CN106457479B - 金属芯焊丝及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属芯焊丝，所金属芯焊丝包括来自铝或铝合金的无缝护套、包含压缩粉末的内芯，其中所述粉末至少包含一种金属和/或金属合金粉末和/或一种金属或金属氧化物粉末，所述金属粉末是从固体金属或者具有预先确定的组分的固体金属合金碾磨或研磨来的，本发明还涉及一种通过焊接和/或喷涂金属芯焊丝制成的焊缝或焊缝熔敷或喷涂层，一种用于制造金属芯焊丝的方法，以及一种金属芯焊丝的应用。

Description

金属芯焊丝及其形成方法
本发明涉及金属芯焊丝，并且更具体地涉及改进的金属芯铝焊丝。
目前工艺水平中公知的是使用铝焊丝作为实心线丝，其一般是通过如下方法生产的：连续不断地铸造圆条，随后将所述圆条加热至取决于铝合金的温度，并且被辊制成预先确定的直径。以该方式生产的棒随后通过多个模具拉制，以使直径减小至铝焊丝所需要的大小。
使用铝焊丝的一个主要问题是焊缝的多孔性。焊缝没有孔隙是重要的，而铝焊缝中观察到的孔隙是由多个来源造成的，但是最显著的来源之一是由来自凝固焊接金属释放的氢气泡所造成的气孔。这些气泡是由将包含氢气的材料引入到焊缝中造成的。在焊接期间，包含氢气的材料被分解，并且由此所产生的氢气溶解在熔融金属中。由于氢气在固体金属中具有相对低的溶解度，所以在凝固时造成焊缝中的小气孔。
美国专利号US 3,676,309 B公开了一种铝基合金焊丝，所述焊丝被涂覆有具有低水合速率的磷酸铝涂层，从而获得了基本上无孔隙的焊缝。可以通过如下来制备铝焊丝：将线丝浸入包含阳极片的第一碱性水溶液中，随后将所述线丝浸入包含阴极片的第二碱性水溶液中，并且当所述线丝被浸入在电解液中时使电流通过所述电解液。其后，用冷水冲洗所述线丝，浸入钝化和中和的酸浴中，并且随后再次冲洗。该方法的第二部分是酸性电解处理。
在美国专利号US 4,913,927 B中，公开了一种具有超净铝表面的、以基本上无水的低级烷醇和胶状固体润滑剂的双涂层润滑的铝焊丝。
日本专利公开JP 6-304780-A公开了一种管状的并且被填充有焊剂的铝焊丝。根据所述公开，焊剂包含5-10％的钠、40-45％的钾、5％或更少的氧、5％或更少的硫、5-10％的氟和35-40％的氯。
从US 6,933,468 B2中已知具有一种由金属护套和内芯制成的金属芯焊丝，其中所述内芯包含具有各种粉末状材料的内芯组合物。护套可以是铝护套，并且内芯组合物可以包含基于线丝重量的少于约5％的非金属组分。在制造该金属芯线丝时，内芯组合物被共混并且沉积到金属条带上，所述金属条带在成型碾磨机中被形成为围绕内芯组合物的管或护套。围绕内芯组合物的护套通过缩径模具(reducing dies)被拉制(drawn)到指定直径。为了执行拉制操作，当牵引护套通过缩径模具时润滑所述护套的外表面是必要的。为了避免焊缝中的氢气释放，在缩径模具中使用无机润滑剂，因为所述无机润滑剂是无氢的。例如，可以使用二硫化钼。
从德国专利申请DE 103 34 959 A1中已知一种来自较高强度的铝合金的用于焊接零件的芯焊丝，所述芯焊丝具有管状护套，在所述管状护套中填充有一种或更多种粉末状形式的组分，其中通过对所填充的护套外部加热，从铝合金中获得预先确定的合金，优选地为铝镁锰合金。所述内芯应该由具有<0.2mm的晶粒大小的水或气体雾化的熔融物组成。
从美国专利号US 6,479,165 B2中已知一种电弧喷涂方法，其公开了一种通过电弧喷涂方法制造的用于耐磨损和被确定为利于摩擦的成形体的材料丝，所述材料丝包括覆盖物和填充物。所述覆盖物包括基于铝的合金。所述填充物包括用于成形体的所得合金的另外的合金组分，例如硅。除了硅之外，所述填充物还可以包括另外的组分，例如铝和/或硼。通过该方式，可以设定成形体的所得的合金的组合物和材料性能。所述覆盖物被制备为封闭的无缝管，其包括具有至少一种另外的合金组分(可能是镁、硅和锰)的基于铝的合金。该管可以被拉制、焊接或者挤出。所述覆盖物之后被填充以填充材料，其中所述组分呈现为粗粉末。所述粉末可以由硅、铝和硼组成，并且即使使用粗粉末，最大晶粒大小为约600μm。所述填充物在填充期间应该通过定向振动的方式来压缩，其中在随后的拉制程序中，材料丝被减小至最终直径，所述填充物的粉末大小被减小，这导致紧密的填充物并且对于在层中的均匀分布具有积极效果。
在德国公开DE 198 41 619 A1中，公开了一种用于通过热喷涂生产亚共晶Al/Si的耐磨损涂层的材料丝，其中所述线丝由来自金属铝的护套和来自另外的合金组分的填充物组成。所述合金组分可以是硅、镍、铁、镁、铜、钴、铬、锰等。
从欧洲公开EP 1 148 229 B1中，已知一种通过热喷涂沉积磨损层的方式来制造用于内燃机的汽缸衬垫的方法，其中所述磨损层包括亚共晶铝硅合金，并且所述保护层或连接层包括共晶或亚共晶铝硅合金，其中具有封闭的封套的填充丝被使用在电弧喷涂沉积工艺中，其中所述填充丝被填充有硅合金。
由于低密度和高耐腐蚀性，铝和铝合金被广泛使用，例如，作为建筑材料。
材料的可能强度在50兆帕和700兆帕之间。建筑中的铝材料是通过焊接的方式制造和连接的。因为在焊接中铝的特定的特性(即，对氧的亲和性)，使用通常利用惰性保护气体(如氩气或氦气)来避免氧化的焊接方法。这些氧化物，例如氧化铝(Al2O3)，其特征在于非常高的熔点并且可以产生不想要的杂质。如已提到的，此外，由于气孔的形成铝合金是易受影响的，所述气孔形成归因于在液态铝中的溶解度远高于在固态铝中的溶解度的氢气的释放。
铝合金被分类为可锻造合金和铸造合金，所述可锻造合金和铸造合金被分类为可硬化的和不可硬化的材料。用于铝的最常见的合金材料是镁和铜，0.3-7％范围内的镁适合于较高的强度和显微结构中较细小的晶粒的需要，0.3-1.2％范围中的镁适合于较高的强度和较好的耐腐蚀性的需要，至多5％的铜适合于较高的强度的需要。通过对铜合金化，耐腐蚀性降低。至多12％的硅将熔点降低至577℃，从而使得该合金可能能够被锡焊。
为了焊接铝合金，存在几种材料，大部分适合于待焊接的材料。对于广泛传播的MIG方法，通常使用均匀的金属丝。这些线丝通常以这样的方式被加工出来，使得能够造成气孔的拉制试剂被全部除去。此外，氧化铝涂层减少。
仅有很少的合金可以被拉制成线丝，因为例如亚共晶合金不能被拉制成金属线丝。该问题的一个解决方案是生产金属芯焊丝，其中导致线丝具有较低的机械性能的合金金属被集中在内芯中。
通常在这些金属焊丝中，内芯组合物被共混并且沉积到金属带材上，所述金属带材在成型碾磨机中被形成为围绕内芯组合物的管或护套。
本发明基于提供一种金属芯焊丝的目的，使用所述金属芯焊丝可获得具有低孔隙率和高强度的焊缝，并且所述金属芯焊丝不易受湿度的影响。
本发明的进一步的目的是提供一种用于生产金属芯焊丝的方法，所述金属芯焊丝不易受湿度影响、带来无孔隙的焊缝并且提供具有高强度的焊缝。
再进一步的目的是提供具有导致焊缝材料的相配合特点的护套的组合物和内芯填充材料的组合物的金属芯焊丝。
发明人已经发现具有卷边或接缝的护套对于焊接并且特别是对于铝的高强度焊缝几乎是不利的。
发明人确定，一方面，湿度可以通过卷边或接缝侵入到线丝的内芯中。另一方面，用于拉制丝通过模具的润滑剂也渗入卷边或接缝，并且即使将润滑剂从线丝上除去，润滑剂仍会留在卷边或接缝中。湿度和留下的润滑剂两者都是造成焊缝中的氢气孔的原因。
进一步，发明人发现用于金属芯焊丝的水或气体雾化的粉末具有对于高强度焊缝中的应用而言过高的氧含量，而高的氧含量在焊接期间导致增加的氧化铝形成。
为了克服发明人发现的这些缺点，根据本发明的金属芯焊丝由无缝管构成，所述无缝管是通过从铝，特别是从可硬化的合金，例如从合金系统Al-Mg-Si挤出制成的。
进一步，根据本发明，使用由金属和/或金属合金和/或金属氧化物和/或金属合金氧化物制成的用于内芯填充物的粉末。例如，粉末可以由过共晶合金制成。根据本发明，这些过共晶合金是通过如下步骤生产的：通过相应的分析均匀地熔化所述组分，并且之后研磨或碾磨凝固的熔融物，筛分和分馏粉末。以该方式制成的过共晶粉末具有优异的可研磨性并且仅具有低的氧含量和氢含量。
基于均匀的熔化，当相应的粉末被填充到管中，特别是通过振动填充时避免所述组分的分解。
合金在焊缝或焊缝熔敷中的整体组合物是由基于相对于管的尺寸(例如，直径、厚度)和组合物的内芯容量来设置的。
已经发现，晶粒大小<0.4mm的填充粉末适合于本发明。
填充粉末的填充率以金属芯焊丝重量百分比计为8.5％至82％。适合的线丝直径一般为1.2mm至5mm。
根据本发明，已填充的管随后被拉制到中间直径，其中通过拉制，护套硬化。通过拉制，粉末以这样的方式被压缩，使得已与粉末一起被填充进来的空气或来自空气的氧气被全部除去。
根据本发明，进一步，随后拉制的管被软退火，用于将管进一步加工成丝。粉末不受软退火的影响，因为根据本发明，所述粉末具有比软退火温度更高的熔点。
例如，初始管的尺寸为12mm x 2mm或其他，其中外径为12mm并且壁厚度为2mm。
在用粉末填充管之后，并且在软退火之后，中间金属芯焊丝以通常已知的方式被拉制到最终直径为1.2至3.17mm。
在一个实施例中，金属芯焊丝具有如下化学组成：Si的质量为4-8％和锰的质量为8-16％，其余为铝。通过用该金属芯焊丝焊接，强度可以达到310N/mm2。可以通过将至多4％的铜添加至(填充物的)熔融物来提高强度。将至多4％的钛和/或锆添加到熔融物中是可能的，并没有形成氢化物的风险。
在进一步的实施例中，金属芯焊丝具有如下化学组成：Ni的质量为45-55％，其余为铝。该丝非常适合于电弧喷涂涂层和迭层焊接(built-up welding)或堆焊(overlaywelding)。
根据本发明的一个进一步的实施例，金属芯焊丝具有如下组合物：Si的质量为19-30％，其余为铝。该过共晶合金可以用于激光焊接。硅的高熔落由高含量的硅所补偿。以该方式，可获得质量为5-12％的硅，其确保无裂纹的焊接熔池。
用于所述管，相应的护套的可能材料包括AlMgSi 0.5、AlMgSi 0.7、AlMn1、Al99.9。
可能的管和填充材料组分包括：
1.Al-管+Ni-粉末，当整个线丝的化学组成为50％的铝+50％的镍时。
2.AlMgSi0.5-管，具有至多16％的镁和8％的Si。
3.AlMgSi0.5-管，其中线丝的化学组成为20％的镁、10％的Si。
4.AlMgSi0.5-管，其中线丝的化学组成为6-14％的Mg，其余为铝。
5.AlMgSi0.5-管，其中整个丝的化学组成为22％的Si，其余为铝。
6.AlMn1-管，具有40％的纯钛粉末，用于高温应用和高密度层。
前述可能的管和填充材料组分导致如下化学性质，即相应地通过用前述金属焊丝焊接或喷涂所产生的焊缝熔敷的性能。实例的计算列举如下。
Figure GDA0001179296340000071
本发明涉及一种金属芯焊丝，所述金属芯焊丝包括来自铝或铝合金的无缝护套，包含压缩粉末的内芯，其中所述粉末包含金属粉末和/或金属合金粉末，所述粉末是从固体金属或者具有预先确定的组合物的固体金属合金碾磨或研磨来的，其中所述粉末是由过共晶合金制成的。
根据本发明的优选实施例，所述护套由可硬化的可锻造铝合金构成。
本发明的另一个方面是所述护套的材料组合物和所述内芯的材料组合物以这样的方式配合，达到通过焊接时所述护套和所述内芯的共熔来实现焊缝或焊缝熔敷的有利组合物，其中所产生的预先确定的合金是由相对于所述护套的直径和所述护套的厚度的内芯含量来设置的。
在本发明的另一个优选实施例中，所述焊丝具有1mm至5mm的直径。
根据本发明的另一个优选实施例，所述金属芯焊丝具有如下化学组成：4质量％至8质量％的Si和8质量％至16质量％的Mn，其余为铝；或者45质量％至55质量％的Ni，其余为铝；或者19质量％至30质量％的Si，其余为铝。
进一步，所述护套优选为具有Ni-粉末的Al-管，其中整个线丝的化学组成为50％的Al和50％的Ni，或者所述护套是由具有至多16％的锰和至多8％的Si的AlMgSi0.5制成的。
根据本发明的优选实施例，所述填充粉末的晶粒大小<0.4mm。
此外，所述金属芯焊丝中的填充粉末优选的填充率为8.5％至82％(以重量％形式)。
在本发明的优选实施例中，所述金属芯焊丝由AlMn1-管和填充物构成，所述填充物是由WC和/或W2C构成的碳化钨粉末。
根据本发明的另一个优选实施例，所述金属芯焊丝由75重量％至85重量％的碳化钨粉末组成。
进一步，根据本发明的金属芯焊丝优选由AlMn1-管和钛粉末的填充物组成。
在进一步优选的实施例中，所述金属芯焊丝包含35重量％至50重量％的钛粉末。
本发明还涉及通过焊接根据本发明的金属芯焊丝而制成的焊缝或焊缝熔敷，其中所述焊缝或焊缝熔敷包含：0.05重量％至21重量％的Mn，0.1重量％至11重量％的Si，0.05重量％至15重量％的Mg，至多50重量％的Ni，至多40重量％的Ti，至多78重量％的碳化钨。
根据优选实施例，所述焊缝或焊缝熔敷：Mn，0.3重量％至0.45重量％的Si，0.2重量％至0.27重量％的Mg和22重量％至27重量％的氧化铝，其余；或者0.03重量％至0.8重量％的Mn，0.22重量％至0.28重量％的Si，0.22重量％至0.8重量％的Mg，45重量％至55重量％的Ni，其余为铝和杂质；或者10重量％至12重量％的Mn，5重量％至7重量％的Si，0.38重量％至0.45重量％的Mg，其余为铝和杂质；或者19重量％至22重量％的Mn，9.5重量％至11.5重量％的Si，0.3重量％至0.37重量％的Mg，其余为铝和杂质；或者0.05重量％至0.13重量％的Mn，0.4重量％至0.47重量％的Si，13.5重量％至15.5重量％的Mg；或者0.04重量％至0.12重量％的Mn，24重量％至27重量％的Si，0.33重量％至0.43重量％的Mg，其余为铝和杂质；或者0.2重量％至0.26重量％的Mn，0.09重量％至0.15重量％的Si，0.05重量％至0.09重量％的Mg，74重量％至80重量％的碳化钨，其余为铝和杂质；或者0.55重量％至0.65重量％的Mn，0.25重量％至0.35重量％的Si，0.15重量％至0.21重量％的Mg，35重量％至45重量％的Ti，其余为铝和杂质。
本发明还涉及金属芯焊丝的制造的方法，其中由铝或铝合金形成无缝管，所述铝或铝合金管用金属或金属合金的粉末作填充物，其中，所述金属或金属合金的粉末是由在凝固之后被研磨或碾磨成预先确定的晶粒大小的均匀地熔融金属或过共晶金属合金制成的，并且所述填充粉末的管被拉制到预先确定的尺寸，其中通过拉制，所述粉末以这样的方式被压缩，使得已与所述粉末一起被填充进来的气体(即空气或来自空气的氧气)被全部除去。
优选地是通过拉制所述已填充粉末的管，所述护套经硬化并且之后所述线丝被软退火。
根据本发明的另一个优选实施例，所述经拉制的线丝通过模具校准到预先确定的直径。
在本发明的进一步优选的实施例中，除去拉制润滑剂和/或氧化层。
本发明的另一个方面是被填充在所述内芯中的粉末以及所述护套或管材料具有比软退火温度更高的熔点，其中所述粉末具有比所述护套或管材料更高的熔点。
在本发明的优选实施例中，所述铝或铝合金的管在通过粉末振动将粉末填充之后，从初始管直径拉制到填充直径，之后被拉制到中间直径，热处理(软退火)，继续拉制成最终大小，之后，对丝进行最终清洁和刮擦(去皮(peeling)、剥皮(skinning))。
进一步，优选地是所述管的初始直径为10mm至14mm，其中厚度为1mm至4mm；所述中间直径为3.5mm至5.5mm，且所述最终直径为1.2mm至3.7mm。
本发明还涉及金属芯焊丝(特别是根据本发明方法制造的金属芯焊丝)的应用，其用于电弧焊，并且特别是用于铝和铝合金的电弧焊，尤其地是用于高强度焊缝的电弧焊、对钢锭加标签、高密度层、缓冲层、电弧喷涂和激光焊接。

Claims (23)

1.一种金属芯焊丝，所述金属芯焊丝包括：
-由铝或铝合金制成的无缝护套，
-包含压缩粉末的内芯，其中
-所述粉末包含金属粉末和/或金属合金粉末，其中
-所述粉末是由通过均匀地熔化其成分，并且之后研磨或碾磨凝固的熔融物制备得到的过共晶合金制成的；
所述金属芯焊丝具有如下化学组成：4质量％至8质量％的Si和8质量％至16质量％的Mn，其余为铝；或者45质量％至55质量％的Ni，其余为铝；或者19质量％至30质量％的Si，其余为铝。
2.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述护套由可硬化的可锻造铝合金构成。
3.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述护套由来源于合金系统Al-Mg-Si的铝合金构成。
4.根据前述权利要求中一项所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述护套的材料组合物和所述内芯的材料组合物以这样的方式配合：在焊接时通过所述护套和所述内芯的共熔来获得焊缝熔敷的有利组合物，其中所产生的预先确定的合金是基于相对于管的尺寸和组合物的所述内芯的含量来设置的。
5.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述焊丝具有1mm至5mm的直径。
6.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述护套由铝合金AlMn1构成。
7.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述粉末的晶粒大小<0.4mm。
8.根据权利要求1所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述粉末的填充率以在所述金属芯焊丝中的重量％计为8.5％至82％。
9.根据权利要求4所述的金属芯焊丝，其特征在于，所述管的尺寸包括所述管的直径和厚度。
10.一种用于制造金属芯焊丝的方法，其中
-由铝或铝合金形成无缝管，
-以包含金属或金属合金的粉末填充所述铝或铝合金的管，其中
-来自所述金属或金属合金的所述粉末由均匀地熔融金属或过共晶金属合金制成，所述均匀地熔融金属或过共晶金属合金在凝固之后被研磨或碾磨成预先确定的晶粒大小，并且
-被粉末填充的所述管被拉制成预先确定的直径，其中通过拉制，所述粉末以这样的方式被压缩：已与所述粉末一起被填充进来的气体被全部除去；
所述金属芯焊丝具有如下化学组成：4质量％至8质量％的Si和8质量％至16质量％的Mn，其余为铝；或者45质量％至55质量％的Ni，其余为铝；或者19质量％至30质量％的Si，其余为铝。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过拉制被粉末填充的所述管，所述管硬化，并且之后所述焊丝被软退火。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，经拉制的所述焊丝借助于模具被校准到预先确定的直径。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，从所述管的表面除去拉制润滑剂和/或氧化层。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，经拉制的所述管被软退火，用于将所述管进一步加工成丝。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述粉末具有比软退火温度更高的熔点。
16.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，由铝或铝合金形成的所述管从初始管直径被拉制到填充直径，之后通过振动填充以粉末，之后被拉制到中间直径，被热处理，被继续拉制到最终直径并且之后，对所述焊丝进行最终清洁和刮擦。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述初始管直径为10mm至14mm，其中厚度为1mm至4mm；所述中间直径为3.5mm至5.5mm；并且所述最终直径为1.2mm至3.7mm。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热处理包括软退火，所述刮擦包括去皮和剥皮。
19.一种根据权利要求1至9中任一项所述的金属芯焊丝在电弧焊中的应用。
20.根据权利要求19所述的应用，其特征在于，所述金属芯焊丝根据权利要求10至18中任一项所述的方法制造。
21.根据权利要求19所述的应用，其特征在于，所述电弧焊是铝和铝合金的电弧焊。
22.根据权利要求19所述的应用，其特征在于，所述电弧焊是高强度焊缝的电弧焊。
23.一种根据权利要求1至9中任一项所述的金属芯焊丝在对钢锭加标签中的应用。
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