CN105252167A - 一种高韧性高强度铝合金焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性高强度铝合金焊丝。该铝合金焊丝成分如下(质量％)：Mg：5.0～6.0，Mn：0.5～0.8，Ti：0.1～0.2，Cr：0.15～0.25，Zr：0.1～0.2，B：0.05～0.1，V：0.15～0.25，Fe≤0.4，Si≤0.4，Cu≤0.1，Zn≤0.2，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al。采用本发明焊丝，手工钨极氩弧焊焊接4mm厚度5A06铝板时，焊接接头的抗拉强度可达330MPa，达到母材强度的89％，断裂延伸率可达13.5％；焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值可达40MPa。

Description

一种高韧性高强度铝合金焊丝
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，具体为一种高韧性高强度铝合金焊丝。
背景技术
铝合金具有比强度高、耐蚀性好、易成型，并具有良好导电导热性等优良特性，其在航空、航天、汽车、机械制造、电工、化学工业等应用场合中已得到大量应用，用其代替钢铁材料，可以大大减轻构件的质量，是节能、环保的最佳备选材料。其中5XXX系典型铝镁合金，更是在高强度的轻型结构中得到广泛应用的铝合金之一。随着我国车辆行业生产技术的不断进步，5xxx系铝合金的应用越来越广泛，车辆采用5xxx铝合金油箱替代钢制油箱，可以有效减轻车辆自重，提高车辆总体性能。但铝制焊接油箱在车辆运行过程中由于车辆的震动和燃油的反复冲击，焊接部位常出现贯穿性疲劳裂纹，导致油箱泄漏。另外，在其他的一些特殊应用场合，铝合金焊接结构在使用过程中承受着周期性的交变载荷作用，使得疲劳断裂成为铝合金焊接结构失效的主要形式之一。因此，改善铝合金焊接接头的疲劳性能成为必然。研究开发高韧性高强度铝合金焊丝，以满足产品对焊接接头高疲劳性能要求，拓宽熔化焊在铝合金连接上的应用，具有重要的工业化应用意义，市场前景广阔。
资料表明，在承受交变载荷的焊接接头中，疲劳裂纹的源头多在焊缝处，焊缝的质量直接决定了焊接构件的质量。而在母材确定的情况下，焊缝的力学性能的好坏主要取决于两个方面：一是焊丝成分的设计与优化；二是焊接工艺的选择与优化。通过焊接操作技术和焊接规范参数的优化，严格控制焊接输入线能量，避免焊接热影响区组织过烧可解决焊接热影响区产生微裂纹最终导致油箱泄漏的技术问题。焊缝金属处的疲劳微裂纹主要和焊丝成分有关，5xxx系铝合金焊接时多采用熔化焊，可选用的商用焊丝有ER5356、5A06、5B06和SAlMg-5焊丝等，可以满足大部分的使用要求，但在受到震动和冲击时，从焊接缺陷处产生微裂纹，并逐渐扩散为宏观裂纹，使得焊接构件失效，现有的焊丝无法满足5XXX系铝合金TIG焊焊接构件在交变载荷环境下的使用要求。
焊接接头焊缝处性能取决于焊丝成分。在铝合金焊丝成分中，高Mg铝合金焊丝通过形成固溶强化相Mg5Al8提高焊接接头强度。Mn元素则主要通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶颗粒的长大起阻碍作用，Mn元素的添加能使Mg5Al8均匀沉淀，降低热裂倾向。Ti和Al形成正方结构的Al3Ti，该相在晶格结构和尺寸方面和α-Al基体接近，能为α基体非均质形核提供核心，是铝合金中最重要的细化元素。Cr对铝镁合金性能影响与Mn相似，除部分固溶于基体外，还能与Al形成底心单斜的Al7Cr相，具有析出强化的作用。Zr元素以细小均匀的Al3Zr相存在时，可使得焊缝组织细化效果显著。B的添加可增加Ti、Zr等元素的细化作用。V元素也以外来形核的方式起细化晶粒的作用，可提高铝合金抗拉强度和延伸率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种高韧性高强度铝合金焊丝，实现焊缝的高疲劳寿命和高抗拉强度，以及耐蚀性能优良。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高韧性高强度铝合金焊丝，按质量百分比计，其化学成分为：Mg：5.0～6.0％，Mn：0.5～0.8％，Ti：0.1～0.2％，Cr：0.2～0.25％，Zr：0.1～0.2％，B：0.05～0.1％，V：0.15～0.25％，Fe≤0.4％，Si≤0.4％，Cu≤0.1％，Zn≤0.2％，其他单个杂质元素≤0.05％；杂质总量≤0.10％，余量为Al。
进一步地，按质量百分比计，其化学成分为：Mg：5.0～5.5％，Mn：0.5～0.65％，Ti：0.1～0.15％，Cr：0.2～0.25％，Zr：0.1～0.2％，B：0.05～0.1％，V：0.15～0.2％，Fe≤0.4％，Si≤0.4％，Cu≤0.1％，Zn≤0.2％，其他单个杂质元素≤0.05％；杂质总量≤0.10％，余量为Al。
本发明涉及焊丝成分与商用的ER5356焊丝成分相比，Mg含量略微调高，Mn含量则较大提高，形成的Mg5Al8相和MnAl6的弥散质点可显著提高焊缝强度，并使焊缝组织均匀细化。Ti元素的加入量与ER5356焊丝近似，可形成TiAl3相，能为α基体非均质形核提供核心，从而显著地细化焊缝晶粒。提高了Cr元素的含量，其在α-Al基体上弥散析出Al7Cr初晶相，从而提高母材和焊缝的结合强度，降低焊接裂纹倾向，Cr、Mn元素的相互作用也能增强焊缝的耐腐蚀性。额外添加了ER5356不具有的Zr、B、V元素，Zr元素与Ti元素类似，以Al3Zr相形式，成为非均质形核核心，从而起到强烈细化作用提高塑性和强度，含量适中，减少Ti元素中毒。微量的B元素则可强化Ti、Zr等元素的细化作用。另外，添加了V元素，以外来形核的方式起细化晶粒的作用，可提高铝合金抗拉强度和延伸率。本发明与现有技术相比具有的有益效果：
(1)采用本发明焊丝焊接的铝合金焊接接头具有更高的疲劳强度，采用本发明焊丝、手工钨极氩弧焊的方法焊接4mm厚度5A06铝合金时，焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值可达40MPa以上；同等条件下现有商用焊丝的疲劳特征值仅有31MPa左右。
(2)抗拉强度方面，焊接接头的抗拉强度可达330MPa，达到母材强度的89％，断裂延伸率为13.5％；采用现有的商业焊丝仅抗拉强度仅有280MPa左右，断裂延伸率为9％。相比之下本发明使得焊接铝镁合金时，抗拉强度提高了50MPa以上，断裂延伸率提高了3％以上。
具体实施方式
下面结合实施例作详细说明：
实施例1
按照质量百分比计，Mg：5.0，Mn：0.5，Ti：0.2，Cr：0.25，Zr：0.1，B：0.1，V：0.15，Fe：0.35，Si：0.37，Cu：0.07，Zn：0.11，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照如下焊丝制备工艺进行制备：采用纯度均大于99.6％的合金元素作为原材料，按设计的质量百分放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10‐3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4后，浇注到炉内的铁制模具中，得到棒状母合金铸锭，挤压成直径为10mm左右的杆料，冷拉多次至4mm焊丝。焊丝制备完成后，对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接，焊接工艺为交流钨极氩弧焊-双面立焊接，工艺参数为：I型坡口，间隙为3mm，焊丝直径4.1mm，双面焊接电压均为20V，氩气流量分别为16L/min和14L/min，焊接电流分别为155A/105A,焊接速度为22.9mm/min。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为40MPa，抗拉强度为325MPa，断裂延伸率为13.3％。
对比例1
按照质量百分比计，Mg：5.0，Mn：0.5，Ti：0.2，Cr：0.25，Fe：0.35，Si：0.37，Cu：0.07，Zn：0.11，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照与实施例1相同的工艺制备焊丝，焊丝制备完成后，按照与实施例1相同的工艺对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为28MPa左右，抗拉强度为280MPa左右，断裂延伸率为10.2％。
对比例2
按照质量百分比计，Mg：5.0，Mn：0.5，Ti：0.2，Cr：0.25，Zr：0.1，B：0.1，Fe：0.35，Si：0.37，Cu：0.07，Zn：0.11，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照与实施例1相同的工艺制备焊丝，焊丝制备完成后，按照与实施例1相同的工艺对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为35MPa左右，抗拉强度为300MPa左右，断裂延伸率为11.4％。
实施例2
按照质量百分比计，Mg：6.0，Mn：0.8，Ti：0.1，Cr：0.2，Zr：0.2，B：0.05，V：0.25，Fe：0.30，Si：0.33，Cu：0.08，Zn：0.10，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照如下焊丝制备工艺进行制备：配料→合金熔炼→半连续铸锭→均匀化处理→热加工(挤压成Φ10.5mm左右杆料)→冷拉多道次(中间退火)至线坯。焊丝制备完成后，对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接，焊接工艺为交流钨极氩弧焊-双面立焊接，工艺参数为：I型坡口，间隙为2.8mm，焊丝直径4mm，双面焊接电压均为20V，氩气流量分别为16L/min和14L/min，焊接电流分别为150A/95A,焊接速度为21.8mm/min。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为41MPa，抗拉强度为330MPa，断裂延伸率为13.7％。
实施例3
按照质量百分比计，Mg：5.4，Mn：0.6，Ti：0.17，Cr：0.23，Zr：0.16，B：0.08，V：0.2，Fe：0.26，Si：0.29，Cu：0.08，Zn：0.10，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照如下焊丝制备工艺进行制备：配料→合金熔炼→半连续铸锭→均匀化处理→热加工(挤压成Φ10.5mm左右杆料)→冷拉多道次(中间退火)至线坯。焊丝制备完成后，对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接，焊接工艺为交流钨极氩弧焊-双面立焊接，工艺参数为：I型坡口，间隙为3.1mm，焊丝直径4.2mm，双面焊接电压均为20V，氩气流量分别为16L/min和14L/min，焊接电流分别为140A/100A,焊接速度为20.3mm/min。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为44MPa，抗拉强度为320MPa，断裂延伸率为14％。
实施例4
按照质量百分比计，Mg：5.6，Mn：0.74，Ti：0.17，Cr：0.22，Zr：0.16，B：0.08，V：0.22，Fe：0.29，Si：0.34，Cu：0.06，Zn：0.15，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照如下焊丝制备工艺进行制备：配料→合金熔炼→半连续铸锭→均匀化处理→热加工(挤压成Φ10.5mm左右杆料)→冷拉多道次(中间退火)至线坯。焊丝制备完成后，对5mm厚的5A06铝板进行焊接，焊接工艺为交流钨极氩弧焊-双面立焊接，工艺参数为：I型坡口，间隙为2.9mm，焊丝直径3.8mm，双面焊接电压均为20V，氩气流量分别为16L/min和14L/min，焊接电流分别为140A/100A,焊接速度为19.2mm/min。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为39MPa，抗拉强度为335MPa，断裂延伸率为13.1％。
对比例3
按照质量百分比计，Mg：5.0，Mn：0.5，Ti：0.2，Cr：0.25，Zr：0.1，B：0.1，V：0.10，Fe：0.35，Si：0.37，Cu：0.07，Zn：0.11，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照与实施例1相同的工艺制备焊丝，焊丝制备完成后，按照与实施例1相同的工艺对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为34MPa左右，抗拉强度为295MPa左右，断裂延伸率为11.6％。
对比例4
按照质量百分比计，Mg：5.0，Mn：0.5，Ti：0.2，Cr：0.25，Zr：0.1，B：0.1，V：0.30，Fe：0.35，Si：0.37，Cu：0.07，Zn：0.11，其他单个杂质元素：≤0.05；合计：≤0.10，余量为Al的焊丝设计成分添加相应元素。按照与实施例1相同的工艺制备焊丝，焊丝制备完成后，按照与实施例1相同的工艺对5mm厚的5A06铝板进行TIG焊接。参考GB/T3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行疲劳强度和抗拉强度测试，其焊接接头在2×106次的循环次数下对应95％存活率的疲劳强度特征值为35MPa左右，抗拉强度为310MPa左右，断裂延伸率为12.2％。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高韧性高强度铝合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计，其化学成分为：Mg：5.0～6.0％，Mn：0.5～0.8％，Ti：0.1～0.2％，Cr：0.2～0.25％，Zr：0.1～0.2％，B：0.05～0.1％，V：0.15～0.25％，Fe≤0.4％，Si≤0.4％，Cu≤0.1％，Zn≤0.2％，其他单个杂质元素≤0.05％；杂质总量≤0.10％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的铝合金焊丝，其特征在于：按质量百分比计，其化学成分为：Mg：5.0～5.5％，Mn：0.5～0.65％，Ti：0.1～0.15％，Cr：0.2～0.25％，Zr：0.1～0.2％，B：0.05～0.1％，V：0.15～0.2％，Fe≤0.4％，Si≤0.4％，Cu≤0.1％，Zn≤0.2％，其他单个杂质元素≤0.05％；杂质总量≤0.10％，余量为Al。
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