可有效抑制焊接热裂纹产生，晶粒明显细化并成等轴状，焊接接头的综合机械性能得到大幅度提升。

Description

一种高强铝合金激光焊接用Al-Si-Sc系焊丝
技术领域
本发明涉及一种新型铝合金焊丝，特别适用于高强铝合金的激光焊接技术领域。
背景技术
高强铝合金具有密度低、比强度高、易于成形等特点，且价格较低，在航空航天、交通运输等部门获得广泛的应用。激光焊接是一种先进的材料连接方法，具有能量集中度高、焊接速度快、热输入小、焊接热影响区窄、焊接结构变形小等突出优点，近年来得到快速发展，被认为是实现高强铝合金整体化结构制造最具技术和经济优势的方法之一。但是，高强铝合金化学成份复杂，激光焊接快速加热冷却时极易产生热裂纹。因此必须采用填充焊丝来调控焊缝化学成份和结晶组织。
Al-Si焊丝，特别是AlSi12(4047)焊丝，是高强铝合金激光焊接最常选用的焊丝之一。采用Al-Si焊丝进行高强铝合金焊接时，主要是通过Al-Si共晶的“愈合”作用来避免焊接凝固裂纹的产生。采用Al-Si焊丝虽然可以有效防止高强铝合金激光焊接热裂纹的产生，但焊缝结晶组织粗大，大量共晶富集于晶界，使接头的塑性显著劣化，焊后热处理也不能使其有明显改善。
近年来有研究发现，稀土Sc是铝合金凝固结晶的一种强变质元素。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，细化焊缝结晶组织。晶粒细化一方面可以防止焊接裂纹的产生，另一方面可以提高焊缝金属的强韧性。与此同时，与Al基体共格的Al3Sc粒子还可以作为第二相起到沉淀强化作用。此外，Sc具有很高的化学活性，可与熔池中的O、H等杂质元素形成化合物，从而减小有害杂质的影响。因此，通过添加Sc是防止焊接裂纹、提高焊缝强韧性的一条有效途径。目前，已有将稀土Sc作为一种变质微合金化元素添加到Al-Mg合金或传统焊丝之中，添加量一般不超过0.4wt.％。在发明专利《一种新型高钪铝合金焊丝》(专利申请号为：CN201310189529)中公开了一种将Sc作为主要添加元素的Al-Mg-Sc系焊丝。但是，该焊丝仍主要适用于传统的熔焊工艺，并不能满足于激光高速焊接快速加热冷却条件。同时，在Al-Si-Sc焊丝的研究制备方面，国内外尚未见相关报道。
本发明针对激光焊接填充金属稀释率高、熔池冷却凝固结晶速度快等特点，研制一种高Sc含量的Al-Si-Sc焊丝，用于高强铝合金的激光焊接，可有效避免焊接热裂纹，细化焊缝结晶组织，显著提高焊接接头综合机械性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强铝合金激光焊接用Al-Si-Sc系焊丝，其化学成分及质量百分比(wt.％)为：Si：11～13％、Sc：2.0～4.5％，其余为Al和其它不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素为Fe、Zn、Mn、Mg，各杂质元素所占比例为，Fe：0～0.8％、Zn：0～0.2％、Mn：0～0.15％、Mg：0～0.1％。
本发明的特点：
1、在Al-Si系焊丝中添加稀土Sc元素后，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产生；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，促进交滑移和均匀变形，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和塑性，使焊接接头的力学性能获得良好匹配。由于激光焊接填充金属稀释率高、熔池冷却凝固结晶速度快，焊丝中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2.0～4.5wt.％之间。
2、焊丝中的Si可以提高金属的流动性，使得焊丝易于成型，降低了焊丝的制备难度。焊接过程中大量的Si可增加熔池金属的流动性，显著抑制凝固裂纹的产生，并且得到的焊接接头表面均匀且成形良好。因此控制Si的含量在11～13wt.％之间。
本发明的有益效果：
提供一种适用于高强铝合金激光焊接的Al-Si-Sc焊丝，用该种焊丝可有效抑制焊接热裂纹产生，晶粒明显细化并成等轴状，焊接接头的综合机械性能得到大幅度提升。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4047不含Sc的Al-Si焊丝相比，焊态下接头抗拉强度提高约14％，屈服强度提高12％，延伸率提高122％。
附图说明
图1a为实例2中填充不含Sc的Al-Si焊丝焊缝金相显微组织图。
图1b为实例2中填充采用Al-Si-Sc焊丝的焊缝金相显微组织图。
具体实施方式
实施例1：
以牌号为4047的Al-Si系焊丝成份为基础，添加Sc元素制备焊丝。Sc元素的含量约为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IPGYLS-6000，激光功率为3kW，焊接速度为2m/min，送丝速度为3m/min，并使用Ar气保护焊接熔池。对接头进行拉伸性能测试，得到填充高Sc含量的焊接接头的屈服强度为352MPa，抗拉强度为456MPa，延伸率为3.63％，焊态下接头强度系数达到92％。而采用不含Sc的4047焊丝，接头的屈服强度为314MPa，抗拉强度为401MPa，延伸率为1.63％。
实施例2：
采用实例1中不含Sc的Al-Si焊丝和本发明Al-Si-Sc焊丝所得的焊接接头，观察焊缝的金相显微组织。图1a为填充Al-Si焊丝的焊缝金相显微组织。图1b为填充本发明Al-Si-Sc焊丝的焊缝金相显微组织。对比两图可知，填充Al-Si焊丝的焊缝组织主要由粗大的柱状树枝晶组成，而填充本发明Al-Si-Sc焊丝的焊缝组织全部为细小等轴晶。

Claims (1)

1.一种高强铝合金激光焊接用Al-Si-Sc系焊丝，其特征在于：该焊丝的化学成分及质量百分比为：Si：11～13％、Sc：2.9％，其余为Al和其它不可避免的杂质元素；
其特征在于：所述焊丝以牌号为4047的Al-Si系焊丝成分为基础，添加Sc元素制备焊丝；Sc元素的含量为2.9wt%；在Al-Si系焊丝中添加稀土Sc元素后，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产生：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，促进交滑移和均匀变形，提高焊缝强度；
所述不可避免的杂质元素为Fe、Zn、Mn、Mg；各杂质元素所占比例为，Fe：0～0.8％、Zn：0～0.2％、Mn：0～0.15％、Mg：0～0.1％；
所述焊丝适用于2060-T8 Al-Cu-Li合金的激光焊接，激光功率为3kw，焊接速度为2m/min，送丝速度为3m/min，与牌号为4047不含Sc的Al-Si焊丝相比，焊态下接头抗拉强度提高14%，屈服强度提高12%，延伸率提高122%。
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