CN105385906B - 一种Al‑Mg‑In系焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种Al‑Mg‑In系焊丝及其制备方法 Download PDF

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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

—种AI -Mg-1 n系焊丝及其制备方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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己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。
[0004] 近年来许多学者对In在铝及铝合金的作用进行了研宄。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InsNa5化合物,降低晶界脆性,提尚材料的强度。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%。
[000S]由于In与A1形成溶混间隙,In在A1中的固溶度很小,溶质分配系数K〇〈l,凝固过程 中发生溶质再分配,出现成分过冷,使a (A1)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a (A1) 相细化;另一方面,Mg能固溶到In与A1形成的溶混间隙中,生成富In且富Mg相(HCP结构,熔 点为285°C),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
[0006]本发明的目的是提供一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0008] 1.—种Al-Mg-In系焊丝,其组成成分的重量百分数为Mg:4 〇%〜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 彡0.2%、Na彡0.0015%,余量为八1。
[0009] 2. —种Al-Mg-In系焊丝的制备方法,操作步骤如下:
[0010] (1)原材料配制:
[0011]基体元素A1以纯度为99.7%的形式加入;合金元素的加入方式为:啦和〜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A1-10皿11中间合金的形式加入;按质量百分数为1^:4.0%〜6.5%、111:0.15%〜1.0%、€6: 0-l%〜0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti0.05%〜0.15%、Si<0.3%、Fe$0.2%、Na< 0.0015%,余量为A1配制。
[0012] (2)合金熔炼:
[0013] 米用中频感应电阻炉溶炼,将错徒和Al-10Mn中间合金一次入炉溶炼,溶炼温度为 720〜760°C,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CaF2l2%, MgCl271%,MgF217% (或CaChl7%),保温30min,搅拌熔体,使熔体内部温度和成分均匀; 760°C时加入Ce;700°C加入Mg和65(TC〜700°C加入In;升温到76(TC后用CC16精炼,降温到 720°C后熔体静置20min再扒渣,加入铝钛硼中间合金,机渣后浇铸成铸锭合金。
[0014] (3)均匀化退火:
[0015] 将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为450〜48(TC,保温时间 为12〜20小时。
[0016] ⑷热挤压:
[0017] 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°C,挤压比为15〜80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为<])1 〇mm。
[0018] ⑸拉拔:
[0019] 将步骤(4)得到的巾10mm杆材毛料进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝,拉拔配 模为巾1 Omm®料—巾8 • 0mm—巾5.5mm— 3 • Omni— 1 • 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°C,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。
[0020] 上述步骤⑵中熔体中不能加含Na元素的溶剂,避免铝合金发生Na脆。
[0021] 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:
[00Z2] Mg是Al-Mg系合金中主要的强化元素,镁从1. Owt. %增至6. Owt • °乂时,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 • Owt • %〜6 • 5wt. %。
[0023] 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) < 0.〇27wt. %,漫流面积与In含量呈正相关关系;W(In) >0.〇27wt. %,漫流面积与In含量成负 相关关系,优选In添加量为0• 15wt. %〜1 .Owt. %。
[0024] 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能阻止错合金的再结晶过程,提尚再结晶温度,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AlsMgs的有害影响,加入i.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. %
[0025] Ce的原子半径较大,不溶于Al,Ce与0的亲和力大于A1与0的亲和力,可还原Al2〇3, 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,当液固界面如沿的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. lwt. %〜 0.4wt.% 〇
[0026] Ti与A1生成AhTi,阻碍晶粒长大,显著细化晶粒,提高合金的强度。
[0027] 本发明的铝合金焊丝具有如下优点:
[0028] 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;
[0029] 2本发明中Mg、Mn元素的添加促进了铝基体的固溶强化,开$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;
[0030] 3特殊工艺的控制,以降低Mg含量在熔炼过程的烧损,提高了强度和軔性。
[0031] 采用本发明的Al-Mg-In系合金,铸态性能明显提高:
[0032] (1)铸态组织明显细化,枝晶网稀疏;
[0033] (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〜lOOMPa。
[0034] (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%。
[0035]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
[0036]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。
[0037] 实施例i
[0038] l.Al-Mg-In系焊丝,组成成分的重量百分数为Mg:4.5%、In:〇.i5%、Ce:〇.l%、 此:0.4%、11:0_05%、81:0.3%小6:0.2%和版:0.0015%,余量为八1。
[0039] 2 • Al-Mg-In系焊丝的制备方法,其操作步骤如下:
[0040] (1)原材料的配制:基体元素A1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以纯度为卯.99%的形式加入,Ti以Al-5Ti-B的 形式加入,Mn以Al-lOMn中间合金的形式加入,按上述1.A1-Mg-In系焊丝组成成分的重量百 分数配制。
[0041] (2)合金熔炼:
[0042] 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°C,溶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°/a 口 MgF217%,保温30min,搅拌熔体,使熔体内部温度和成分均匀;760°C时加入Ce;700°C加入 Mg和700°C加入In;升温到76〇°C后用CC16精炼,降温到72〇 °C后熔体静置20min再扒渣,加入 铝钛硼中间合金,机渣后浇铸成铸锭合金。
[0043] ⑶均匀化退火:
[0044] 将步骤(¾得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为450°C,保温时间为12小 时;
[0045] ⑷热挤压:
[0046] 将步骤⑶得到的铝合金铸锭切头、铣面后进行热挤压,挤压温度为420°C,挤压比 为65,挤压后坯料尺寸为巾l〇mm。
[0047] ⑸拉拔:
[0048] 将步骤⑷得到的杆状坯料进行多次拉拔,拉拔配模工艺为巾10mm坯料—巾8.0mm —小5.5ram— 3 • 0mm—伞1 • 6mm的成品焊丝。中间退火温度为400 °C,保温时间为5小时。
[0049] ⑹焊丝经除油、清洗、烘干和重新绕盘后用于手工焊或自动焊。
[0050] 实施例2
[0051] 1.A1-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%、 1^:0.5%、^:0.10%、31:0.3%、卩6:0_2%和恥:0_0015%,余量为八1。
[0052] 2. Al-Mg-In系焊丝的制备方法,其操作步骤如下:
[0053] 步骤⑴同实施例1。
[0054] ⑵合金熔炼:
[0055] 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 72(TC,溶体软塌后加覆盖剂保护,所述覆盖剂配方按重量百分数*CaF2l2%,MgCh71 %和 CaCl217%,保温3〇min,搅拌熔体,使熔体内部温度和成分均匀;760°C时加入Ce; 700°C加入 Mg和650 °C加入In;升温到76〇 °C后用CCh精炼,降温到72〇°C后熔体静置2〇min再扒渣,加入 铝钛硼中间合金,扒渣后浇铸成铸锭合金。
[0056] ⑶均匀化退火:
[0057]将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为48〇。(:,保温时间为16小 时。
[0058] ⑷热挤压:
[0059]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45(rC, 挤压比为80,得到杆材毛料,挤压后述料尺寸为(j>
[0060] ⑸拉拔:将步骤⑷得到的杆状坯料进行多次拉拔,拉拔配模工艺为1()mm还料 —(J) 8 • 0_— 4> 5 • 5mm—巾3 • 0mm— d) 1.6咖的成品焊丝。中间退火温度为37〇。匚,保温时间为 6小时。
[0061] ⑹焊丝经除油、清洗、烘千和重新绕盘后用于手工焊或自动焊。
[0062] 实施例3
[0063] 1_A1-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%、 111:0.7%、11:0.15%、51:0.3%、卩6:0_2%和版:0_0015%,余量为八1。
[OOM] 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45(rc,保温时间为 20小时;在步骤⑷中挤压温度为38(TC,挤压比为IS,挤压后坯料尺寸为4>10圓;在步骤⑸ 中,中间退火温度为420°C,保温时间为1小时。
[0065] 实施例4
[0066] ^1-|%-111系焊丝,组成成分的重量百分数为啦:4.0%、111:〇.6%、(:(5:〇.4〇%、 111:1.2%、11:0.1%、31:0.3%、卩6:0_2%和他:0_0015%,六1余量。
[0067] 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42(TC,保温 时间为5小时。
[0068] 实施例5
[0069] 1_A1-Mg-In 系焊丝,其主要化学成分(wt.%)为 Mg:6.5%、In:i.〇%、Ce:〇.25%、 111:0_9%、11:0.1%、51:0.3%、卩6:0.2%、恥:0_0015%,余量为六1。 、
[0070] 2•其制备方法同实施例丨,所不同的是在步骤(5)中,中间退火温度为37〇 时间为6小时。

Claims (3)

1.一种八1-1^-111系焊丝,其特征在于,其组成成分的重量百分数为^^: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 彡 0.2% 和 Na 彡 0.0015%,余量为 Al; 其中,所述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A1以纯度为91 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,111以纯度为99.99%的形式加入,1'1以人1-5以-8的形式加入,1^以八1-10Mn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彡0.3%、Fe彡0.2%、Na彡 0.0015%,余量为A1配制; ⑵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°C,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%, MgFd7%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°C加入Mg和650〜700°C加入In;升温到760°C后用C2C16精炼,降温到720°C后熔体静置 2〇min再扒渣,加入铝钛硼中间合金,扒渣后浇铸成铸锭合金; ⑶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°C,保温时间为12 〜20小时; ⑷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 °C,挤压比为15〜80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为<])10mm; ⑸拉拔: 将步骤(4)得到的巾l〇mm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 4> 10mm还料—<!> 8.0mm— <!> 5.5mm^ 3 • 0mm—巾1 • 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37〇〜42〇°C,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。
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A1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 卯• 9%的形式加入,In以纯度为卯•卯%的形式加入,Ti以Al-5Ti-B的形式加入,Mn以A1-10Mn中间合金的形式加入;按质量百分数为Mg:4.0%〜6.5%、ln:0.15%〜1.0%、Ce: 0.1%〜0.4%、Mn:0.4%〜1.2%、Ti0.05%〜0.15%、Si<〇.3%、Fe<0.2%K 0.0015%,余量为A1配制; ⑵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 〜76(TC,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CaF2 12%,MgCl2 71 %,MgF2 17%或CaCh I7%,保温30min,搅拌熔体,使熔体内部温度和成分均匀;76(TC时 加入Ce;700°C加入Mg和650〜700°C加入In;升温到760°C后用C2C16精炼,降温到72(TC后熔 体静置20min再扒渣,加入铝钛硼中间合金,扒渣后饶铸成铸锭合金; ⑶均匀化退火: 将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均勾化退火,退火温度为450〜480°C,保温时间为12 〜20小时; ⑷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38〇〜45〇 °C,挤压比为I5〜80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为4) 10mm; ⑸拉拔: 将步骤(4)得到的10mm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 10mm还料—8 • 0mm— 5 • 5mm— <}> 3 • 0mm— 4) 1 • 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°C,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.如权利要求2所述一种Al-Mg-In系焊丝的制备方法,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。
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