CN110014245B - 一种轨道交通用铝合金气保焊丝及制杆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道交通用铝合金气保焊丝及制杆工艺。化学成分按下列质量百分比制成：Si 0～0.25、Fe 0～0.25、Cu 0～0.05、Mn 0.10～1.10、Mg 4.7～5.5、Cr 0.05～0.20、Zn 0～0.10、Ti 0.05～0.15、Zr 0～0.20、Y 0.005～0.125、Gd 0.005～0.10、Sc 0.005～0.05、Be 0～0.0003、余量为Al和不可避免元素。制杆流程包括配料、熔炼、提纯、引铸、连轧、收杆。通过加入混合稀土和流水线流程，使焊丝内在具有较高纯净度、确保优良的焊缝物理性能；连续稳定的可焊性为高速自动化和/或机器人焊接提供保障。

Description

一种轨道交通用铝合金气保焊丝及制杆工艺

技术领域

本发明涉及一种铝合金焊丝的加工技术领域，具体是一种用于轨道交通关健部位的铝合金焊丝及其材料的制备方法。

背景技术

为适应轨道交通列车舒适、美观、高速的发展要求，世界各国均在大力发展制造铝合金列车车体。投入运营的铝合金列车车体已达三万多辆。中国高铁走到了世界前列，高铁运营里程达到2.2万公里(到2025年将达到3.8万公里)，达到世界高铁运营里程的60％以上，另外世界各大中城市也在蓬勃发展适合自身的地铁、轻轨、云轨等轨道交通。由此可以看出，在世界范围内，生产制造铝合金车体是铁路运输事业和城市轨道车辆发展的必然趋势。我们生产车体的铝合金板材型材已经全部国产化，然而直到目前为止与之匹配的关健部位的铝合金焊接材料100％依赖进口。同时还有部份依赖进口铝合金焊材的高端装备领域包括公路交通(80％进口)、武器装备、航空航天等。主要进口的铝合金焊丝品牌包括SAF意大利-特拉瓦-布雷西亚、加拿大INDALCO、美国ESAB、美国AlcoTec、SAF-FRO 意大利SAFRA、SAF-FRO日本SUNITOMO、SAF-FRO法国FILALU、加拿大 Gulf、意大利Sidergas等。

随着铝合金结构材料及其自动化焊接技术在高端装备上的大量应用，对焊接填充材料--铝合金焊丝的焊接工艺性和焊接接头综合性能的要求也越来越高。我国针对铝合金焊丝的研制工作起步较晚，无论铝合金焊丝用原材料研究还是生产工艺及设备研究都远远落后于国外。主要包括1.焊丝原材料(盘条/铝杆)问题：瓶颈技术包括气杂含量的控制技术、第二相均化细化技术及晶粒细化技术。2. 成品焊丝：其瓶颈和关健点是：表面状态的均一性和趋于稳定的连续送丝阻力等等。特别是我们的轨道交通领域其关健部位用铝合金焊丝完全依赖进口的局面不利于我国车辆轻型化和交通运输业的发展；不利于降低轨道交通车辆的制造成本；由此可见我们必须尽快打破中高端铝合金焊丝由进口和外资企业垄断的被动局面，保障国家相关领域的安全。

目前轨道交通的铝合金车辆各相应部位较多采用到Al-Mg系、Al-Mg-Si系、 Al-Zn-Mg系的铝合金板材诸如5083、6082、7020等等。常规匹配选用5087、 5183及少量5356等5系的铝合金焊丝。焊接选材充分考虑到焊缝力学性能、耐蚀性能、抗裂性能、疲劳性能等因素以及焊接时的工艺性和自动化。所以焊丝的内在合金成分、纯净度及外在连续性等指标是关健技术，也是我们目前要统筹兼顾和提升的目标方向。

国家标准GB/T 10858-2008《铝及铝合金焊丝》表1焊丝化学成分公开了5087、5183、5356等品种的化学成分。

现有轨道交通用铝合金焊丝及制作方法是根据上表组分配比、熔炼、铸造、均匀化处理、挤压、拉拔、退火、拉拔、刮削、清洗。

[配料]：新铝用量不低于50％，Mg以纯金属形式加入，Ti、Mn、Cr以中间合金形式加入，配入微量保护元素，防止Mg过量烧损。

[熔炼]：熔炼温度在690～760℃，熔炼过程中采用纯氩或氩氮混合等惰性气体进行除气处理。

[铸造]：控制温度700～750℃、控制水压0.05～0.1MPa、铸出铝锭，其直径Φ120～Φ290mm。或者直接铸造成直径为Φ10mm左右的铝杆。

[均匀化处理]：铝锭置入处理炉内进行均质化热处理。

[挤压或轧制]：

铝锭挤压：通过温度和速度控制挤压成直径Φ11～Φ14mm的半成品。

铝杆轧制：采用粗轧加精轧或者冷连轧至Φ3～Φ4mm半成品。

[拉拔]：

挤压的半成品一次采用多道次大拉至Φ6～Φ8mm、二次采用多道次中拉至Φ2.6～Φ5mm、三次采用多道次细拉至Φ1.0～Φ1.6mm。

轧制的半成品一次采用多道次中拉至Φ2.0mm～Φ2.6mm、二次采用多道次细拉至Φ1.0～Φ1.6mm。

[退火]：加工硬化决定了多次退火，通常被安排在粗轧前、粗轧和精轧之间、大拉和中拉之间、中拉和细拉之间进行。

[刮削]：对焊丝进行表面的刮削，消除因退火而产生的焊丝表面的氧化膜。所以一般被安排在最后一次退火后进行。

[清洗]：采用超声波清洗或者超声波碱洗加酸洗烘干处理。

目前的焊丝化学成分和生产中还有较多需要改进的地方，如在(1)目前制备过程中均需要进行退火等热处理，现有的连铸连轧工艺无法达到不退火生产 3.0mm以下线径，退火处理还会带来不稳定因素和能耗。(2)行业一些标准仅关注溶炼时的气态氢含量，并未过多关注铝合金焊丝的总氢含量，一般铝合金焊丝的总氢含量在100ppm左右。(3)目前制杆工艺从熔炼到挤压或轧制之间均为两次或两次以上间断工序才能加工至10mm左右的铝杆。且挤压线至大拉前一般每10Kg左右就需要进行一次碰头，轧制线至中拉前一般每150Kg左右就需要进行碰头，碰头处的组织稳定性及线性连续性对自动化焊接和/或机器人焊接具有致命的影响，已有的连铸连轧生产方式，也仅能保证其连续生产到300Kg以下，仍会带来较多不利的影响。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种轨道交通用铝合金焊丝及制作方法，通过稳定和提高铝合金焊材的纯净度来确保焊缝得到优良的物理性能，通过生产过程的优化和流水线自动化来确保材料在高速自动化和机器人操作的焊接工艺性能方面的连续性和一致性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：轨道交通用铝合金气保焊丝，它由下列化学成分按所述质量百分比制成：Si 0～0.25％、Fe 0～0.25％、Cu 0～ 0.05％、Mn0.10～1.10％、Mg 4.7～5.5％、Cr 0.05～0.20％、Zn 0～0.10％、Ti 0.05～0.15％、Zr 0～0.20％、Y 0.005～0.125％、Gd 0.005～0.10％、Sc 0.005～0.05％、 Be 0～0.0003％、其他不可避免元素(其他非添加元素单个值不大于0.05％、其他元素总量不大于0.15％)，余量为Al。材料中钇(Y)、钆(Gd)、钪(Sc) 的质量量百分比总量为0.015～0.20％。

通过在配料时加入混合稀土元素(钇、钆、钪)来辅助纯净化处理，包括除气、除渣及与杂质元素化合净化，同时也利用材料的变质细化，改善材料的强度和塑性。

铝合金的综合性能取决于各合金元素的配比，铝镁合金中强度主要取决于 Mg元素，根据轨道行业的实际分析和试验总结，本发明上调了Mg含量的下限值和通过调整其他微量元素共同作用来获得优质的焊接质量；其中，除了加入常用元素Mn、Cr、Ti等细化晶粒元素外，本发明特别限定了混合稀土元素的含量来进一步优化和稳定轨道交通用焊接材料的强度指标。是最终得到的焊丝在焊接 7系板时，能使焊缝强度与母材强度比从国内普通焊材的75％稳定到85％以上，焊接6系板时可以从85％稳定到95％以上。

混合稀土中的Y元素在熔炼时与熔体中的氧、氢、氮、硫、铁等杂质元素有很强的结合能力，可以净化合金熔体，同时具有很强的变质效果，加入0～ 0.125％，其基体晶粒的尺寸可以从60～70μm下降到40～50μm，其静态组织中晶粒细化与组织均匀化效果明显。但当Y含量超0.125％时晶粒会再增加。含有微量Y元素的焊材在导电能力方面得到一定改善，材料的热稳定性显著增强，在焊接时熔化效果更佳，在焊接6系铝合金Al-Mg-Si时，对其高温下的硬度和抗拉强度有稳定和提高的作用。

混合稀土中的Gd元素在熔炼时其细化效果明显，材料的强度和延伸率都可以得到保障，其固溶组织具有良好的抗再结晶作用。

混合稀土中的Sc元素在6系铝合金中可以提高其低周疲劳寿命，在7系合金中可以有效去掉杂质元素Fe，从而提高焊缝的室温抗拉强度。

我们通过上述三种混合稀土元素来联合实现细化晶粒和净化杂质的作用，并限定了其加入量，在限定质量范围内的三种元素的混合细化，除了在材料一次冶炼时能够得到更细晶粒的铝杆材料外，还充分兼顾了作为二次冶炼的焊接过程中的晶粒细化。在细化晶粒方面，钇Y元素适用的铝合金材料系列最广泛，包括2、 4、5、7系均比较明显。其次是钆Gd适用于5、7系、钪Sc适用于4系。在生产5系焊接材料时，在Y元素的基础上加入少量Gd元素细化效果更明显，同时为了让我们的材料适用性更广泛会添加少量的Sc元素，Sc元素添加量不超过Y 元素和Gd元素添加总和的三分之一。同时Y和Gd元素还能够很好地净化学5 系和7系铝合金。通过三种元素的作用叠加得到的焊接材料在焊接2系、4系、 5系、6系、7系等多系列铝合金材料时均能很好地细化晶粒，适用范围更广泛。且细化效果优于单个稀土元素。当三种元素的添加量达到0.20％时、其静态组织中晶粒细化与组织均匀化效果明显，基体晶粒尺寸为40～60μm效果最佳，当超过0.20％时晶粒会再增加。

混合稀土元素钇和钪联合作用下，可以更好地改善富铁杂质相作用外，还可以起到精炼和除氧化夹杂作用。铝液中的氢含量是造成铝合金材料针孔的主要因素，混合稀土与氢有很大的亲和力，所以微量的稀土就可以起到固氢作用。另一方面稀土作为铝液中的表面活性元素能使铝液的表面张力降低和流动性提高，减小上浮气泡的临界尺寸，即气泡容易溢出到表层。可以使铝液中的氢含量减少 30～60％。稀土还容易将Al₂O₃中的Al元素还原出来，而反应生成的RE₂O₃密度和熔点高，在熔池中会迅速沉降和淀积，从而显著减少铝液中的氧化夹杂和氢的含量，大大提高材料的纯净度。

上述的轨道交通用铝合金气保焊丝的制杆方法流程包括配料、熔炼、提纯、引铸、连轧、收杆。

本发明的提纯包括炉内净化和炉外在线净化两个过程，炉内净化包括采用熔剂保护、混合稀土的合金化保护、纯氩气体精炼、熔剂精炼。炉外净化包括旋转除气、泡沫陶瓷过滤片多道过滤、深床过滤。另外还加入TiB丝进行晶粒细化处理。目前一些标准要求和同行仅关注溶炼时的气态氢含量，而我们更关注总氢含量，充分兼顾到作为二次冶炼的焊接过程。目前国内一般铝合金焊丝的总氢含量在100ppm左右。该发明通过一系列的措施将总氢量控制在25ppm以下。大大提高了材料纯度。

作为生产工艺的优化改进，轨道交通用铝合金气保焊丝的制杆方法流程从配料到收杆全过程为流水线无间断作业，相较于目前的传统工艺从熔炼到挤压或轧制之间均为两次间断工序。且挤压线至大拉前一般每10Kg左右就需要进行一次碰头，轧制线至中拉前一般每150Kg左右就需要进行碰头。碰头处的组织稳定性及线性连续性对自动化焊接和/或机器人焊接具有致命的影响。本发明通过前后道的工艺，连续性生产可以保证2000Kg内没有碰头，保证了自动化焊接和/ 或机器人焊接的连续性和稳定性。

轨道交通用铝合金气保焊丝的制杆方法制备的引铸截面积仅有目前高速列车用铝合金焊丝制作方法中铸锭截面积的1～5％，避免了在冷却过程中结晶不均匀的现象，即截面面积大的话，外部冷却速度较快，芯部冷却速度较慢，外圆在快速急冷中形成细小的等轴细晶，芯部形成粗大柱状晶，甚至伴有组织疏松和成分偏析，对后续挤压线杆的质量产生不利影响。即使增加均质化处理能够让内部晶粒趋于一致，但成分 偏析问题不能得到100％的解决。

轨道交通用铝合金气保焊丝的制杆方法流程中采用连铸连轧不间断工艺，在线状态下温度控制360℃～400℃之间，材料的塑性得到了充分的保障，较冷连轧工艺，其产品不经过退火就可以进行后道加工，减少了退火的不稳定因素和能耗，大大提高了产品的稳定性。再者其在在线状态下的轧制前进行了表面清洁处理，对表层的共晶层进行清除，提高了焊丝的内在纯净度，同时也避免带有微气泡的表层残留而造成后续加工断丝。另外区别于传统的固定形状轧制，本发明采用了不同几何形状360°揉挤18道次连轧，包括梯形、棱形、三角、圆形的多道次切换，总压缩率Q值达到99％，确保了材料的内在致密性。

具体实施方式

本发明轨道交通用铝合金气保焊丝的化学成分按所述质量百分比为：Si 0～0.25、Fe 0～0.25、Cu 0～0.05、Mn 0.10～1.10、Mg 4.7～5.5、Cr 0.05～0.20、Zn 0～0.10、Ti 0.05～0.15、Zr 0～0.20、Y 0.005～0.125、Gd 0.005～0.10、Sc 0.005～ 0.05、Be 0～0.0003、其他非添加元素单个值不大于0.05、其他非添加元素总量不大于0.15、余量为Al。

下面结合5个具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

上述实例是按本发明的流程进行制杆：包括配料、熔炼、提纯、引铸、连轧收杆。最后再进行刮削和拉拔制成成品。

配料：新铝用量80％，Mg以纯金属形式加入，Ti、Mn、Cr及混合稀土以中间合金形式加入，配入微量保护元素，防止Mg过量烧损。

熔炼：熔炼温度在710～760℃，熔炼过程中均匀加入0.1～0.15％精炼剂。并采用纯氩惰性气体进行除气处理。用扒渣装置进行扒渣10～15min，铝液熔炼时间为10-13h。

提纯：通过除气装置通入纯氩旋转除气，通过泡沫陶瓷过滤片过滤装置和深床过滤进行在线滤渣、加入TiB丝进行在线晶粒细化处理。

引铸：控制温度690～700℃、控制水压0.15～0.18MPa、通过引铸轮铸出连续不断的梯形铝杆，截面积550～580mm²。

连轧收杆：对正梯型表面的共晶层进行在线清除，高频加温至360℃～400℃后进行连续10道次轧制，相邻两道间采用不同的几何形状360°揉挤轧制，总压缩率Q值达到95％，连续收杆到2吨装的工字轮上，然后进一步采用8道次连轧，相邻两道间采用不同的几何形状360°揉挤轧制，总压缩率Q值达到99.25％，线径2.15～2.30mm。

刮削拉拔：刮削和拉拔为在线连续交替进行，拉拔道次8～10道，中间穿插在线刮削2～4道，刮削目的是消除焊丝表面的氧化膜；减径后表面进行润滑定径。

成品焊丝相关性能测试：包括线径、抗拉强度、断后伸长率及总氢含量检测结果如下表。

上表可以看到五个实施例的抗拉强度在500～550MPa之间，断后伸长率在 3.5～4.5％之间，均匀性优良。总氢量在≤22ppm，达到了设定的要求。

成品焊丝连续可焊性测试：焊接电流240A，电压26V。焊接试板5083，尺寸：10×100×1200mm，用福尼斯焊机加酷卡机器人连续不断进行3m长焊缝测试，检测焊缝直线度、光滑度、清洁度、润湿性等情况。

注：

直线度说明：焊缝宽度A最大处与最小处≤1m且没有咬边现象为 A级，1～2m且没有咬边现象为B级、2m以上或有咬边现象为C 级。

光滑度说明：在1m长的焊缝内表面麻点，缩孔、凸瘤等缺陷为数量5个以内且尺寸在0.5m以内的为A级，数量5～10个或者尺寸在0.5～1m间的为B级，超过此范围为C级。

清洁度说明：表面和焊缝边缘无黑灰，色泽一致的为A级，表面无黑灰但焊缝边缘有轻微黑灰的为B级，表面和边缘都有黑灰或焊缝表面颜色异常的为C级。

上表可以看出实施例的连续稳定性，尤其是焊缝的外观质量在自动化设备和机器人焊接下都达了轨道车辆使用的要求。

成品焊丝对接焊测试：包括PA平焊和PE立焊。分别采用轨道交通常用的三种5083、6082、7020三种板材进行试验，测试PA位置的横向屈服、抗拉、面弯、背弯等机械性能，并通过截面宏观腐蚀试验来观察焊缝气孔性和夹渣性，通过PE位置射线探伤来检测焊材立焊位置焊缝内部气孔性和夹渣性，并通过焊缝的纵向弯曲来检测材料的综合韧性。

对接焊试验参数参见下表：

焊接完成的相关试板进行探伤后加工成试样，然后进行下列试验，详细结果参见下表。

注：

1.对接横向弯曲压头直径D＝4t、弯曲角度α＝180°。

2.仰对接焊缝纵向弯曲压头直径D＝66mm，支承辊间距89mm，弯曲角度 180°

根据轨道交通相关要求5083、6083、7020三种板材的抗拉强度分别为275～350MPa、≥310MPa、≥350MPa，对应焊材抗拉强度值要求达到母材强度值下限的100％、60％、75％。上表可以看出5个实施例在焊接5083板材可以达到110～ 115％之间、在焊接6082板材可以达到92～96％之间、在焊接7020板材可以达到86～90％之间。都稳定在要求值以上的一个较高的水平。同时其横向面弯与背弯、纵向面弯与背弯充分体现出焊材与母材的熔合性和焊缝本身的韧性都非常理想。射线探伤与宏观腐蚀试验结果也表明实施例得到的焊缝内在质量满足了轨道交通要求。

Claims (1)

1.一种轨道交通用铝合金气保焊丝，其特征在于，所述焊丝由下列化学成分按质量百分比制成：Si 0～0.25%、Fe 0～0.25%、Cu 0～0.05%、Mn 0.10～1.10%、Mg 4.7～5.5%、Cr0.05～0.20%、Zn 0～0.10%、Ti 0.05～0.15%、Zr 0～0.20%、Y 0.005～0.125%、Gd 0.005～0.10%、Sc 0.006～0.05%、Be 0～0.0003%、余量为Al和非添加元素；Y、Gd、Sc三种稀土成分的质量百分比总量为0.015～0.20%，Sc元素添加量不超过Y元素和Gd元素添加量总和的三分之一；非添加元素单个值不大于0.05%、非添加元素总量不大于0.15%；所述铝合金气保焊丝中总氢含量在25ppm以下；

所述的轨道交通用铝合金气保焊丝的制杆工艺的流程包括：配料、熔炼、提纯、引铸、连轧收杆、刮削拉拔；其中熔炼、提纯、引铸、连轧收杆、刮削拉拔具体为：

熔炼：熔炼温度在710～760℃，熔炼过程中均匀加入0.1～0.15%精炼剂，并采用纯氩惰性气体进行除气处理，用扒渣装置进行扒渣10～15min，铝液熔炼时间为10-13h；

提纯：提纯包括炉内净化和炉外在线净化两个过程；所述炉内净化采用熔剂保护、混合稀土的合金化保护、纯氩气体精炼、熔剂精炼中的一种或几种组合方式；所述炉外在线净化包括使用旋转除气、泡沫陶瓷过滤片多道过滤、深床过滤中的一种或几种组合方式进行在线滤渣，还包括加入TiB丝进行在线晶粒细化处理；

引铸：引铸时控制温度和水压，其中温度为690～700℃，通过引铸轮铸出连续不断的铝杆，铝杆截面积为550～580mm²；

连轧收杆：对引铸得到的铝杆表面的共晶层进行在线清除，铝杆在加温至360℃～400℃后进行连续10道次轧制，相邻两道次间采用不同的几何形状360°揉挤轧制，之后连续收杆到工字轮上；然后进行8道次连轧，相邻两道次间采用不同的几何形状360°揉挤轧制，总压缩率Q值达到99.25%；

刮削拉拔：刮削和拉拔为在线连续交替进行，拉拔道次8～10道，中间穿插在线刮削2～4道，减径后表面进行润滑定径；

所述的制杆工艺的流程不包括退火。