CN105385906A

CN105385906A - 一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法

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Publication number: CN105385906A
Application number: CN201510779763.5A
Authority: CN
Inventors: 赵艳君; 马本莉; 胡治流; 蒋长标; 李逸泰; 潘利文; 曾建民; 苏玲
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi Beigang New Material Co.,Ltd.
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: CN105385906B

Abstract

本发明公开了一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。焊丝其组成成分的重量百分数为Mg：4.0％～6.5％、In：0.15％～1.0％、Ce：0.1％～0.4％、Mn：0.4％～1.2％、Ti：0.05％～0.15％、Si≤0.3％、Fe≤0.2％、Na≤0.0015％，余量为Al。制备方法如下：将铝锭、镁锭、铟锭、铈锭、Al-10Mn中间合金按配比在中频感应电阻炉中熔化，用Al-5Ti-B做细化剂，浇铸成铸锭；铸锭均匀退火化后切头铣面，热挤压成杆状坯料；杆状坯料经拉拔机进行拔丝，再经表面处理后盘成卷即得本发明Al-Mg-In系焊丝。本发明具有如下优点：工艺稳定易于实现，焊丝铺展性和润湿性良好，热裂敏感性小；焊丝组织细化，成型性能优良；与母材相比，焊接接头有高的强度和韧性匹配。

Description

一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域。具体是一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。

背景技术

目前，轻轨列车、地铁列车及高速列车车厢均是以铝合金型材作为骨架的焊接构件，焊接可减少40％的车辆制造工作量，车辆的运行性能和运行速度、运载能力和效率取决于焊接材料性能的好坏。但是，国内车辆制造需要的铝合金焊丝主要依赖进口，其中，美国铝业公司(ALCOA)生产的焊丝4043、5082和5356占90％以上。我国城际轻轨和高铁行业的高速发展，使Al-Mg系合金焊丝需求量剧增，国内铝镁合金焊丝的市场潜力巨大。如果能研制成功一种新型焊丝替代进口焊丝，其市场价值和利润均非常可观。

美国铝业公司(ALCOA)生产的焊丝4043、5082和5356，其焊丝通用性最好的是ER5356，该合金用途广泛的主要原因在于它具有强度适中、高抗热裂性能与高耐腐蚀性能。但是，ER5356铝镁合金焊丝在焊接过程中Mg和Zn等元素挥发氧化烧损严重而使接头强度明显低于母材强度，已不能满足中高强铝合金焊接接头高强度的要求，尤其是对于厚板焊接和焊接以后不能进行热处理的大型部件。焊缝强度可通过提高合金中的Mg含量而得以提高，同时延展性的损失也不大。然而，提高Al-Mg系合金焊丝中的Mg含量会引起耐蚀性的急剧降低。此外，随着中高强度铝合金性能的不断改善和连接部件可靠性要求的提高，传统的Al-Mg系合金焊丝如ER5356已不能满足中高强度铝合金焊接接头的强度要求，迫切需要抗热裂和抗应力腐蚀性能更佳的高强度铝合金焊丝，以满足更多工程部件的连接强度与可靠性需要。

近年来许多学者对In在铝及铝合金的作用进行了研究。In的表面能较小，在铝合金焊料中加入In可以使其表面能降低，有利于焊料的流动，避免应力集中和裂缝，改善合金的焊接性能；In的熔融热较小(28.6J/g)，可以减小焊接过程的热裂敏感性；然而，若加入In过量，将会造成在提高合金微细化强度和蠕变特性的同时，焊料表面易形成坚固的氧化膜，使润湿性大大降低。In还能提高铝合金的耐蚀性。将In加入Al-Cu-Mg中能明显提高合金的抗拉强度和屈服强度。将In加入到Al-Mg-Si合金中，漫流面积与In含量呈正相关关系。Al-Mg系合金中晶界游离的Na引起合金中严重的高温脆性，晶界中的In会与杂质Na反应生成类似In₈Na₅化合物，降低晶界脆性，提高材料的强度。微量In的添加使Al-Cu-Li合金的屈服强度增加25％，到达时效峰值的时间缩短25％，时效24h后的强度值提高70％。

由于In与Al形成溶混间隙，In在Al中的固溶度很小，溶质分配系数K₀<1，凝固过程中发生溶质再分配，出现成分过冷，使α(Al)较易形核，而且凝固时In在结晶前沿造成极大的溶质富集，促使枝晶形成缩颈，这样就有利于枝晶熔断、游离，使晶核增殖，从而使α(Al)相细化；另一方面，Mg能固溶到In与Al形成的溶混间隙中，生成富In且富Mg相(HCP结构，熔点为285℃)，可在大大提高Mg的固溶强化作用及减少焊接过程中Mg氧化烧损的同时，保证焊接过程中良好的润湿性和铺展性。但是人们目前还没有开发出将In作为主要添加元素的Al-Mg-In系焊丝。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

1.一种Al-Mg-In系焊丝，其组成成分的重量百分数为Mg：4.0％～6.5％、In：0.15％～1.0％、Ce：0.1％～0.4％、Mn：0.4％～1.2％、Ti：0.05％～0.15％、Si≤0.3％、Fe≤0.2％、Na≤0.0015％，余量为Al。

2.一种Al-Mg-In系焊丝的制备方法，操作步骤如下：

(1)原材料配制：

基体元素Al以纯度为99.7％的形式加入；合金元素的加入方式为：Mg和Ce以纯度为99.9％的形式加入，In以纯度为99.99％的形式加入，Ti以Al-5Ti-B的形式加入，Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入；按质量百分数为Mg：4.0％～6.5％、In：0.15％～1.0％、Ce：0.1％～0.4％、Mn：0.4％～1.2％、Ti0.05％～0.15％、Si≤0.3％、Fe≤0.2％、Na≤0.0015％，余量为Al配制。

(2)合金熔炼：

采用中频感应电阻炉熔炼，将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼，熔炼温度为720～760℃，熔体软塌后加覆盖剂保护，所述覆盖剂配方按重量百分数为CaF₂12％，MgCl₂71％，MgF₂17％(或CaCl₂17％)，保温30min，搅拌熔体，使熔体内部温度和成分均匀；760℃时加入Ce；700℃加入Mg和650℃～700℃加入In；升温到760℃后用CCl₆精炼，降温到720℃后熔体静置20min再扒渣，加入铝钛硼中间合金，扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火：

将步骤(2)得到的铸锭合金，进行均匀化退火，退火温度为450～480℃，保温时间为12～20小时。

(4)热挤压：

将步骤(3)得到退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压，挤压温度为380～450℃，挤压比为15～80，得到杆材毛料，挤压后坯料尺寸为φ10mm。

(5)拉拔：

将步骤(4)得到的φ10mm杆材毛料进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝，拉拔配模为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝；在拉拔过程中可进行多道次退火，退火温度为370～420℃，保温时间1.0～6.0小时。然后经精刮、抛光、清洗、烘干、精绕上盘，得到高性能Al-Mg-In系焊丝。

上述步骤(2)中熔体中不能加含Na元素的溶剂，避免铝合金发生Na脆。

本发明焊丝中加入合适的Mg、In、Ce、Mn和Ti等合金元素，其具体作用为：

Mg是Al-Mg系合金中主要的强化元素，镁从1.0wt.％增至6.0wt.％时，强度提高最明显。成分范围内，焊接接头强度与Mg含量呈正相关关系，通常高含量的Mg通过固溶强化使焊接接头的强度提高。Mg含量太低不能使焊缝达到需要的强度，而Mg加入量超过6.5wt.％，制造焊丝时会非常困难，且生成的Al₈Mg₅相会造成焊接接头的晶间腐蚀和应力腐蚀加剧。为兼顾可制造性和强度，优选Mg含量为4.0wt.％～6.5wt.％。

In：In的表面能较小，在铝合金焊料中加入In可以使其表面能降低，有利于焊料的流动，改善合金的焊接性能，减小焊后产生裂纹的倾向。若加入In过量，将会造成在提高合金微细化强度和蠕变特性的同时，焊料表面易形成坚固的氧化膜，使润湿性大大降低。在Al-Cu-Mg中添加0.5wt.％，合金的抗拉强度和屈服强度提高。在Al-Mg-Si合金中，W(In)<0.027wt.％，漫流面积与In含量呈正相关关系；W(In)>0.027wt.％，漫流面积与In含量成负相关关系，优选In添加量为0.15wt.％～1.0wt.％。

Mn是基本添加元素，与Mg相匹配，Mn可提高焊接接头的强度，通过减少热收缩改善焊接性。且Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，阻碍晶粒长大，能显著细化再结晶晶粒。Mn能通过Al₆Mn溶解杂质Fe，使铝合金中针状和片状含Fe化合物改变形状，并降低脆性，减小Fe的有害影响，Mn还能减少应力腐蚀敏感性。加Mn能使含Mg相分布均匀。低于0.4wt.％的Mn含量不能提供足够强度的焊接接头；而Mn含量超过1.2wt.％，拉丝原料的制造会非常困难。因此在实际使用中为了减少Al₈Mg₅的有害影响，加入1.2wt.％以下的Mn起补充强化作用，比等量的Mg效果更好。为保证强度，优选Mn含量为0.4wt.％～1.2wt.％

Ce的原子半径较大，不溶于Al，Ce与O的亲和力大于Al与O的亲和力，可还原Al₂O₃，减少氧化膜夹杂；Ce与H有较强的化学亲和力，以及Ce可以大量吸附和溶解H，当加入的Ce遇到铝液中的氢时，能迅速形成稳定的CeH₂，起到消除杂质元素的作用。Ce是表面活性极强的元素，可以强烈降低液体金属的表面张力，提高铺展性，改善焊接工艺性能。然而，在凝固过程中，当液固界面前沿的Ce含量超过一定量时，除了生成共晶相以外，还可能与其他元素生成粗大化合物。绝大部分Ce富集于枝晶间的第二相中，随着Ce含量的增加，第二相逐渐增多，且合金中出现较多球状相，Ce含量进一步增加时，第二相化合物明显增多，其形状也由长条状变为短粗骨骼状，球状相也进一步增多。综上所述，优选Ce的添加量为0.1wt.％～0.4wt.％。

Ti与Al生成Al₃Ti，阻碍晶粒长大，显著细化晶粒，提高合金的强度。

本发明的铝合金焊丝具有如下优点：

1本焊丝合金冶炼工艺易于实现，焊丝拉拔性能优良，可满足机车车厢、化工压力容器、造船、航空等行业的焊接技术要求；

2本发明中Mg、Mn元素的添加促进了铝基体的固溶强化，形成了Al、Mn、In和Ce等多元复合粒子，改善了焊接过程的润湿性，有效提高了焊缝金属的强度；

3特殊工艺的控制，以降低Mg含量在熔炼过程的烧损，提高了强度和韧性。

采用本发明的Al-Mg-In系合金，铸态性能明显提高：

(1)铸态组织明显细化，枝晶网稀疏；

(2)铸态室温抗拉强度明显提高，抗拉强度为240～290MPa。与同条件下不含In的Al-Mg铸态合金相比，抗拉强度提高50～100MPa。

(3)与同条件下不含In的Al-Mg铸态合金相比，本发明焊丝铸态合金在抗拉强度提高的同时，铸态合金的塑性也有很大的提高，延伸率可提高10～20％。

采用本发明的Al-Mg-In系焊丝，焊缝组织细化，焊接接头的综合性能明显提高。采用自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到320～410MPa，且焊缝金属的塑性与母材相当。与同条件下采用不含In的Al-Mg焊丝的接头相比，接头抗拉强度提高60～110MPa，接头的塑性也有很大的提高，延伸率可提高20～60％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。本发明技术方案不局限于以下所例举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施例1

1.Al-Mg-In系焊丝，组成成分的重量百分数为Mg：4.5％、In：0.15％、Ce：0.1％、Mn：0.4％、Ti：0.05％、Si：0.3％、Fe：0.2％和Na：0.0015％，余量为Al。

2.Al-Mg-In系焊丝的制备方法，其操作步骤如下：

(1)原材料的配制：基体元素Al以纯度为99.7％的形式加入；合金元素的加入方式为：Mg和Ce以纯度为99.9％的形式加入，In以纯度为99.99％的形式加入，Ti以Al-5Ti-B的形式加入，Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入，按上述1.Al-Mg-In系焊丝组成成分的重量百分数配制。

(2)合金熔炼：

采用中频感应电阻炉熔炼，将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼，熔炼温度为760℃，熔体软塌后加覆盖剂保护，所述覆盖剂配方按重量百分数为CaF₂12％，MgCl₂71％和MgF₂17％，保温30min，搅拌熔体，使熔体内部温度和成分均匀；760℃时加入Ce；700℃加入Mg和700℃加入In；升温到760℃后用CCl₆精炼，降温到720℃后熔体静置20min再扒渣，加入铝钛硼中间合金，扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火：

将步骤(2)得到的铸锭合金，进行均匀化退火，退火温度为450℃，保温时间为12小时；

(4)热挤压：

将步骤(3)得到的铝合金铸锭切头、铣面后进行热挤压，挤压温度为420℃，挤压比为65，挤压后坯料尺寸为φ10mm。

(5)拉拔：

将步骤(4)得到的杆状坯料进行多次拉拔，拉拔配模工艺为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝。中间退火温度为400℃，保温时间为5小时。

(6)焊丝经除油、清洗、烘干和重新绕盘后用于手工焊或自动焊。

实施例2

1.Al-Mg-In系焊丝，组成成分的重量百分数为Mg：5.0％、In：0.25％、Ce：0.15％、Mn：0.5％、Ti：0.10％、Si：0.3％、Fe：0.2％和Na：0.0015％，余量为Al。

2.Al-Mg-In系焊丝的制备方法，其操作步骤如下：

步骤(1)同实施例1。

(2)合金熔炼：

采用中频感应电阻炉熔炼，将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼，熔炼温度为720℃，熔体软塌后加覆盖剂保护，所述覆盖剂配方按重量百分数为CaF₂12％，MgCl₂71％和CaCl₂17％，保温30min，搅拌熔体，使熔体内部温度和成分均匀；760℃时加入Ce；700℃加入Mg和650℃加入In；升温到760℃后用CCl₆精炼，降温到720℃后熔体静置20min再扒渣，加入铝钛硼中间合金，扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火：

将步骤(2)得到的铸锭合金，进行均匀化退火，退火温度为480℃，保温时间为16小时。

(4)热挤压：

将步骤(3)得到退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压，挤压温度为450℃，挤压比为80，得到杆材毛料，挤压后坯料尺寸为φ10mm；

(5)拉拔：将步骤(4)得到的杆状坯料进行多次拉拔，拉拔配模工艺为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝。中间退火温度为370℃，保温时间为6小时。

实施例3

1.Al-Mg-In系焊丝，组成成分的重量百分数为Mg：5.5％、In：0.35％、Ce：0.20％、Mn：0.7％、Ti：0.15％、Si：0.3％、Fe：0.2％和Na：0.0015％，余量为Al。

2.其制备方法同实施例1，所不同的是在步骤(3)中退火温度为450℃，保温时间为20小时；在步骤(4)中挤压温度为380℃，挤压比为15，挤压后坯料尺寸为φ10mm；在步骤(5)中，中间退火温度为420℃，保温时间为1小时。

实施例4

1.Al-Mg-In系焊丝，组成成分的重量百分数为Mg：4.0％、In：0.6％、Ce：0.40％、Mn：1.2％、Ti：0.1％、Si：0.3％、Fe：0.2％和Na：0.0015％，Al余量。

2.其制备方法同实施例1，所不同的是在步骤(5)中，中间退火温度为420℃，保温时间为5小时。

实施例5

1.Al-Mg-In系焊丝，其主要化学成分(wt.％)为Mg：6.5％、In：1.0％、Ce：0.25％、Mn：0.9％、Ti：0.1％、Si：0.3％、Fe：0.2％、Na：0.0015％，余量为Al。

2.其制备方法同实施例1，所不同的是在步骤(5)中，中间退火温度为370℃，保温时间为6小时。

Claims

1.一种Al-Mg-In系焊丝，其特征在于，其组成成分的重量百分数为Mg：4.0％～6.5％、In：0.15％～1.0％、Ce：0.1％～0.4％、Mn：0.4％～1.2％、Ti：0.05％～0.15％、Si≤0.3％、Fe≤0.2％和Na≤0.0015％，余量为Al。

2.如权利要求1所述一种Al-Mg-In系焊丝的制备方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)原材料配制：

基体元素Al以纯度为99.7％的形式加入；合金元素的加入方式为：Mg和Ce以纯度为99.9％的形式加入，In以纯度为99.99％的形式加入，Ti以Al-5Ti-B的形式加入，Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入；按质量百分数为Mg：4.0％～6.5％、In：0.15％～1.0％、Ce：0.1％～0.4％、Mn：0.4％～1.2％、Ti0.05％～0.15％、Si≤0.3％、Fe≤0.2％、Na≤0.0015％，余量为Al配制；

(2)合金熔炼：

采用中频感应电阻炉熔炼，将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼，熔炼温度为720～760℃，熔体软塌后加覆盖剂保护，所述覆盖剂配方按重量百分数为CaF₂12％，MgCl₂71％，MgF217％或CaCl₂17％，保温30min，搅拌熔体，使熔体内部温度和成分均匀；760℃时加入Ce；700℃加入Mg和650～700℃加入In；升温到760℃后用CCl₆精炼，降温到720℃后熔体静置20min再扒渣，加入铝钛硼中间合金，扒渣后浇铸成铸锭合金；

(3)均匀化退火：

将步骤(2)得到的铸锭合金，进行均匀化退火，退火温度为450～480℃，保温时间为12～20小时；

(4)热挤压：

将步骤(3)得到的退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压，挤压温度为380～450℃，挤压比为15～80，得到杆材毛料，挤压后坯料尺寸为φ10mm；

(5)拉拔：

将步骤(4)得到的φ10mm杆材毛料进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝，拉拔配模为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝；在拉拔过程中可进行多道次退火，退火温度为370～420℃，保温时间1.0～6.0小时，然后经精刮、抛光、清洗、烘干、精绕上盘，得到高性能Al-Mg-In系焊丝。

3.根据权利要求2所述的Al-Mg-In合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中熔体中不能加含Na元素的溶剂，避免铝合金发生Na脆。