CN109623197A - 一种Al-Cu-Si绞股焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Al‑Cu‑Si绞股焊丝及其制备方法，属于焊接技术领域，所述绞股焊丝采用一根中心细丝、四根外围粗丝和四根外围调节丝绞合而成，绞股焊丝的成分为：Cu：3.0％～3.6％，Si：2.1％～2.5％，Fe：≤0.20％，Mn：0.10％～0.20％，Mg：≤0.05％，Zn：≤0.05％，Ti：0.05％～0.15％，Zr：0.05％～0.15％，V：0.01％～0.10％，余量为Al。本发明的焊丝中微合金元素Ti、Zr有细化晶粒的作用，Mn、V可抑制再结晶，而Si可有效改善熔覆金属的流动性及焊缝的耐蚀性；进行焊接时接头强度高，较常规MIG焊情况下高50～80MPa，且无焊接热裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及一种Al-Cu-Si绞股焊丝及其制备方法，属于焊接技术领域。
背景技术
铝锂合金每增加1％的锂元素，密度可降低3％，同时弹性模量可提高6％，具有质量轻、模量高和强度高的优点。随着研发的深入和产业化拓展，第三代铝锂合金(如2195、2196、2197、2198、2099、2050等)已兼具质轻，比强度和比刚度高，裂纹扩展速率低，优异的低温性能，优良的可焊性、抗疲劳性、耐蚀性和耐损伤性等特点，相对于常规铝合金，可使构件质量减轻10％～15％，同时刚度提高15％～20％，因此在航空航天、国防军工领域得到越来越多的应用。如2017年5月，我国首飞的C919大飞机就大量应用了2196、2198和2099三种第三代铝锂合金。
目前，在航空航天领域铝锂合金的连接工艺还是铆接为主，因其成分的特殊性及我国相应焊接材料的匮乏，铝锂合金焊接接头易出现气孔、热裂纹、软化等缺陷，焊接效果不理想。但相对于铆接而言，焊接可以减轻构件质量，提高结构刚度和密封性能，因此寻找铝锂合金新的可靠的焊接材料是急迫的，也是势在必行的。
另一方面，新型多股绞合结构的钢质焊丝已投入市场，因其具有绿色、节能、熔覆效率高、热输入较低且熔深可控等优势而逐渐得到客户的认可和信赖，但铝合金绞合结构焊丝还未见相关报道。在上述情况下，本发明提供一种Al-Cu-Li系铝锂合金焊接用的新型Al-Cu-Si绞股焊丝及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种Al-Cu-Si绞股焊丝及其制备方法，它能够解决第三代铝锂合金在航空航天等领域应用的以焊代铆问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种Al-Cu-Si绞股焊丝，它采用一根中心细丝、四根外围粗丝、和四根外围调节丝绞合而成，所述绞股焊丝的化学成分重量百分比为：Cu：3.0％～3.6％，Si：2.1％～2.5％，Fe：≤0.20％，Mn：0.10％～0.20％，Mg：≤0.05％，Zn：≤0.05％，Ti：0.05％～0.15％，Zr：0.05％～0.15％，V：0.01％～0.10％，余量为Al。
中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl 4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝均为SAl 2319。
中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl 4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝中两根为SAl2319和两根SAl 1100，两根SAl 2319外围调节丝和两根SAl 1100外围调节丝交错布置。
中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl 4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝中两根为SAl2319、一根为SAl 1100、一根为SAl 4043，其中两根SAl 2319外围调节丝相对布置。
外围粗丝与中心细丝的直径比为2.4142:1，外围调节丝直径与中心细丝直径相同。
一种Al-Cu-Si绞股焊丝的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、基材准备
采购盘状纯铝焊丝SAl1100、Al-Cu系焊丝SAl2319和Al-Si系焊丝SAl4043，其中纯铝焊丝SAl1100为细丝，Al-Cu系焊丝SAl2319和Al-Si系焊丝SAl4043有粗细两种直径，粗丝与细丝的直径之比为2.4142:1；
步骤二、确定绞股结构
采用1+4+4式的绞股结构，即采用一根中心细丝，四根外围粗丝和四根外围调节丝的绞股结构，中心细丝的直径与外围调节丝的直径相等，其中中心细丝采用纯铝焊丝SAl1100，四根外围粗丝中两根为Al-Cu系焊丝SAl2319，另外两根为Al-Si系焊丝SAl4043，四根外围调节丝采用上述纯铝焊丝SAl1100、Al-Cu系焊丝SAl2319和Al-Si系焊丝SAl4043的一种或多种，绞股结构中相邻单丝之间都是相切的关系；
步骤三、绞股
将各种单丝定位装在捻股机中，调节捻距、张力及转数工艺参数，通过定径模具孔以进一步压实合紧，并通过去应力装置消除焊丝残余应力，最终制得Al-Cu-Si绞股焊丝。
步骤三中捻距范围是5～15倍的绞股焊丝当量直径。
步骤三中张力为10％～15％设备张力额定值。
步骤三中转数为300～600r/min。
本发明制备得到的Al-Cu-Si绞股焊丝在航空航天铝合金焊接材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、无需熔炼、热处理、挤压、拉丝等繁杂生产工序，仅需采购产业化铝合金单丝，经捻股绞合即成，生产周期短成本低，而且效率高；
2、焊丝中的微合金元素Ti、Zr有细化晶粒的作用，Mn、V可抑制再结晶；而主合金元素Cu是焊缝强度的主要承载元素，主要以Al2Cu相及Al2CuLi相存在；Si元素可有效改善熔覆金属的流动性及焊缝的耐蚀性，也对提高焊缝强度有一定益处；采用本发明的焊丝进行焊接，接头强度高，较常规MIG焊情况下高50～80MPa，且无焊接热裂纹。
3、该新型Al-Cu-Si绞股焊丝焊接时呈现连续旋转电弧，具有搅拌熔池、热输入较低、熔覆效率高且熔深可控等特点，焊缝几乎无气孔，焊缝质量高，为第三代铝锂合金的焊接提供一种可选的焊接材料；
4、1+4+4绞股结构的空间占有率较大，同等条件下的焊接熔敷率较高；与同规格的其它结构相比，该结构空间占有率虽增大，但焊接电压电流基本不变，即熔敷率增大的同时，焊接热输入量并没有明显增大；该结构外表面呈圆柱形，沟槽较小，与导电嘴接触良好，焊接导电稳定性较好。
5、根据现场焊接的实际工况，该新型Al-Cu-Si绞股焊丝在生产时可微量调整其化学成分，调整外围调节丝的种类和数量，可实现主合金元素Cu、Si较大范围的调节。
附图说明
图1为本发明Al-Cu-Si绞股焊丝的结构示意图。
图中：1、中心细丝；2、外围粗丝；3、外围调节丝。
具体实施方式
通过以下实施案例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护内容不限于此。
实施例1
选用一根SAl 1100中心细丝，两根SAl 2319和两根SAl 4043外围粗丝，四根SAl2319外围调节丝进行捻股，两根SAl 2319和两根SAl 4043外围粗丝应交错布置。捻制工艺参数为：捻距为8倍的绞股焊丝当量直径，张力为12％设备张力额定值，转数为350r/min，所得焊丝的化学成分为Cu：3.6％，Si：2.1％，Fe：0.14％，Mn：0.20％，Mg：0.05％，Zn：0.05％，Ti：0.15％，Zr：0.15％，V：0.10％，其余为Al和极少量不可避免的杂质。
实施例2
选用一根SAl 1100中心细丝，两根SAl 2319和两根SAl 4043外围粗丝，两根SAl2319和两根SAl 1100外围调节丝进行捻股，两根SAl 2319和两根SAl 4043外围粗丝应交错布置，两根SAl 2319和两根SAl 1100外围调节丝也应交错布置。捻制工艺参数为：捻距为10倍的绞股焊丝当量直径，张力为12％设备张力额定值，转数为400r/min，所得焊丝的化学成分为Cu：3.0％，Si：2.25％，Fe：0.15％，Mn：0.15％，Mg：0.009％，Zn：0.006％，Ti：0.085％，Zr：0.05％，V：0.057％，其余为Al和极少量不可避免的杂质。
实施例3
选用一根SAl 1100中心细丝，两根SAl 2319和两根SAl 4043外围粗丝，两根SAl2319、一根SAl 1100和一根SAl 4043外围调节丝进行捻股，两根SAl 2319和两根SAl4043外围粗丝交错布置，两根SAl 2319外围调节丝也应交错布置。捻制工艺参数：捻距为11.6倍的绞股焊丝当量直径，张力为13％设备张力额定值，转数为500r/min，所得焊丝的化学成分为Cu：3.22％，Si：2.5％，Fe：0.156％，Mn：0.10％，Mg：0.007％，Zn：0.009％，Ti：0.05％，Zr：0.104％，V：0.01％，其余为Al和极少量不可避免的杂质。
采用MIG焊方式对各实施例所得焊丝进行焊接试验，所得焊接接头的性能如下表所示：
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种Al-Cu-Si绞股焊丝，其特征在于：绞股焊丝是由一根中心细丝、四根外围粗丝和四根外围调节丝绞合而成；所述绞股焊丝的化学成分重量百分比为：Cu：3.0％～3.6％，Si：2.1％～2.5％，Fe：≤0.20％，Mn：0.10％～0.20％，Mg：≤0.05％，Zn：≤0.05％，Ti：0.05％～0.15％，Zr：0.05％～0.15％，V：0.01％～0.10％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Cu-Si绞股焊丝，其特征在于：中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝均为SAl 2319。
3.根据权利要求1所述的Al-Cu-Si绞股焊丝，其特征在于：中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝中两根为SAl 2319和两根SAl 1100，两根SAl2319外围调节丝和两根SAl 1100外围调节丝交错布置。
4.根据权利要求1所述的Al-Cu-Si绞股焊丝，其特征在于：中心细丝为SAl 1100，四根外围粗丝中两根为SAl 2319，另外两根为SAl 4043，两根SAl 2319外围粗丝和两根SAl4043外围粗丝交错布置，四根外围调节丝中两根为SAl 2319、一根为SAl 1100、一根为SAl4043，其中两根SAl 2319外围调节丝相对布置。
5.根据权利要求1所述的Al-Cu-Si绞股焊丝，其特征在于：外围粗丝与中心细丝的直径比为2.4142:1，外围调节丝直径与中心细丝直径相同。
6.一种Al-Cu-Si绞股焊丝的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、基材准备
准备纯铝焊丝SAl 1100、Al-Cu系焊丝SAl 2319和Al-Si系焊丝SAl 4043，其中纯铝焊丝SAl 1100为细丝，Al-Cu系焊丝SAl 2319和Al-Si系焊丝SAl 4043有粗细两种直径，粗丝与细丝的直径之比为2.4142:1；
步骤二、确定绞股结构
采用1+4+4式的绞股结构，即采用一根中心细丝，四根外围粗丝和四根外围调节丝的绞股结构，中心细丝的直径与外围调节丝的直径相等，其中中心细丝采用纯铝焊丝SAl 1100，四根外围粗丝中两根为Al-Cu系焊丝SAl 2319，另外两根为Al-Si系焊丝SAl 4043，四根外围调节丝采用上述纯铝焊丝SAl 1100、Al-Cu系焊丝SAl 2319和Al-Si系焊丝SAl 4043的一种或多种，绞股结构中相邻单丝之间都是相切的关系；
步骤三、绞股
将各种单丝定位装在捻股机中，调节捻距、张力及转数工艺参数，通过定径模具孔以进一步压实合紧，并通过去应力装置消除焊丝残余应力，最终制得Al-Cu-Si绞股焊丝。
7.根据权利要求6所述的Al-Cu-Si绞股焊丝的制备方法，其特征在于：步骤三中捻距范围是绞股焊丝当量直径的5～15倍。
8.根据权利要求6所述的Al-Cu-Si绞股焊丝的制备方法，其特征在于：步骤三中张力为10％～15％设备张力额定值。
9.根据权利要求6所述的Al-Cu-Si绞股焊丝的制备方法，其特征在于：步骤三中转数为300～600r/min。
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