CN109434319A

CN109434319A - 一种铝合金用tig焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN109434319A
Application number: CN201811433388.9A
Authority: CN
Inventors: 张文涛; 马浩鹏
Original assignee: Dongguan University of Technology
Current assignee: Dongguan University of Technology
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-03-08

Abstract

本发明涉及一种铝合金用TIG焊丝，按质量百分比计，包括Mg 5‑8%、Si 9‑13%、Mn 0.1‑0.9%、Cr 0.1‑0.8%、Zn 0.03‑0.1%、Cu 0.01‑0.6%、Ti 0.1‑0.12%、Zr 0.1‑0.5%、余量为Al；克服现有技术的焊接裂纹、腐蚀、焊接气孔及焊接力学性能差的缺陷。

Description

一种铝合金用TIG焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金用焊接材料，特别涉及一种铝合金用TIG焊丝及其制备方法。

背景技术

铝及铝合金焊丝广泛应用于铝合金氩弧焊及气焊，焊丝选用主要根据母材的种类、接头的抗裂性能、机械性能、抗腐蚀性能及经阳极化处理后焊缝与母材的色彩协调等方面的要求综合考虑。

焊丝的化学成分中包括主合金元素、添加的微量元素及杂质元素，主合金元素在焊丝化学成分中占主导地位，如Al-Mg焊丝中的主要合金成分是Al和Mg，Al-Si焊丝中的合金成分主要是Al和Si，它们决定了焊丝的使用性能，如力学性能、焊接性能、耐蚀性等；微量元素Ti、Zr、V、B、Sc有利于辅助改善焊缝性能，例如细化焊缝金属的晶粒、降低焊接时生成焊接裂纹的倾向，提高焊缝金属的延性及韧性等，因此，焊丝材料对铝合金焊接结构的广泛应用具有重要意义。

铝合金焊丝应用最广泛的是Al-Mg系与Al-Si系，这两种铝合金均属于不可热处理强化铝合金，Al-Mg系合金是向铝中单独添加Mg或同时添加Mg和Mn的非热处理强化合金，可作为焊接结构材料使用；当与适当成分的填加金属配合时，可焊性很好，抗蚀性特别是抗海水腐蚀性也很好，但是，Mg含量大于5%时，合金容易发生应力腐蚀。

连铸连轧法、立式半连续铸造-挤压法、水平连铸连拉法是我国目前铝合金焊丝线坯生产中的三种重要的生产工艺的。

立式半连续铸造-挤压法，它具有性能稳定、产品质量高等特点，被广泛应用于研制军用铝合金焊丝，这个设备也可以用于其它铝合金线材的生产，该设备的缺陷也十分的明显，工序多、投资大、占地面积大，较高的能耗和较高的工模具消耗，且生产过程中产生的废料也多，成品率相对较低。

广泛应用于国外铝合金焊丝线坯的生产工艺是连铸连轧法，产品单重大、投资适中，成材率可达90%且质量稳定；水平连铸连拉法在纯铝焊丝线坯的生产中优势明显，设备投资少，线材的成品率也可以达到或超过90%，与连铸连轧法各有优势。

发明内容

本发明克服现有技术的焊接裂纹、腐蚀、焊接气孔及焊接力学性能差的缺陷，提供一种铝合金用TIG焊丝及其制备方法。

一种铝合金用TIG焊丝，按质量百分比计，包括Mg 5-8%、Si 9-13%、Mn 0.1-0.9%、Cr 0.1-0.8%、Zn 0.03-0.1%、Cu 0.01-0.6%、Ti 0.1-0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

进一步地，焊丝组分为：Mg 5-7%、Si 12-13%、Mn0.5-0.9%、Cr 0.6-0.8%、Zn0.05-0.1%、Cu 0.01-0.4%、Ti0.1-0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

进一步地，焊丝组分为：Mg 8%、Si 9%、Mn0.5%、Cr 0.7%、Zn 0.1%、Cu 0.6%、Ti0.1%、Zr 0.1%、余量为Al。

在铝硅合金中加入少量的镁就能大大提高抗拉强度和屈服强度，因为，加镁以后组织中出现β（Mg2Si）强化相。

Mg2Si在α中的溶解度随温度上升而急剧增加，当合金固溶处理时，Mg2Si溶入α基体，随后时效又在α基体中形成大量弥散分布的焊缝区和过渡相β，使合金时效强化，但如果含镁量过多，固溶处理不能使Mg全部溶入α基体，残留较粗大的Mg2Si脆性相不起强化作用，反而使塑性下降，常规镁含量对合金的铸造性能和抗蚀性无明显影响，但使合金液易与水汽反应，增加形成气孔的倾向，压铸时合金加镁将显著增加“粘型”倾向，并使充型能力明显下降；加镁能提高切削性，使表面较光洁。

Si含量约小于12%，其熔点随着Si含量的增加而逐渐下降，在不引起合金发脆的范围内，该系合金熔化后的流动性好，不易产生结晶裂纹，铸造性和可焊性良好。

Zr可以提高合金的机械性能和热稳定性，Zr是高镁铝合金有效的、良好的细化剂，Zr能与铝基体发生包晶反应，生成和基体共格的弥散分布的化合物质点ZrAs作为非自发结晶的核心，显著细化合金的铸态晶粒，从而提高了铸锭和板材制品的可加工性及强度；Zr还提高了高镁铝合金的耐蚀性能，特别是抗剥落腐蚀性；Zr能使高镁铝合金的热裂倾向性降低，提高合金的快速拉应力腐蚀寿命，提高焊缝的综合性能。

Cr和Ti也可以提高合金的强度和综合性能，同时起到细化晶粒的作用，添加微量的Ti，可以作为晶粒细化剂，使合金在凝固过程中从焊缝中析出初生TiAl3相，该粒子在晶格结构和尺寸与α-Al基体非常接近，是铝原子在其上堆积的良好衬底，能为α-Al基体非均质形核提供核心，从而显著的细化铸态焊缝晶粒组织，起细晶强化作用，还可有效地防止焊缝裂纹；添加微量的Cr，焊接时焊丝填充后凝固过程中会在α-Al基体上形成细小的、弥散分布的第二相析出粒子Al₇Cr初晶相，起弥散强化和析出强化作用，从而提高基体金属和焊缝的结合强度，降低焊接裂纹倾向，但其含量一般不超过0.8%，否则Cr会与其他合金元素形成粗大的金属间化合物，降低成形性能与断裂韧性；同时，还可提高合金的抗应力腐蚀性能；除部分固溶于基体外，还可能与铝形成底心单斜结构的θ相Al7Cr；Al7Cr相和Al6Mn相均有析出强化作用，但Cr与Al可形成粗大的初生相Al7Cr，强烈恶化后续的加工性能，同时还降低Cr元素的有益作用；所以，应将Cr元素质量分数严格控制在0.1%-0.8%范围内，而标准合金中Ti元素质量分数为0.1-0.12%，Ti与Al形成正方结构的β相Al3Ti，是合金中最重要的细化元素，细化晶粒的作用一方面表现在焊材制造过程中铸锭组织的晶粒细化，更重要的是表现在对焊缝组织的晶粒细化作用，但Ti元素含量过高时将形成粗大初生相Al3Ti，强烈恶化线材的加工性能，同时会降低Ti元素的有益作用，所以，必须严格控制Ti的质量分数在0.1-0.12%范围内。

Fe、Zn及Cu是铝合金中的主要杂质，来自炉料和熔炼坩塌、工具，在Al-Si合金中Fe容易形成粗大针状脆性B（AloFe2Siz）相，它穿过a晶粒，大大削弱了基体，恶化了合金的机械性能，特别是塑性，Fe提高耐磨性，但降低合金的抗蚀性。

一种铝合金用TIG焊丝的制备方法：选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；

将原材料Al锭加入可控硅中频感应炉中，熔炼的温度为760-790℃；待Al锭完全熔化后加入工业纯镁锭、Al-23Si中间合金，搅拌均匀后继续加热，之后加入Al-Mn-Zr中间合金或Al-Cr-Ti中间合金，并在760℃下加入高锰酸钾对熔体进行除气、扒渣，然后继续加热；当熔体温度达到720-740℃时在开式水冷铜模中进行浇铸，循环水冷却；最终熔炼出所需成分的铝合金铸锭，铸锭直径为Ф63mm，长120cm左右；

将铸造后的铸锭车割成Ф47mm圆柱体；在进行挤压之前，要经过540℃/24h均匀化热处理；

由于挤压后，挤压棒中有较严重的加工硬化现象，因此先将挤压棒进行退火，之后再进行拉拔，在拉拔过程中，为了避免拉断，每拉拔若干道次后要进行中间退火，以消除加工硬化，保证拉拔的顺利进行；将挤压棒按道次通过模具，在拉力的作用下，将材料从模具中拉出，最终制备得到铝合金焊丝。

铝合金铸锭在铸造过程中通常会产生晶内偏析、区域偏析、并且容易形成粗大金属间化合物，铝基体中固溶的主要合金元素也处于过饱和状态，铸锭有很强的内应力；均匀化热处理就是为了消除这些非平衡结晶，使偏析和富集在晶界和枝晶网络上的可溶解金属间化合物发生溶解，使固溶体浓度沿晶粒或整个枝晶均匀一致，消除内应力，提高合金塑性并改善合金的冷、热变形工艺性能，减小变形抗力。

本发明的有益效果是：现有技术中Mg含量大于5%时，合金容易发生应力腐蚀，而Mg含量降低又将降低抗拉强度和屈服强度，通过将Cr元素质量分数严格控制在0.1%-0.8%，提高基体金属和焊缝的结合强度，降低焊接裂纹倾向，同时还提高合金的抗应力腐蚀性能；通过微合金化的Zr还提高了高镁铝合金的耐蚀性能，特别是抗剥落腐蚀性；Zr能使高镁铝合金的热裂倾向性降低，提高合金的快速拉应力腐蚀寿命，提高焊缝的综合性能，通过挤压前的均匀化热处理消除了非平衡结晶，消除内应力，提高了铝合金焊丝的变形工艺性能。

附图说明

图1是本发明焊接过程示意图。

图2是本发明实施例焊缝拉伸断口形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明；应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明请求保护的范围；此外，还应理解，在阅读了本发明所讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

焊接使用的焊机型号为PanasonicYC-500WX4N型，所有母材的焊接均采用手工交流氩弧焊。

焊接前，使用机械打磨的方式去除母材正反两侧和坡口处氧化膜，打磨前后都事先用丙酮擦洗，打磨宽度至少距坡口30mm。

焊丝使用之前采用化学抛光，并在24小时之内进行焊接，焊接之前，采用机械微刮削的方式轻轻打磨掉表面的钝化层及氧化膜。

本实验中使用的填充焊丝均为自主生产，焊丝直径为03mm，由于母材厚度不大，因此采用I型坡口，平面对接，母材间隙1mm，采用单面焊双面成型工艺，焊前母材用卡具固定边缘，背面用使用铜垫板保护，铜垫板既能保证背面成型，同时也能冷却熔池，启动焊机后，要提前送气，焊接结束后，要延迟停气，以更好的保护熔池，焊接过程如图1所示。

将试样固定在衬板上，打开冷却装置，对应焊接工艺参数调整焊机，通氩气，开始焊接，焊后对焊接接头的余高进行清理，发现焊缝中存在极少量气孔，分析原因为焊前清理不彻底，氧化膜未完全去除或烘干不充分，留有残留的水分在对接的板材试样上，焊接时产生了氢，在快速的凝固过程中没有及时排除，从而导致了气孔的产生。

实施例一

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 5-8%、Si 9-13%、Mn 0.1-0.9%、Cr 0.1-0.8%、Zn 0.03-0.1%、Cu 0.01-0.6%、Ti 0.1-0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

焊接引弧前要提前送气，焊接结束后要延迟停气，以便更好地保护熔池，焊接过程示意图1所示，焊接工艺参数为：焊接电压12-14V、焊接电流为130-150A，焊接速度为50-100mm/min，送丝速度为110-120mm/min，气体流量为9-12L/min。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为312Mpa，延伸率为7.8%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

实施例二

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 5-7%、Si 12-13%、Mn0.5-0.9%、Cr 0.6-0.8%、Zn 0.05-0.1%、Cu 0.01-0.4%、Ti0.1-0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

由于挤压后，挤压棒中有较严重的加工硬化现象，因此先将挤压棒进行退火，之后再进行拉拔，在拉拔过程中，为了避免拉断，每拉拔若干道次后要进行中间退火，以消除加工硬化，保证拉拔的顺利进行，将挤压棒按道次通过模具，在拉力的作用下，将材料从模具中拉出，最终制备得到铝合金焊丝。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为323Mpa，延伸率为7.8%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

实施例三

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 5-7%、Si 12%、Mn0.5-0.9%、Cr 0.6-0.7%、Zn 0.05-0.1%、Cu 0.6%、Ti0.12%、Zr 0.1-0.3%、余量为Al。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为316Mpa，延伸率为8.4%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

实施例四

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 5%、Si 9%、Mn0.5%、Cr 0.6-0.7%、Zn0.05-0.1%、Cu 0.6%、Ti0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为308Mpa，延伸率为6.8%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

实施例五

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 8%、Si 13%、Mn0.5%、Cr 0.6-0.9%、Zn0.1%、Cu 0.6%、Ti0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为314Mpa，延伸率为7.9%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

实施例六

焊丝的制备按照以下步骤进行：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；焊丝成分为Mg 8%、Si 9%、Mn0.5%、Cr 0.7%、Zn 0.1%、Cu 0.6%、Ti0.1%、Zr 0.1%、余量为Al。

焊接工艺参数经过电子万能试验机测定焊缝力学性能为抗拉强度为334Mpa，延伸率为9.2%；通过拉伸断裂断口形貌测试，断裂断口并未发生脆性断裂，焊缝中没有发生应力腐蚀裂纹，经过无损探伤检测为发现气孔、未熔合等缺陷。

通过以上实施例之间的效果可以看出，本发明通过将Cr元素质量分数严格控制在0.1%-0.8%，提高基体金属和焊缝的结合强度，降低焊接裂纹倾向，同时还提高合金的抗应力腐蚀性能；通过微合金化的Zr还提高了高镁铝合金的耐蚀性能，特别是抗剥落腐蚀性；Zr能使高镁铝合金的热裂倾向性降低，提高合金的快速拉应力腐蚀寿命，提高焊缝的综合性能，通过挤压前的均匀化热处理消除了非平衡结晶，消除内应力，提高了铝合金焊丝的变形工艺性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金用TIG焊丝，其特征在于，所述TIG焊丝成分按质量百分比计：包括Mg 5-8%、Si 9-13%、Mn 0.1-0.9%、Cr 0.1-0.8%、Zn 0.03-0.1%、Cu 0.01-0.6%、Ti 0.1-0.12%、Zr0.1-0.5%、余量为Al。

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于：焊丝组分为：Mg 5-7%、Si 12-13%、Mn0.5-0.9%、Cr 0.6-0.8%、Zn 0.05-0.1%、Cu 0.01-0.4%、Ti0.1-0.12%、Zr 0.1-0.5%、余量为Al。

3.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于：焊丝组分为：Mg 8%、Si 9%、Mn0.5%、Cr0.7%、Zn 0.1%、Cu 0.6%、Ti0.1%、Zr 0.1%、余量为Al。

4.一种如权利要求1至3所述的铝合金用TIG焊丝的制备方法：包括以下步骤：

选用熔炼原料为：Al为含量为99%的工业纯铝、Mg为工业纯镁锭、Si为Al-23Si合金、Al-Mn-Zr中间合金、Al-Cr-Ti中间合金；

将铸造后的铸锭车割成Ф47mm圆柱体；在进行挤压之前，要经过540℃/24h均匀化热处理；然后将挤压棒进行退火后再进行拉拔，在拉拔过程中，每拉拔若干道次后要进行中间退火，以消除加工硬化，保证拉拔的顺利进行；将挤压棒按道次通过模具，在拉力的作用下，将材料从模具中拉出，最终制备得到铝合金焊丝。