CN1078622C - 由铝镁锰合金制成的具有改善机械强度的用于焊接结构的产品 - Google Patents

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Abstract

所公开的是一种叠层的或挤压的，用于获得AlMgMn铝合金型的焊接构件的产品，所述产品含量如下(重量%)；3.0＜Mg＜5.0、0.75＜Mn＜1.0、Fe＜0.25、Si＜0.25、Zn＜0.40。任选自Cr、Cu、Ti、Zr的组份含量为：Cr＜0.25、Cn＜0.20、Ti＜0.20、Zr＜0.20，其它组份各＜0.05，而总量＜0.15。其中Mn+2Zn＞0.75。焊后的产品有改善了的机械性能和抗疲劳性能，而同时保持其韧性和耐腐蚀性，该产品尤为适用于造船，多用途车辆及焊管制成的自行车车架。

Description

由铝镁锰合金制成的具有改善机械强度的用于焊接结构的产品
本发明涉及轧制的或挤压的产品领域，该产品，比如是由含大于3％(重量)的Mg的AlMgMn型铝合金制成的板材、型材、线材或管材，它们欲被用于有高的屈服应力、良好的抗疲劳性能及良好的韧性的焊接结构，如用于船舶、工业车辆或焊接的自行车车架。
使铝合金制的焊接构件尺寸优化导致了采用AluminiumAssociation规定的5000系列的AlMg合金，如，其成份列于AluminiumAssociation中的合金5083，其成份为(重量％)：
Mg：4.0-4.9
Mn：0.4-1.0
Fe：＜0.40
Si  ＜0.40
Zn  ＜0.25
Cu  ＜0.10
Cr：0.05-0.25
Ti  ＜0.15
这些合金在冷加工状态(符合NF-EN-515的状态H1)，或部份软化状态(状态H2)，或稳定化状态(状态H3)下使用，同时保持高的耐腐蚀性能，而不是在退火状态(状态O)下使用。然而与状态O相关的机械性能方面的改进通常在焊后保不住，因而保障和监测组织通常推荐：对于焊接构件，只考虑状态O下的特性。为了确定尺寸，还应考虑抗疲劳能力和裂纹扩展速度。
在此领域中，研究主要集中在焊接操作本身的进行。人们一直试图通过适宜的热机处理来改善制品的耐腐蚀性能。
日本专利申请JP 06-212373推荐使用含1.0-2.0％Mn、3.0-6.0％Mg和少于0.15％Fe的合金来将因焊接导致的机械强度降低减至最小。但，采用有如此高的锰含量的合金导致了抗疲劳性能及韧性下降.
本发明的目的在于大幅度改善在预定的焊接条件下用AlMgMn合金制成的焊接构件的机械强度和抗疲劳性能，而不会因内应力对其它参数如韧性，耐腐蚀性能及切削变形产生不利的后果。
本发明涉及用AlMgMn铝合金制成的用于焊接结构的产品，该产品含(％重量)：
3.0＜Mg＜5.0
0.5＜Mn＜1.0
Fe，Si和Zn的含量为：
Fe＜0.25
Si＜0.25
Zn＜0.40
视需要而定含元素Cr、Cu、Ti、Zr中的一种或几种，其量为：
Cr＜0.25
Cu＜0.20
Ti＜0.20
Zr＜0.20
其它元素均小于0.05，总量小于0.15，其中Mn＋2Zn＞0.75。
与先前的，涉及焊接工艺和热机械处理的研究不同，本发明人找到了次要合金元素，尤其是铁、锰和锌的特定的成份范围。从而导出综合了静态机械特性、韧性、抗疲劳性能、耐腐蚀性和切削变形的一组令人感兴趣的性能，而这组性能是特别适合将这些合金用于造船，多用途车辆及自行车焊接车架的。
这组性能是通过低铁含量小于0.25％，尤其是小于0.20％，甚至是0.15％，和使Mn＋2Zn＞0.75％，尤其是大于0.80％的锰和锌含量的组合而获得的。为具有适宜的机械特性，Mn含量应大于0.5％，尤其是大于0.8％，而若想避免韧性和抗疲劳性能恶化，Mn含量不应大于1％。现已发现和锰一起加锌对焊接板和焊缝产生有益效果。但因在焊接时会遇到一些问题，它较好是不大于0.4％。
最好将Mg保持在＞4.3％，因它对屈服应力和抗疲劳性能有好的效果，但超过5％时耐腐蚀性就较差了。加Cu和Cr对屈服应力也是有益的，但为保持良好的抗疲劳性能，最好将Cr保持在0.15％以下。
这些板材的机械强度取决于固溶态的镁含量和镁的分散体。业已发现：这些与铁和锰含量有关的分散体的体积含量最好保持在1.2％以上。这种体积含量是用扫描电镜和图象分析在三个方向(长、宽和厚度)上产生的抛光的切口上测得的表面含量平均值计算出来的。
本发明的产品可以是轧制的或挤压的产物，如热或冷轧的板材、线材、型材，或挤压且视需要而定经过拉伸的管材。
可以MIG和TIG法对焊组成的，并在超过约2/3的厚度上有约45°斜角的本发明的板材在焊接区中的屈服应力R0.2比含同样镁含量的常规合金至少高25Mpa，即提高了约20％。
热影响区的宽度比常规的5083合金减少了约1/3，而焊缝的硬度从约75Hv提高到80Hv以上。而且焊缝处的抗拉强度超过了监测未焊的，冷加工的原料板的组织所提供的最小值。
以其中R＝0.1的应力比对沿纵向横截取得的试样所作的平面弯曲崦测得的本发明的板材的抗疲劳性能高于：
以＞280Mpa的最大应力，105周
以＞220Mpa的最大应力，106周
以＞200Mpa的最大应力，107周。
在R＝0.1时测得的裂纹扩展速度Δk为：当da/dN＝5×10-4mm/周时为＞ ，以及当da/dN＝10-3mm/周时为＞
Figure C9619210300082
本发明的板材的厚度一般大于1.5mm。通过热轧可直接获得大于2.5mm的厚度，而无须进行后续冷轧，进而，这些热轧板在切削时的变形比冷轧板小。
本发明的产物的耐腐蚀性象具有相同镁含量的常规合金，如，广泛用于造船的常用组成5083一样地好。
实施例
将通过半连铸制成的13块板状的试样板在大于500℃的温度下加热20小时，然后冷轧至6mm的最终厚度。标号0代表常规的5083组成，而标号1代表其范围稍超出本发明的组成。其它的11个试样(标号2-12)的成份符合本发明。
这些成份如下(重量％)：
标号 Mg Cu Mn Fe Cr Zn Ti Zr
0 4.40 ＜0.01 0.50 0.27 0.09 0.01 0.01
1 4.68 ＜0.01 0.72 0.12 0.05 ＜0.01 0.01
2 4.56 ＜0.01 0.83 0.12 0.13 0.01 0.01
3 4.60 ＜0.01 0.85 0.17 0.10 0.16 0.01
4 4.62 ＜0.01 0.96 0.10 0.05 0.02 0.01
5 4.80 0.09 0.80 0.11 0.03 0.02 0.01
6 4.72 ＜0.01 0.87 0.13 0.03 0.02 0.01 0.11
7 4.88 0.05 0.78 0.16 0.02 0.01 0.09
8 4.92 0.06 0.94 0.08 0.02 0.19 0.01
9 4.69 ＜0.01 0.72 0.07 0.02 0.10 0.01
10 4.71 ＜0.01 0.82 0.06 0.02 ＜0.01 0.01
11 4.73 ＜0.01 0.95 0.17 0.03 ＜0.01 0.01
12 4.70 ＜0.01 0.92 0.22 0.03 0.01 0.01
这些试样在轧后都有L方向上的大于220MPa的屈服应力R0.2。
按下列条件测量这些板材的焊缝的机械强度：在4mm的整个厚度上开有与垂直方向倾斜45°的对称倾角，填有5183合金填料焊丝，进行连续MIG自动对焊。
通过拉断试样而获得机械性能(抗拉强度Rm，屈服应力R0.2)，该试样是按挪威监测组织DNV对造船用途规定而标准化的，其长度为140mm，宽度为35mm，宽15mm的焊缝位于中心，而该试样的狭窄部位的长度为27mm，即为焊缝宽度和两倍厚度之和(15＋12mm)。
还测得了镁分散体的体积含量。
结果如下(强度单位为MPa，体积含量单位为％)：
标号 Rm R0.2 体积含量
0 285 141 1.62
1 292 144 1.2
2 302 150 1.4
3 300 146 1.6
4 310 158 1.7
5 309 149 1.4
6 305 155 1.5
7 315 166 1.3
8 318 164 1.9
9 310 153 1.5
10 312 150 1.5
11 315 153 1.6
12 315 151 1.5
可以看出，本发明的焊接样品的弹性极限相对于参考样品增大了15～35MPa。
还对标号0-5的试样进行了经受其中R＝0.1的平面弯曲试验的未焊板材的抗疲劳性能的测量，同时分别测定了相当于106和107周时的最大应力(单位MPa)，以及在da/dn＝5×10-4mm/周时测得的裂纹扩展速度Δk(单位：
Figure C9619210300101
)。
结果如下：
标号 106周 107周 ΔK
0 220 200 22
1 235 205 22
2 230 200 23
3 225 200 23
4 230 205 22
5 225 200 22
可以看出，尽管本发明板材的机械强度得到提高，但是其抗疲劳性能至少与5083类板材一样好。

Claims (37)

1.用于焊接结构的由AlMgMn铝合金制成的产品，其中包括以重量％表示：
3.0＜Mg＜5.0
0.5＜Mn＜1.0
Fe、Si和Zn的含量为：
Fe＜0.25
Si＜0.25
Zn＜0.40
视需要存在的元素Cr、Cu、Ti、Zr中一种或多种的含量为
Cr＜0.25
Cu＜0.20
Ti＜0.20
Zr＜0.20
其它元素的含量均少于0.05，而总量少于0.15，其中Mn＋2Zn＞0.75，所述产品的分散体的体积含量大于1.2％。
2.权利要求1的产品，其特征在于元素含量Mn＋2Zn＞0.8％重量。
3.权利要求1的产品，其特征在于Mg＞4.3％重量。
4.权利要求1的产品，其特征在于Mn＞0.8％重量。
5.权利要求1的产品，其特征在于Fe＜0.20％重量。
6.权利要求5的产品，其特征在于Fe＜0.15％重量。
7.权利要求1的产品，其特征在于其厚度＞2.5mm，并且仅经过热轧。
8.权利要求1-7中任一项的产品在造船方面的应用。
9.权利要求1-7中任一项的产品在建造工业车辆方面的应用。
10.权利要求1-6中任一项的产品作为拉拔管材在制造焊接自行车架方面的应用。
11.由AlMgMn铝合金制成的未焊接产品，其中包括以重量％表示：
3.0＜Mg＜5.0
0.5＜Mn＜1.0
Fe、Si和Zn的含量为：
Fe＜0.25
Si＜0.25
Zn＜0.40
视需要而存在的元素Cr、Cu、Ti、Zr中一种或多种的含量为：
Cr＜0.25
Cu＜0.20
Ti＜0.20
Zr＜0.20
其它元素的含量均少于0.05，总量少于0.15，其中Mn＋2Zn＞0.75，该产品在沿纵向横截方向上，以其中的R＝0.1的平面弯曲所测得的抗疲劳性能为：
最大应力＞280MPa时，高于105周，
最大应力＞220MPa时，高于106周，
最大应力＞200MPa时，高于107周。
12.权利要求11的产品，其特征在于元素含量Mn＋2Zn＞0.8％重量。
13.权利要求11的产品，其特征在于Mg＞4.3％重量。
14.权利要求11的产品，其特征在于Mn＞0.8％重量。
15.权利要求11的产品，其特征在于Fe＜0.20％重量。
16.权利要求15的产品，其特征在于Fe＜0.15％重量。
17.权利要求11的产品，其特征在于其厚度＞2.5mm，而且其仅经过热轧。
18.权利要求11-17中任一项的产品在造船方面的应用。
19.权利要求11-17中任一项的产品在建造工业车辆方面的应用。
20.由AlMgMn铝合金制成的用于焊接构造的板材，其中包括以重量％表示：
3.0＜Mg＜5.0
0.5＜Mn＜1.0
Fe、Si和Zn的含量为：
Fe＜0.25
Si＜0.25
Zn＜0.40
视需要而存在的元素Cr、Cu、Ti、Zr中一种或多种的含量为：
Cr＜0.25
Cu＜0.20
Ti＜0.20
Zr＜0.20
其它元素的含量均少于0.05，总量少于0.15，其中Mn＋2Zn＞0.75，该板在R＝0.1时所测得的裂纹扩展速度ΔK：
当da/dn＝5×10-4mm/周时，大于
当da/dn＝10-3mm周时，大于
Figure C9619210300042
21.权利要求20的板材，其特征在于元素含量Mn＋2Zn＞0.8％重量。
22.权利要求20的板材，其特征在于Mg＞4.3％重量。
23.权利要求20的板材，其特征在于Mn＞0.8％重量。
24.权利要求20的板材，其特征在于Fe＜0.20％重量。
25.权利要求24的板材，其特征在于Fe＜0.15％重量。
26.权利要求20的板材，其特征在于其厚度＞2.5mm，而且其仅经过热轧。
27.权利要求20-26中任一项的板材在船舶建造方面的应用。
28.权利要求20-26中任一项的板材在建造工业车辆方面的应用。
29.由AlMgMn铝合金制成的用于焊接构造的板材，其中包括以重量％表示：
3.0＜Mg＜5.0
0.5＜Mn＜1.0
Fe、Si和Zn的含量为：
Fe＜0.25
Si＜0.25
Zn＜0.40
视需要而存在的元素Cr，Cu，Ti，Zr中一种或多种的含量为：
Cr＜0.25
Cu＜0.20
Ti＜0.20
Zr＜0.20
其它元素的含量均少于0.05，总量少于0.15，其中Mn＋2Zn＞0.75，该板通过熔融而焊接，而且在此焊接区内的硬度为＞80Hv。
30.权利要求29的板材，其特征在于元素含量Mn＋2Zn＞0.8％重量。
31.权利要求29的板材，其特征在于Mg＞4.3％重量。
32.权利要求29的板材，其特征在于Mn＞0.8％重量。
33.权利要求24的板材，其特征在于Fe＜0.20％重量。
34.权利要求33的板材，其特征在于Fe＜0.15％重量。
35.权利要求24的板材，其特征在于其厚度＞2.5mm，而且其仅经过热轧。
36.权利要求29-35中任一项的板材在建造船舶方面的应用。
37.权利要求29-35中任一项的板材在建造工业车辆方面的应用。
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