CN105108372A

CN105108372A - 一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN105108372A
Application number: CN201510634778.2A
Authority: CN
Inventors: 徐晓龙; 胡学峰; 明廷泽; 唐良喜; 蒋勇; 陈维富
Original assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105108372B

Abstract

本发明为一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝及其制备方法。该焊丝主要成分为（wt%）：Mg4.2-6.0,Ce0.1-0.5,Mn0.5-1.0,Cr0.05-0.30,Ti0.02-0.25,Si≤0.25,Fe≤0.25,？Be≤0.0005，H≤0.12mL/100gAl，其它单个元素≤0.05，其它元素合计≤0.25。制备方法如下：配料；熔炼；连续铸造；连续轧制；经过多道次连拉、中间退火、刮削光亮化处理为盘状焊丝。本发明制备的焊丝，焊缝金属组织明显细化，采用MIG焊接，其熔敷金属抗拉强度达285Mpa-326MPa，延伸率≥20%，10⁷次时熔敷金属疲劳强度160-205MPa。

Description

一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属焊接材料领域，具体为一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术

铝合金因其质轻、比强度高、优良的耐腐蚀性能而广泛用于轻量化运载工具，如高速列车、大飞机等。焊接接头与母材的等强性是铝合金焊接的一大难题。目前，高速列车铝合金车体主要使用的材料有Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg系合金，采用普通的ER5356焊丝焊接时，其接头强度往往只有母材强度的60%-70%，这将不利于高速列车运营的安全性，特别是疲劳寿命。目前高速列车铝合金车体焊接用铝合金焊丝，全部被国外厂家垄断，我国政府正在积极打造中国标准的高速铁路，推动中国高铁走出去，这对于高端铝焊丝国产化提出了更加迫切的要求。

目前在焊丝用铝合金锭坯中添加稀土元素以提高合金的洁净度、获得精细致密组织，优异的力学性能、耐腐蚀性能，是发展高品质铝合金焊丝研究的一个重要方向。国内外许多学者在铝合金焊丝中添加稀土元素Sc、Er进行了较多研究，稀土元素Ce可显著提高铝合金的疲劳性能、断裂韧性，对于含Ce的Al-Mg合金用于制备焊丝材料的研究，国内外很少报道。结合我国丰富的稀土资源以及对高速列车铝合金车体焊接性能的严格要求，本发明是将稀土Ce元素加入到Al-Mg合金焊丝中。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术问题，提供一种焊接工艺稳定、力学性能优异，特别是疲劳抗力高的高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝。

本发明的另外一个目的是提供以上所述的高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝的制备方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术解决方案是：

一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝，其包含以下质量百分比的成分：Mg:4.2-6.0,Ce:0.1-0.5,Mn:0.5-1.0,Cr:0.05-0.30,Ti:0.02-0.25,Si≤0.25,Fe≤0.25,Be≤0.0005，H≤0.12mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

上述高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝采用如下工艺制备，具体包括以下步骤：

1）配料。基体元素Al以高纯铝形式加入，合金元素Mg以镁锭形式加入，其他合金元素Ce、Mn、Cr、Ti分别以Al-Ce、Al-Mn、Al-Cr、Al-Ti中间合金形式添加，按重量百分比配制；

2）合金熔炼。采用燃气加热炉，并在富氩保护气条件下进行合金熔炼，熔炼温度690-760℃，精炼剂与覆盖剂主要成分为无Na的MgCl2.KCl。

3）连续铸造。浇铸温度700-730℃，水压控制在0.2-0.4MPa，冷却水温低于25℃，铸造速度10-18m/min，出坯温度：480-510℃。

4）连续轧制。进轧温度460-490℃，乳化液温度控制在50-65℃，乳化液压力控制在0.2-0.5MPa，轧制成φ9.5mm的圆铝杆。

5）后续加工成型。经过多道次冷拉伸、线坯中间退火、多道次连拉、刮削光亮化处理为φ1.2mm的盘状焊丝。

本发明焊丝中加入适量的Mg、Ce、Mn、Cr、Ti等合金元素，其具体作用为：

1.Mg：Mg是焊丝合金中的主要强化元素，每增加1%的Mg，抗拉强度大约升高34MPa。Mg溶解于Al中，形成α固溶体，通过固溶强化作用使焊缝金属强度得到提高，少量Mg形成β（Mg₂Al₃）相，起弥散强化作用。Mg含量过高使合金在铸造、挤压、拉拔过程中裂纹率提高，同时焊接过程中热裂纹倾向也会增加。本发明将Mg含量控制在4.2-6.0%。

2.Ce：适量稀土元素Ce的加入，铝合金熔体表面氧化膜的保护效果增强，降低熔体中游离态的氢含量；另一方面，可提高铝合金冶炼的洁净度，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂趋于球化。还可以使铝合金熔铸时增加成分过冷，减少二次枝晶间距，细化合金晶粒，晶界面积增加，宏观韧性增强，提高合金疲劳强度、显著降低疲劳裂纹扩展速率，对焊缝金属的断裂韧性值也是非常有利的。

3.Mn：Mn元素为典型的弥散相形成元素，在合金中形成尺寸为0.01-0.1um的弥散相，阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl₆化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。另外，MnAl₆还能溶解杂质Fe，形成（Fe、Mn）Al₆，减小Fe的有害影响。

4.Cr：Cr能够提高铝合金的抗应力腐蚀敏感性能，Cr与Mn在Al中形成(CrMn)Al₁₂相，阻碍再结晶的形核和长大，提高焊缝金属强度，降低焊接裂纹倾向，其含量一般不超过0.35%，否则易与其他合金元素形成粗大的金属间化合物，降低成形性能与断裂韧性。

5.Ti：Ti与Al形成TiAl₃相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。对降低热裂纹敏感系数，减少焊接过程中热裂纹的形成，提高焊接质量有良好效果。

本发明的积极效果体现在：

采用本发明铝合金焊丝对高速列车铝合金车体材料进行焊接，焊缝金属组织明显细化，采用MIG焊焊接，其熔敷金属抗拉强度达275MPa—326MPa，延伸率≥20%，与同条件下采用传统Al-Mg焊丝的熔敷金属相比，熔敷金属抗拉强度和塑性显著提高，10⁷次时疲劳强度提高40MPa以上。

具体实施方式：

下面结合具体实例，对本发明进行详细解释说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。

实施例1：

制备高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝一，其主要化学成分为（wt%）：Mg:4.35,Ce:0.12,Mn:0.89,Cr:0.28,Ti:0.10,Si:0.08,Fe:0.12,Be:0.0001，H:0.11mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

上述Al-Mg-Ce系铝合金焊丝采用如下工艺制备：

2）合金熔炼。采用燃气加热炉，并在富氩保护气条件下进行合金熔炼，熔炼温度690-760℃，精炼剂与覆盖剂主要成分为无Na的MgCl₂.KCl。

5）后续加工成型。经过多道次冷拉伸、线坯中间退火、多道次连拉、刮削光亮化处理为φ1.6mm的盘状焊丝。

本实施例中焊丝抗拉强度达435MPa，延伸率达25%；焊丝进行自动MIG焊，熔敷金属抗拉强度达285MPa，延伸率达30%，采用成组法求得熔敷金属疲劳强度（10⁷次）达160MPa。

实施例:2：

制备高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝二，其主要化学成分为（wt%）：Mg:4.85,Ce:0.25,Mn:0.78,Cr:0.16,Ti:0.10,Si:0.08,Fe:0.12,Be:0.0001，H:0.10mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝抗拉强度达449MPa，延伸率达24%；焊丝进行自动MIG焊，熔敷金属抗拉强度达289MPa，延伸率达26%，采用成组法求得熔敷金属疲劳强度（10⁷次）达170MPa。

实施例3：

制备高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝三，其主要化学成分为（wt%）：Mg:5.46,Ce:0.32,Mn:0.55,Cr:0.08,Ti:0.23,Si:0.08,Fe:0.12,Be:0.0001，H:0.08mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝抗拉强度达450MPa，延伸率达20%；焊丝进行自动MIG焊，熔敷金属抗拉强度达305MPa，延伸率达22%，采用成组法求得熔敷金属疲劳强度（10⁷次）达185MPa。

实施例4:

制备高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝四,其主要化学成分为（wt%）：Mg:5.86,Ce:0.38,Mn:0.69,Cr:0.11,Ti:0.18,Si:0.08,Fe:0.12,Be:0.0001，H:0.092mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝抗拉强度达460MPa，延伸率达17%；焊丝进行自动MIG焊，熔敷金属抗拉强度达326MPa，延伸率达20%，采用成组法求得熔敷金属疲劳强度（10⁷次）达205MPa。

实施例5：

制备高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝五,其主要化学成分为（wt%）：Mg:4.25,Ce:0.01,Mn:0.09,Cr:0.06,Ti:0.18,Si:0.18,Fe:0.20,Be:0.0004，H:0.15mL/100gAl，其他单个元素≤0.05，其他元素合计≤0.25，其余量是Al。

制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝抗拉强度达300MPa，延伸率达8%；焊丝进行自动MIG焊，熔敷金属抗拉强度达250MPa，延伸率达15%，采用成组法求得熔敷金属疲劳强度（10⁷次）达120MPa。

Claims

1.一种高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝，其特征在于该铝合金焊丝包括以下重量百分比的成分：Mg:4.2-6.0,Ce:0.1-0.5,Mn:0.5-1.0,Cr:0.05-0.30,Ti:0.02-0.25,Si≤0.25,Fe≤0.25,Be≤0.0005，H≤0.12mL/100gAl，其它单个元素≤0.05，其它元素合计≤0.25，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝，其特征在于该铝合金焊丝包括以下重量百分比的成分：Mg:4.7-5.5,Ce:0.1-0.3,Mn:0.5-0.9,Cr:0.05-0.20,Ti:0.02-0.15,Si≤0.20,Fe≤0.15,Be≤0.0005，H≤0.12mL/100gAl，其它单个元素≤0.05，其它元素合计≤0.25，余量为Al。

3.一种权利要求1或权利要求2所述的高速列车铝合金车体焊接专用铝合金焊丝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配料基体元素Al以高纯铝形式加入，合金元素Mg以镁锭形式加入，其它合金元素Ce、Mn、Cr、Ti分别以Al-Ce、Al-Mn、Al-Cr、Al-Ti中间合金形式添加，按重量百分比进行配制；

2）合金熔炼采用燃气加热炉，并在富氩保护气条件下进行合金熔炼，熔炼温度690-760℃，精炼剂与覆盖剂的主要成分为无Na的MgCl₂.KCl；

3）连续铸造浇铸温度为700-730℃，水压控制为0.2-0.4MPa，冷却水温低于25℃，铸造速度10-18m/min，出坯温度为480-510℃；

4）连续轧制进轧温度为460-490℃，乳化液温度控制在50-65℃，乳化液压力控制在0.2-0.5MPa，轧制成φ9.5mm的圆铝杆；

5）后续加工成型经过多道次冷拉伸、线坯中间退火、多道次连拉、刮削光亮化处理为φ1.2mm的盘状焊丝。