CN106271190B - 铝合金焊丝及焊接铝锂合金部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金焊丝及焊接铝锂合金部件的方法。本发明的铝合金焊丝由如下成分组成：5.9至6.5重量％的铜，5.0至6.0重量％的硅，0.3至0.35重量％的锰，0.15至0.17重量％的钛，最高0.015重量％的镁，最高0.010重量％的硼，最高0.005重量％的锌，余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。本发明的铝合金焊丝及焊接铝锂合金部件的方法，能够实现较高的焊接强度，相比现有的焊丝焊料大幅减少裂纹等焊接缺陷，能取得更细小的焊缝晶粒。经过焊接试验验证，本发明相比于现有常规的铝合金焊丝，焊缝的强度可以提高48MPa以上，同时保持较高的塑性，还能将疲劳寿命提高达25％左右。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种铝合金焊丝及一种焊接铝锂合金部件的方法。
背景技术
铝锂合金由于其高比强度，耐腐蚀性能好等特点成为航空航天领域的理想材料，有研究表明，向铝合金中每加入1％的锂可使铝合金的密度减少约3％，弹性模量提高6％，比弹性模量提高9％。铝锂合金的使用能够帮助民用飞机上减轻机身结构重量，能减少飞机油耗，降低运营成本，减少二氧化碳排放，更节能环保。
随着材料技术的不断发展，国外已经研制出了第三代铝锂合金，其在保持了以往铝锂合金密度低、比强度、比刚度高等优异性能的同时，还具备材料各向异性低，损伤容限高，耐腐蚀性好，焊接性能强等特点。新型铝锂合金的主要代表有2060、2090、2097、2196、2197、2198、2060、8090等型号，已经成功应用于民用飞机领域，如A330、A340和A380等机型的机翼前后缘、附件盖、座椅滑轨、地板梁、机身与机身蒙皮等部件均采用了铝锂合金材料。另外，空客A380-800飞机主舱横梁采用了2196铝锂合金锻压件。
目前，在航空航天领域的铝合金连接工艺还是以铆接为主。相比于铆接，采用焊接工艺能减轻结构重量，提高结构刚度和密封性能。对于一些焊接性能比较好的铝合金，如6000系列铝合金，其焊接构件已经广泛应用于航空航天领域的制造生产。然而对于铝锂合金而言，其合金成分导致其焊接性能一般，容易产生焊接气孔、焊接热裂纹，焊接接头软化等现象。因此，铝锂合金的焊接尚未大规模应用到航空航天领域的生产中。
另一方面，激光焊接技术在近几年的快速发展也使其越来越多地取代了TIG(气体保护焊)、MIG(熔化极惰性气体保护焊)焊接工艺用于航空航天、高铁、核电等高端制造领域。这主要是因为同传统的焊接方式相比，激光焊接焊接具备能量密度更集中，焊接速度快、焊接热影响区小，焊缝力学性能好等特点。因此，如果能将激光焊接技术应用于铝锂合金制造，将有力地推动航空航天领域的制造水平。
一般而言，针对不同的铝合金需要选择不同的焊丝来进行焊接，但是新型铝锂合金的焊接，选用现有的常用焊丝、焊料焊接的强度不高，容易产生裂纹。因此，针对新型铝锂合金的焊接，亟需一种新的焊丝，以减少焊接缺陷、提高焊缝的强度和疲劳寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的焊丝用于新型铝锂合金的焊接时焊接强度不高、容易产生焊接缺陷的缺陷，提出一种铝合金焊丝及焊接铝锂合金部件的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种铝合金焊丝，其特点在于，其由如下成分组成：
5.9至6.5重量％的铜，
5.0至6.0重量％的硅，
0.3至0.35重量％的锰，
0.15至0.17重量％的钛，
最高0.015重量％的镁，
最高0.010重量％的硼，
最高0.005重量％的锌，
余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。
较佳地，所述铝合金焊丝中，镁的重量百分比含量至少为0.005重量％。
较佳地，所述铝合金焊丝中，锌的重量百分比含量至少为0.004重量％。
较佳地，所述铝合金焊丝中，镁的重量百分比含量约为0.010重量％，锌的重量百分比含量约为0.005重量％。
较佳地，所述铝合金焊丝由如下成分组成：
约6.2重量％的铜，
约5.4重量％的硅，
约0.32重量％的锰，
约0.16重量％的钛，
约0.010重量％的镁，
约0.005重量％的锌，
最高0.010重量％的硼，
余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。
本发明还提供了一种焊接铝锂合金部件的方法，其特点在于，采用如上所述的铝合金焊丝。
较佳地，所述铝锂合金部件由2060铝锂合金或2099铝锂合金制成。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的铝合金焊丝及焊接铝锂合金部件的方法，适用于新型铝锂合金的焊接，能够实现较高的焊接强度，相比现有的焊丝焊料大幅减少裂纹等焊接缺陷，能取得更细小的焊缝晶粒。经过焊接试验验证，本发明相比于现有常规的铝合金焊丝，焊缝的强度可以提高48MPa以上，同时保持较高的塑性，还能将疲劳寿命提高达25％左右。
具体实施方式
下面，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
本发明一较佳实施例的铝合金焊丝，其由如下成分组成：
6.2重量％的铜，5.4重量％的硅，0.32重量％的锰，0.16重量％的钛，0.010重量％的镁，0.005重量％的锌，最高0.010重量％的硼，余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。
本发明的焊丝中加入了适当含量的铜、硅、锰、钛、镁、锌等元素，以形成强化相，细化焊缝晶粒，提高焊缝强度。加入这些元素的作用大致如下。
铜的加入有助于其主要强化相(θ、S、Ω及它们的亚稳相)的形成，提高合金的强度；
加入硅有一定的强化作用，同时Si具有较好的流动性，能够较理想的填补晶界上存在的微裂纹和孔隙缺陷，起到一定的修复晶界的作用，表现出较低的热裂纹倾向；
锰的加入能细化再结晶晶粒，减少热裂纹倾向，并减小杂质的影响；
钛的加入能与铝形成强化相TiAl2，成为结晶时的非自发核心，能细化锻造组织和焊缝组织；
镁的加入能与铝形成强化相，有效提高了焊缝强度，同时保证焊缝塑性和冲击韧性等性能；
锌的加入能在与镁形成强化相，提高合金强度。
本发明的焊丝的制备工艺流程如下：
原料→熔炼→精炼→浇铸(连铸连挤)→盘条→减径→焊丝。
以下对采用上述较佳实施例的铝合金焊丝对新型铝锂合金制成的试样进行激光焊接的一示例进行说明。
本示例中，选用2060T8E30型的铝锂合金板材作为底板，2099T83型的铝锂合金板材作为立板，两板的厚度均为2mm。本示例对两板进行角焊缝双侧同步激光焊接，焊接选用直径为1.2mm的上述较佳实施例的铝合金焊丝。本示例的焊接铝锂合金部件的方法为立板两侧激光同步填丝焊接，焊接的工艺参数为：激光功率为3000W，焊接速度为10m/min，送丝速度为4.3m/min。对本示例焊接形成的试验件的焊缝表面进行目视检查、渗透检查和X光检查，观察焊缝表面裂纹和焊缝内部气孔情况，根据相应标准检查，焊缝无表面裂纹，焊缝内部气孔也满足ISO 13919-2标准中的B级焊缝的要求。
以下，通过对比试验说明本发明的铝合金焊丝的卓越性能。采用和以上所述的基本相同的焊接铝锂合金部件的方法和焊接参数，采用现有的ER4047型焊丝对上述两块板材进行同样的焊接，以获得对比试验件。对采用本发明的铝合金焊丝和现有的ER4047型焊丝焊接得到的试验件进行横向拉伸性能测试和疲劳性能试验，试验件的性能见下表1。表1中记录了三组试验件的测试结果。由表1可以看出，采用本发明的铝合金焊丝进行焊接形成的焊缝接头的力学性能明显优于现有的ER4047型焊丝。
表1
在以上成分重量比的具体实施例的铝合金焊丝的基础上，对其中各个成分进行了一定量的调节，并进行相应测试。测试结果显示，将试样的铜含量控制在5.9至6.5重量％，硅含量控制在5.0至6.0重量％，锰含量控制在0.3至0.35重量％，钛含量控制在0.15至0.17重量％，镁含量控制在最高不超过0.015重量％，硼含量控制在最高不超过0.010重量％，锌含量控制在最高不超过0.005重量％，并且余量为铝以及制造条件下产生的杂质的情况下，尽管试样的力学性能很可能差于上述示例中的试样，但仍能较明显地优于现有的ER4047型焊丝。并且，将上述试样中，镁的重量百分比含量控制在0.005重量％至0.015重量％的范围内，锌的重量百分比含量控制在0.004重量％至0.005重量％的范围内，最优地将镁的重量百分比含量控制在0.010重量％、锌的重量百分比含量控制在0.005重量％，可对试样的力学性能的提高有一定帮助。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铝合金焊丝，其特征在于，其由如下成分组成：
5.9至6.5重量％的铜，
5.0至6.0重量％的硅，
0.3至0.35重量％的锰，
0.15至0.17重量％的钛，
最高0.015重量％的镁，
最高0.010重量％的硼，
最高0.005重量％的锌，
余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。
2.如权利要求1所述的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝中，镁的重量百分比含量至少为0.005重量％。
3.如权利要求2所述的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝中，锌的重量百分比含量至少为0.004重量％。
4.如权利要求3所述的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝中，镁的重量百分比含量为0.010重量％，锌的重量百分比含量为0.005重量％。
5.如权利要求1所述的铝合金焊丝，其特征在于，其由如下成分组成：
6.2重量％的铜，
5.4重量％的硅，
0.32重量％的锰，
0.16重量％的钛，
0.010重量％的镁，
0.005重量％的锌，
最高0.010重量％的硼，
余量为铝，以及制造条件下产生的杂质。
6.一种焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任意一项所述的铝合金焊丝焊接铝锂合金的部件。
7.如权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述铝锂合金的部件由2060铝锂合金或2099铝锂合金制成。
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