CN108262576A

CN108262576A - 铝合金焊丝及其制造方法

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Publication number: CN108262576A
Application number: CN201810075921.2A
Authority: CN
Inventors: 吴振江; 於国良; 黄新民
Original assignee: 吴振江
Current assignee: Jiangsu Haoran New Materials Co.,Ltd.
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: CN108262576B

Abstract

本发明涉及铝合金焊丝及其制造方法，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：铁0.01％‑0.15％，硅0.01％‑0.12％，铜0.01％‑0.1％，钪0％‑0.009％，锰0.02％‑0.22％，镁4.5％‑5.5％，铬0‑0.009％，锌0.01％‑0.18％，钛0％‑0.003％，锂0.001％‑0.03％，硼0.001％‑0.01％，钒0％‑0.02％，锆0.005％‑0.009％，铈0.002％‑0.009％，钇0.001％‑0.008％，镍0.0001％‑0.002％，锶0.0001％‑0.008％，镱0.0001‑0.009％，钕0.0003％‑0.002％，铌0.0001％‑0.03％，余量为铝。本发明与现有技术相比，根据本发明实施例的铝合金焊丝及制造方法，可以显著提高铝合金焊丝性能和质量，全面降低铝合金焊丝的制造成本。

Description

铝合金焊丝及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种铝合金焊丝及其制造方法。

背景技术

随着新能源、汽车、船舶、轨道交通、电子电器、建筑、航空航天等核心重点领域的不断发展和升级，轻量化和集成化要求不断提高，铝合金材料的应用已是必然趋势。

焊接是铝合金材质元器件或结构件连接组合的重要方式，在铝合金基体材料一定的情况下，焊接件的性能主要取决于焊接工艺与焊丝。

在焊接铝合金材料时，焊丝是作为填充金属或同时作为导电用的材料，是影响焊缝金属成分、组织以及近缝区母材的热裂性、焊缝的耐腐蚀性能及力学性能最重要因素。

目前国内铝焊丝的生产工艺主要有立式半连续铸造—挤压法、连铸连轧法、水平连铸连拉法。

立式半连续—挤压法的主要工艺流程包括配料、铝锭熔化、精炼处理、立式半连续铸造、圆铸锭均匀化处理、铸锭加热、热挤压、多道次退火和拉丝、表面处理(酸洗、表面抛光、钝化)及封装等其他辅助工序。

连铸连轧法的主要工艺流程主要包括配料、铝锭熔化、精炼处理、连续铸造、多道次热连轧、多道次退火和拉丝、表面处理(酸洗、表面抛光、钝化)及封装等其他辅助工序。

水平连铸连拉法的主要工艺流程包括配料、铝锭熔化、精炼处理、水平连铸连拉(12或24个结晶器并联)、多道次退火和拉丝、表面处理(酸洗、表面抛光、钝化)及封装等其他辅助工序。

采用上述三种传统工艺方法均能工业化制造铝焊丝，但是仍然存在以下不足和问题等待改进和解决。首先，传统工艺方法所需的初投资大，其所需较大的设备投资，设备占地面积也大。其次，传统工艺方法的生产成本高，工序繁琐，生产速度慢，材料损耗、工模具消耗、生产能耗及人工劳动强度大。再者，传统工艺方法生产中涉及的表面处理对环境具有污染性。传统工艺方法最大的不足在于，可以较稳定地生产制造纯铝材料的焊丝，但是生产的铝合金材质焊丝的性能不能满足实际应用要求，主要是由于合金焊丝的成分、组织不能有效控制，影响力学性能、焊接性能较差，同时其表面抛光度、清洁度、丝径均匀度、焊丝翘距和螺旋度均不能得到保障，产品存在严重的质量不稳定问题，成品率低，难以满足自动化连续焊接的要求。

因此，设计综合性能满足实际应用需求的铝合金材质的焊丝及相应铝合金材质焊丝的制造方法，提高铝合金焊丝性能和质量，全面降低铝合金焊丝的制造成本，具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种铝合金焊丝以及铝合金焊丝的制造方法。

根据本发明的一方面，一种铝合金焊丝，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：铁Fe 0.01％-0.15％，硅Si 0.01％-0.12％，铜Cu 0.01％-0.1％，钪Sc 0％-0.009％，锰Mn 0.02％-0.22％，镁Mg 4.5％-5.5％，铬Cr 0-0.009％，锌Zn 0.01％-0.18％，钛Ti 0％-0.003％，锂Li 0.001％-0.03％，硼B 0.001％-0.01％，钒V 0％-0.02％，锆Zr 0.005％-0.009％，铈Ce 0.002％-0.009％，钇Y 0.001％-0.008％，镍Ni0.0001％-0.002％，锶Sr 0.0001％-0.008％，镱Yb 0.0001-0.009％，钕Nd 0.0003％-0.002％，铌Nb 0.0001％-0.03％，余量为铝Al。

根据本发明的示例性实施例，Cr、Ti和V的重量百分比合计为0.01％-0.012％，Zn和Li的重量百分比合计为0.015％-0.21％，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.008％-0.025％，Ce、Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.004％-0.058％，Mg的重量百分比、Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Li的重量百分比的1/4合计为4.52％-5.51％。

根据本发明的示例性实施例，所述铝合金焊丝材料的晶粒平均粒径小于或者等于10μm，所述铝合金焊丝的抗拉强度大于或者等于525MPa，屈服强度大于或者等于473MPa，延伸率大于或者等于20％，硬度大于或者等于165HV。

根据本发明的另一方面，一种铝合金焊丝的制造方法，所述方法包括：

一、中间合金制造

将铝中间合金制造成长度为10mm-30mm的铝中间合金颗粒；

二、配料

按重量百分比对以下成分进行配料：铁Fe 0.01％-0.15％，硅Si 0.01％-0.12％，铜Cu 0.01％-0.1％，钪Sc 0％-0.009％，锰Mn 0.02％-0.22％，镁Mg 4.5％-5.5％，铬Cr0-0.009％，锌Zn 0.01％-0.18％，钛Ti 0％-0.003％，锂Li 0.001％-0.03％，硼B0.001％-0.01％，钒V 0％-0.02％，锆Zr 0.005％-0.009％，铈Ce 0.002％-0.009％，钇Y0.001％-0.008％，镍Ni 0.0001％-0.002％，锶Sr 0.0001％-0.008％，镱Yb 0.0001-0.009％，钕Nd 0.0003％-0.002％，铌Nb 0.0001％-0.03％，余量为铝Al，以此准备铝锭和铝中间合金颗粒；

三、熔炼及合金化

将所述铝锭快速熔化，得到铝熔体；

将所述铝熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至750℃-770℃，电磁搅拌10min-15min，同时向铝熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼；

采用高压气枪将铝中间合金颗粒射入到所述保温炉内的铝熔体中，搅拌10min，然后进行除气处理，静置30min，除气除渣，再静置15min，得到铝合金熔体；

四、连续定向凝固成型

使铝合金熔体通过加热铸型器和冷却器，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型，得到Φ9.5mm-Φ15mm铝合金铸杆；

五、多道次拉拔与热处理

根据成品规格，对经过冷却处理后的铝合金铸杆进行至少一组的拉拔、第一热处理、拉拔的组合处理，得到Φ0.05mm-Φ6mm的线材；最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％-25％，其余各道次拉拔时的截面压缩率为32％-39％；

对Φ0.05mm-Φ6mm的线材进行第二热处理，得到铝合金焊丝。

根据本发明的示例性实施例，配料时，Cr、Ti和V的重量百分比合计为0.01％-0.012％，Zn和Li的重量百分比合计为0.015％-0.21％，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.008％-0.025％，Ce、Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.004％-0.058％，Mg的重量百分比、Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Li的重量百分比的1/4合计为4.52％-5.51％。

根据本发明的示例性实施例，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型时，加热铸型器内温度为780℃-820℃，加热铸型器长度为0.5m-3m；在加热铸型器出口设置可调循环冷却剂封闭管道冷却器，调节冷却剂循环流速为0.08L/h-0.2L/h，控制冷却剂封闭管道冷却器末端到加热铸型器出口的温度梯度保持在150K/mm-280K/mm，使得液态铝合金熔体在冷却器的作用下以2mm/s-8mm/s的凝固速度迅速凝固成铝合金铸杆外壳，并在前段已凝固铝合金铸杆外壳的牵引下使加热铸型器出口处的液态铝合金沿冷却方向连续固态成型。

根据本发明的示例性实施例，所述加热铸型出口处设置惰性气体保护。

根据本发明的示例性实施例，所述冷却器内密闭管道内冷却剂为液氮。

根据本发明的示例性实施例，所述第一热处理温度为345℃-365℃，热处理时间为1.5h-2h。

根据本发明的示例性实施例，所述第二热处理温度为330℃-350℃，热处理时间为1h-3h。

根据本发明的示例性实施例，所述拉拔工序最后一道模具采用纳米模具，焊丝外径精度控制在±0.005mm。

与现有技术相比，根据本发明实施例的铝合金焊丝，具有合理的合金成分和组织，铝合金焊丝材料的晶粒平均粒径小于或者等于10μm，抗拉强度大于或者等于525MPa，屈服强度大于或者等于473MPa，延伸率大于或者等于20％，硬度大于或者等于165HV，力学性能、焊接性能、表面质量优异。

根据本发明的铝合金焊丝的制造方法：

以成分配比为基础，通过整体工艺设计，无需轧制和挤压工序，显著降低设备投资和设备所需的生产场地；通过精确控制温度，使液态铝合金熔体直接经过冷却器定向凝固成型，完全避免了传统工艺方法中铝合金晶粒在结晶器内壁先行形核而导致的晶粒粗大、组织不均匀的不足；消除了铝合金材料的气孔、夹杂、凹坑、缩孔等铸造缺陷，表面光亮无裂纹、起皮和氧化，尺寸精度高，无需进行酸洗、铣面等表面处理工序，不会污染环境；可加工性强，实现连续化生产，避免了传统制造工艺制造铝合金焊丝线坯过程中，材料易断裂需要人工接头的不足；显著降低生产能耗、生产周期，耗材少。

具体实施方式

为使本发明技术方案和优点更加清楚，通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一、中间合金制造

将铝中间合金制造成长度为10mm-30mm的铝中间合金颗粒；

二、配料

按重量百分比对以下成分进行配料：铁Fe 0.01％，硅Si 0.02％，铜Cu 0.02％，钪Sc 0.002％，锰Mn 0.03％，镁Mg 5.1％，铬Cr 0.005％，锌Zn 0.08％，钛Ti 0.003％，锂Li0.005％，硼B 0.005％，钒V 0.003％，锆Zr 0.006％，铈Ce 0.002％，钇Y0.001％，镍Ni0.0001％，锶Sr 0.0002％，镱Yb 0.0003％，钕Nd 0.0008％，铌Nb 0.0005％，余量为铝Al；以此准备铝锭和铝中间合金颗粒；

三、熔炼及合金化

将所述铝锭快速熔化，得到铝熔体；

采用高压气枪将铝中间合金颗粒射入到保温炉内的铝熔体中，搅拌10min，然后进行除气处理，静置30min，除气除渣，再静置15min，得到铝合金熔体；

四、连续定向凝固成型

使铝合金熔体通过加热铸型器和冷却器，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型，加热铸型器内温度为780℃，加热铸型器长度为2m，加热铸型出口处设置惰性气体保护；在加热铸型器出口设置可调循环液氮冷却剂封闭管道冷却器，调节液氮冷却剂循环流速为0.18L/h，控制液氮冷却剂封闭管道冷却器末端到加热铸型器出口的温度梯度保持在180K/mm，使得液态铝合金熔体在冷却器的作用下以5mm/s的凝固速度迅速凝固成铝合金铸杆外壳，并在前段已凝固铝合金杆外壳的牵引下使加热铸型器出口处的液态铝合金沿冷却方向连续固态成型，得到Φ9.5mm铝合金铸杆；

五、多道次拉拔与热处理

根据成品规格，对经过冷却处理后的铝合金铸杆进行至少一组的拉拔、第一热处理、拉拔的组合处理，得到Φ0.05mm-Φ6mm的线材；最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％-25％，其余各道次拉制时的截面压缩率为32％-39％。第一热处理温度为345℃-365℃，热处理时间为1.5h-2h。拉拔工序最后一道模具采用纳米模具，焊丝外径精度控制在±0.005mm。

对Φ0.05mm-Φ6mm的线材进行第二热处理，第二热处理温度为330℃-350℃，热处理时间为1h-3h，得到铝合金焊丝。

根据本发明实施例的铝合金焊丝，具有合理的合金成分和组织，晶粒平均粒径小于或者等于10μm，抗拉强度大于或者等于525MPa，屈服强度大于或者等于473MPa，延伸率大于或者等于20％，硬度大于或者等于165HV，力学性能、焊接性能、表面质量优异。

实施例2：

一、中间合金制造

将铝中间合金制造成长度为10mm-30mm的铝中间合金颗粒；

二、配料

按重量百分比对以下成分进行配料：铁Fe 0.05％，硅Si 0.05％，铜Cu 0.08％，钪Sc 0.002％，锰Mn 0.08％，镁Mg 4.5％，铬Cr 0.005％，锌Zn 0.02％，钛Ti 0.003％，锂Li0.15％，硼B 0.002％，钒V 0.003％，锆Zr 0.008％，铈Ce 0.003％，钇Y 0.002％，镍Ni0.00015％，锶Sr 0.002％，镱Yb 0.0005％，钕Nd 0.001％，铌Nb 0.008％，余量为铝Al；其中，以此准备铝锭和铝中间合金颗粒；

三、熔炼及合金化

将所述铝锭快速熔化，得到铝熔体；

四、连续定向凝固成型

使铝合金熔体通过加热铸型器和冷却器，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型，加热铸型器内温度为780℃，加热铸型器长度为2m，加热铸型出口处设置惰性气体保护；在加热铸型器出口设置可调循环液氮冷却剂封闭管道冷却器，调节液氮冷却剂循环流速为0.12L/h，控制液氮冷却剂封闭管道冷却器末端到加热铸型器出口的温度梯度保持在210K/mm，使得液态铝合金熔体在冷却器的作用下以6mm/s的凝固速度迅速凝固成铝合金铸杆外壳，并在前段已凝固铝合金杆外壳的牵引下使加热铸型器出口处的液态铝合金沿冷却方向连续固态成型，得到Φ12mm铝合金铸杆；

五、多道次拉拔与热处理

实施例3：

一、中间合金制造

将铝中间合金制造成长度为10mm-30mm的铝中间合金颗粒；

二、配料

按重量百分比对以下成分进行配料：铁Fe 0.15％，硅Si 0.08％，铜Cu 0.09％，钪Sc 0.009％，锰Mn 0.18％，镁Mg 5.2％，铬Cr 0.002％，锌Zn 0.15％，钛Ti 0.003％，锂Li0.03％，硼B 0.008％，钒V 0.008％，锆Zr 0.009％，铈Ce 0.005％，钇Y 0.001％，镍Ni0.002％，锶Sr 0.003％，镱Yb 0.005％，钕Nd 0.001％，铌Nb 0.01％，余量为铝Al；其中，以此准备铝锭和铝中间合金颗粒；

三、熔炼及合金化

将所述铝锭快速熔化，得到铝熔体；

四、连续定向凝固成型

使铝合金熔体通过加热铸型器和冷却器，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型，加热铸型器内温度为800℃，加热铸型器长度为3m，加热铸型出口处设置惰性气体保护；在加热铸型器出口设置可调循环液氮冷却剂封闭管道冷却器，调节液氮冷却剂循环流速为0.2L/h，控制液氮冷却剂封闭管道冷却器末端到加热铸型器出口的温度梯度保持在280K/mm，使得液态铝合金熔体在冷却器的作用下以8mm/s的凝固速度迅速凝固成铝合金铸杆外壳，并在前段已凝固铝合金杆外壳的牵引下使加热铸型器出口处的液态铝合金沿冷却方向连续固态成型，得到Φ15mm铝合金铸杆；

五、多道次拉拔与热处理

实施例4:

焊接用母材为7050-T74铝合金板材，最低强度为520MPa，试板尺寸为15mm×250mm×350mm，试板坡口60°V型坡口，采用对比例(5356铝镁合金)焊丝和实施例1、2和3中制备的焊丝分别对其进行焊接，焊接方法为半自动MIG焊，焊接位置为平焊，焊接电流250A-280A，焊接电压28.2V，焊接速度5mm/s-8mm/s。

对实施例1、2、3中的焊丝于对比例焊丝与进行相关性能试验(见表1)，对采用对比例(5356铝镁合金)焊丝和实施例1、2和3中制备的焊丝对母材进行焊接后的焊接件进行相关试验(见表2和表3)。

表1对比例焊丝与实施例焊丝性能

焊丝	拉伸强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)	硬度(HV)
					5356	352	261	8.5	98
实施例1	525	473	23	165
					实施例2	532	479	22	169
实施例3	539	482	20	166

由表1可见，实施例1、2、3制备的焊丝与对比例相比，拉伸强度平均提高51.1％，屈服强度平均提高83.1％，延伸率平均提高154％，硬度平均提高70％。

表2焊件盐雾腐蚀试验—单位面积失重

由表2可见，对采用对比例(5356铝镁合金)焊丝和实施例1、2和3中制备的焊丝对母材进行焊接后的焊接件在相同条件下进行盐雾腐蚀试验，采用实施例1、2、3焊丝进行焊接的焊件，与采用对比例焊丝进行焊接的焊件相比，耐腐蚀性(250h)能提高了53.2％。

表3焊件性能

由表3可见，对采用对比例(5356铝镁合金)焊丝和实施例1、2和3中制备的焊丝对母材进行焊接后的焊接件在相同条件下进行相关力学性能试验，采用实施例1、2、3焊丝进行焊接的焊件，与采用对比例焊丝进行焊接的焊件相比，高温强度平均提高94.5％，裂纹敏感性、疲劳性能显著降低，蠕变性能提高200％，焊接强度系数提高85.4％，低温延伸率提高112.6％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝按重量百分比包含如下元素：铁Fe0.01％-0.15％，硅Si 0.01％-0.12％，铜Cu 0.01％-0.1％，钪Sc 0％-0.009％，锰Mn0.02％-0.22％，镁Mg 4.5％-5.5％，铬Cr 0-0.009％，锌Zn 0.01％-0.18％，钛Ti 0％-0.003％，锂Li 0.001％-0.03％，硼B 0.001％-0.01％，钒V 0％-0.02％，锆Zr 0.005％-0.009％，铈Ce 0.002％-0.009％，钇Y 0.001％-0.008％，镍Ni 0.0001％-0.002％，锶Sr0.0001％-0.008％，镱Yb 0.0001-0.009％，钕Nd 0.0003％-0.002％，铌Nb 0.0001％-0.03％，余量为铝Al。

2.根据权利要求1所述的铝合金焊丝，其特征在于，Cr、Ti和V的重量百分比合计为0.01％-0.012％，Zn和Li的重量百分比合计为0.015％-0.21％，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.008％-0.025％，Ce、Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.004％-0.058％，Mg的重量百分比、Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Li的重量百分比的1/4合计为4.52％-5.51％。

3.根据权利要求1所述的铝合金焊丝，其特征在于，所述铝合金焊丝材料的晶粒平均粒径小于或者等于10μm，所述铝合金焊丝的抗拉强度大于或者等于525MPa，屈服强度大于或者等于473MPa，延伸率大于或者等于20％，硬度大于或者等于165HV。

4.一种铝合金焊丝的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

将铝中间合金制造成长度为10mm-30mm的铝中间合金颗粒；

按重量百分比对以下成分进行配料：铁Fe 0.01％-0.15％，硅Si 0.01％-0.12％，铜Cu0.01％-0.1％，钪Sc 0％-0.009％，锰Mn 0.02％-0.22％，镁Mg 4.5％-5.5％，铬Cr 0-0.009％，锌Zn 0.01％-0.18％，钛Ti 0％-0.003％，锂Li 0.001％-0.03％，硼B 0.001％-0.01％，钒V 0％-0.02％，锆Zr 0.005％-0.009％，铈Ce 0.002％-0.009％，钇Y 0.001％-0.008％，镍Ni 0.0001％-0.002％，锶Sr 0.0001％-0.008％，镱Yb 0.0001-0.009％，钕Nd0.0003％-0.002％，铌Nb 0.0001％-0.03％，余量为铝Al，以此准备铝锭和铝中间合金颗粒；

将所述铝锭快速熔化，得到铝熔体；

对经过冷却处理后的铝合金铸杆进行至少一组的拉拔、第一热处理、拉拔的组合处理，得到Φ0.05mm-Φ6mm的线材；最后一道次拉拔时的截面压缩率为20％-25％，其余各道次拉拔时的截面压缩率为32％-39％；

对Φ0.05mm-Φ6mm的线材进行第二热处理，得到铝合金焊丝。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，配料时，Cr、Ti和V的重量百分比合计为0.01％-0.012％，Zn和Li的重量百分比合计为0.015％-0.21％，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.008％-0.025％，Ce、Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.004％-0.058％，Mg的重量百分比、Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Li的重量百分比的1/4合计为4.52％-5.51％。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对铝合金熔体进行水平半固态连续定向凝固成型时，加热铸型器内温度为780℃-820℃，加热铸型器长度为0.5m-3m；在加热铸型器出口设置可调循环冷却剂封闭管道冷却器，调节冷却剂循环流速为0.08L/h-0.2L/h，控制冷却剂封闭管道冷却器末端到加热铸型器出口的温度梯度保持在150K/mm-280K/mm，使得液态铝合金熔体在冷却器的作用下以2mm/s-8mm/s的凝固速度迅速凝固成铝合金铸杆外壳，并在前段已凝固铝合金铸杆外壳的牵引下使加热铸型器出口处的液态铝合金沿冷却方向连续固态成型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热铸型出口处设置惰性气体保护。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一热处理温度为345℃-365℃，热处理时间为1.5h-2h。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二热处理温度为330℃-350℃，热处理时间为1h-3h。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，最后一道次拉拔采用纳米模具，所述铝合金焊丝外径精度控制在±0.005mm。