CN109955003B - 高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种高强、耐蚀Al‑Mg‑Zr铝合金焊丝及其制备方法，本发明优化控制Al‑Mg‑Zr合金中合金元素的比例，同时采用粉体制备、热等静压、挤压、连续挤压以及拉拔工艺制备晶粒细小、组织均匀和综合性能优良的焊丝。该新型合金焊丝在TIG或MIG焊接成型过程中具有良好的成型性能、低热裂倾向，焊接接头具有高等强度和优良的耐蚀性能，可以用于焊接耐蚀铝镁系和高强铝锌镁系铝合金，满足全铝舰船船体以及兵器防护装甲板的焊接需求，拥有广阔的应用前景。

Description

高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明是一种高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝及其制备方法，该焊丝在TIG或MIG焊接成型过程中具有良好的成型性能、低热裂倾向，焊接接头具有高等强度和优良的耐蚀性能，满足了全铝舰船船体以及兵器防护装甲板的焊接需求。属于有色金属及其加工领域。
背景技术
随着铝合金TIG和MIG焊接技术的日益成熟，铝合金焊接结构已广泛应用于军工和民用领域。目前，在军工领域，常用铝合金焊丝有5087、5183、5356等牌号，焊缝强度在280MPa等级，高镁合金焊丝的焊缝强度在320MPa级。
在舰船领域，随着近些年来舰船对船体整体性能的要求越来越严格，焊缝作为船体的连接薄弱点，引起越来越多的关注，焊缝的强度、耐蚀性能难以满足使用要求。
在兵器领域，常用防护装甲板材料为7A52铝合金，板材强度400MPa级，常用焊丝材料为5356铝合金，焊缝强度280MPa级，且存在焊接热裂问题，难以满足使用要求。迫切需要强度更高、耐蚀性能优良、低热烈倾向的焊丝。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝及其制备方法，使该合金焊丝的焊接接头强度等级达到350MPa，焊接接头具有良好的耐蚀性能，在TIG或MIG焊接成型过程中具有良好的成型性能和低的热裂倾向。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供了一种高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝，该焊丝的化学成分及重量百分比为：Mg 5.5～7.0％，Zr 0.7～1.3％，Mn 0.5～1.1％，Ti 0.01～0.05％，Be 0～0.0003％，Y 0～0.003％，Sc 0.01～0.15％、Ag 0.2～0.5％中的一种或两种，杂质元素中Si≤0.10％，Fe≤0.10％，其它单个杂质元素≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。杂质元素总量≤0.15％。
本发明还提供了一种制备上述高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、在雾化炉中制备除镁元素以外的合金粉体，再将合金粉体与纯镁粉充分混合均匀，满足焊丝的合金成分及配比要求；
步骤二、将混合好的粉体装入铝包套，加热并抽真空，然后进行热等静压；
步骤三、对热等静压后的棒料进行机加工扒皮，加热保温，然后进行热挤压处理；
步骤四、热挤压后的棒料放入退火炉进行中间退火；
步骤五、退火后的棒料进行连续挤压变形处理；
步骤六、连续挤压后的丝材放入退火炉进行中间退火；
步骤七、退火后的丝材进行刮削、拉拔冷变形处理即成为焊丝成品。
进一步，步骤一中所述的在雾化炉中制备除镁元素以外的合金粉体的工艺是将精铝锭、Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Be中间合金、Al-Y中间合金以及纯Ag板放入雾化炉中升温熔化，开启电磁搅拌，继续升温至950～1050℃进行雾化成粉。
进一步，步骤一中所述的雾化后的合金粉体去除150目以上的颗粒，然后按照配比加入纯镁粉，均匀混合。
进一步，步骤二中将混合好的粉体装入铝包套后，加热抽真空，加热温度为480～500℃，真空度为1×10-3～1×10-4Pa，然后进行热等静压的加热温度为420～460℃，压力为100～120MPa。
进一步，步骤三中的热挤压过程中，棒料的加热温度为460～480℃、保温时间为6～8h，挤压比为15～20，挤压速度为0.2～0.4m/min，挤压棒料尺寸规格为Φ9.5～Φ10.5mm。
进一步，步骤四中所述的中间退火的退火温度为400～420℃，退火保温时间为2～3h。
进一步，步骤五中连续挤压变形处理参数为：挤压速度0.2～0.4m/min，挤压比6.25～7.60，挤压丝材尺寸规格Φ1.9mm。
进一步，步骤六中的中间退火参数为：退火温度400～420℃，退火保温时间2～3h。
进一步，步骤七中刮削+连续冷拉拔方式为：Φ1.9mm丝材经Φ1.85mm压缩模、Φ1.82mm刮削模、Φ1.79mm刮削模完成刮削，刮削后的Φ1.79mm丝材经Φ1.73mm和Φ1.58mm压缩模连续冷拉拔，然后进行超声波清洗和烘干处理，最终制备焊丝成品。
本发明是针对舰船船体和兵器防护装甲板急需更高强度且耐蚀的铝合金焊丝的要求而提出的，本发明通过提高合金中主合金化元素Mg、Zr的含量，加入适量的微合金化元素，并通过粉末法制备棒料，焊丝晶粒细小，组织均匀，焊缝晶粒明显细化，获得更高的焊缝强度及良好的耐蚀性能。
本发明的优点是：
1、采用粉末法(喷粉→混粉→热等静压→挤压→连续挤压→连续冷拉拔)制备高Zr含量焊丝，克服了传统熔铸法制备中的粗大化合物问题，焊丝晶粒细小，组织均匀；
2、该焊丝在焊接过程中，Zr作为铸造晶粒的细化素元，起到细化焊缝晶粒和提高焊缝综合性能的作用；联合添加适量的Sc、Ag等微合金化元素，进一步提高了焊丝的焊接成型性和焊缝的综合性能；
3、高温雾化喷粉制备高Zr含量的粉体(除主元素Mg之外)，然后与镁粉混合，减少了Mg元素烧损，提高了合金焊丝中各元素的控制精度；
4、采用连续挤压生产工艺进行中间丝材制备，克服了粉末丝材冷拉拔变形程度有限，容易断丝的问题；
5、合金的成分及制备工艺均考虑了国内装备水平，具有较大的窗口，可以保证工业化生产的顺利实施。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于下述实施例。
实施例
表1给出了本发明所提出的高强耐蚀铝合金焊丝的合金元素质量百分比。
表1合金元素质量百分比
实施例 Mg Zr Mn Ti Sc Ag Be Y Fe Si
1 6.1 1.2 0.8 0.02 0.05 0.3 0.0003 0.002 0.03 0.02
2 6.4 1.0 1.0 0.02 0.08 - 0.0003 0.002 0.05 0.01
3 6.8 1.0 0.6 0.03 0.02 0.4 0.0003 0.003 0.03 0.01
4 5.6 0.8 0.5 0.05 - 0.4 0.0002 0.002 0.03 0.02
5 5.8 1.0 0.9 0.02 - - 0.0002 0.003 0.02 0.02
6 6.5 1.1 0.8 0.03 0.10 0.5 0.0003 0.003 0.05 0.01
7 5.9 1.2 1.1 0.03 0.12 - 0.0003 0.002 0.03 0.02
实施方式如下：
在雾化炉中升温熔化除Mg之外原材料，然后在950～1050℃温度下进行雾化成粉。将雾化后的粉体去除150目以上的颗粒，然后按照5.5～7.0％的质量比例加入纯镁粉，充分混合均匀；将混合好的粉体装入铝包套，加热抽真空，加热温度480℃，真空度1×10-3～1×10-4Pa，然后进行热等静压，加热温度440℃，压力100～120MPa；
在热挤压过程中坯料加热温度460℃、保温时间6～8h，挤压速度0.2～0.4m/min，挤压棒材尺寸规格Φ10.5mm；将热挤压后的挤压棒材放入退火炉进行中间退火，退火温度20℃，退火保温时间2h；
在连续挤压过程中，挤压速度0.2～0.4m/min，挤压丝材尺寸规格Φ1.9mm；将连续挤压后的挤压丝材放入退火炉进行中间退火，退火温度420℃，退火保温时间2h；
在冷拉拔过程中，采取刮削+连续冷拉拔方式，即Φ1.9mm丝材经Φ1.85mm压缩模、Φ1.82mm刮削模、Φ1.79mm刮削模完成刮削，刮削后的Φ1.79mm丝材经Φ1.73mm和Φ1.58mm压缩模连续冷拉拔，然后进行超声波清洗和烘干处理，最终制备焊丝成品。
使用本发明制备的焊丝焊接高镁合金板材，对焊缝进行室温力学性能、剥落腐蚀以及晶间腐蚀进行测试，如表2所示。拉伸试样从焊缝热影响区断裂，受母材性能影响，焊缝室温抗拉强度为352～365MPa，抗剥落腐蚀性能达到PB级，抗晶间腐蚀速率为8～13mg/cm2。
使用本发明制备的焊丝焊接7A52合金板材，对焊缝进行室温力学性能、剥落腐蚀以及晶间腐蚀进行测试，如表3所示。拉伸试样从焊缝焊合区断裂，焊缝室温抗拉强度为372～386MPa，抗剥落腐蚀性能达到PB级，抗晶间腐蚀速率为10～14mg/cm2。
表2依据本发明制备合金焊丝的焊缝性能(母材：高镁合金板材)
Figure BDA0002008748240000051
表3依据本发明制备合金焊丝的焊缝性能(母材：7A52板材)
Figure BDA0002008748240000052
Figure BDA0002008748240000061

Claims (10)

1.一种高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝，其特征在于：该焊丝的化学成分及重量百分比为：Mg 5.5～7.0％，Zr 0.7～1.3％，Mn 0.5～1.1％，Ti 0.01～0.05％，Be 0～0.0003％，Y0～0.003％，Ag 0.2～0.5％，杂质元素中Si≤0.10％，Fe≤0.10％，其它单个杂质元素≤0.05％，总量≤0.15％，余量为Al。
2.制备如权利要求1所述的高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、在雾化炉中制备除镁元素以外的合金粉体，再将合金粉体与纯镁粉充分混合均匀，满足焊丝的合金成分及配比要求；
步骤二、将混合好的粉体装入铝包套，加热并抽真空，然后进行热等静压；
步骤三、对热等静压后的棒料进行机加工扒皮，加热保温，然后进行热挤压处理；
步骤四、热挤压后的棒料放入退火炉进行中间退火；
步骤五、退火后的棒料进行连续挤压变形处理；
步骤六、连续挤压后的丝材放入退火炉进行中间退火；
步骤七、退火后的丝材进行刮削、拉拔冷变形处理即成为焊丝成品。
3.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤一中所述的在雾化炉中制备除镁元素以外的合金粉体的工艺是将精铝锭、Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Be中间合金、Al-Y中间合金以及纯Ag板放入雾化炉中升温熔化，开启电磁搅拌，继续升温至950～1050℃进行雾化成粉。
4.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤一中所述的雾化后的合金粉体去除150目以上的颗粒，然后按照配比加入纯镁粉，均匀混合。
5.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤二中将混合好的粉体装入铝包套后，加热抽真空，加热温度为480～500℃，真空度为1×10-3～1×10-4Pa，然后进行热等静压的加热温度为420～460℃，压力为100～120MPa。
6.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤三中的热挤压过程中，棒料的加热温度为460～480℃、保温时间为6～8h，挤压比为15～20，挤压速度为0.2～0.4m/min，挤压棒料尺寸规格为Φ9.5～Φ10.5mm。
7.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤四中所述的中间退火的退火温度为400～420℃，退火保温时间为2～3h。
8.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤五中连续挤压变形处理参数为：挤压速度0.2～0.4m/min，挤压比6.25～7.60，挤压丝材尺寸规格Φ1.9mm。
9.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤六中的中间退火参数为：退火温度400～420℃，退火保温时间2～3h。
10.根据权利要求2所述的制备高强、耐蚀Al-Mg-Zr铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤七中刮削、拉拔冷变形处理方式为：Φ1.9mm丝材经Φ1.85mm压缩模、Φ1.82mm刮削模、Φ1.79mm刮削模完成刮削，刮削后的Φ1.79mm丝材经Φ1.73mm和Φ1.58mm压缩模连续冷拉拔，然后进行超声波清洗和烘干处理，最终制备焊丝成品。
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