CN110340565B - 一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法，所述铝硅基焊丝的增强方式为合金补偿和合金强化；所述铝硅基焊丝为Al‑Si(6.5％～7.5％)‑Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)‑Mn(0.4％～0.6％)。所述制备方法包括以纯铝、Al‑Si中间合金、Mg粒、Al‑Ce中间合金及Mn粉为原料，制得铸坯，均匀化热处理后，将铸坯经过热挤压、拉制和表面处理，即得。本发明制备的铝硅基焊丝适用于电弧增材制造技术。

Description

一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝硅基焊丝及其制备方法，具体地，涉及一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀性，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，加之成本比较低，因此，成为航空、航天、船舶、汽车、列车、化工、军事等领域应用最广泛的一类有色金属结构材料。
金属增材制造技术无需模具，可以根据零件三维模型直接成形，具备制造周期短、小批量零件生产成本低等特点，可以解决型号研制阶段快速响应的难题，与铝合金相结合，在航空航天领域取得了快速发展。
随着航空航天、国防军工等高尖端领域对材料力学性能的要求越来越苛刻，不仅要求具备高强度高塑性，还需具有高的比刚度和比模量，导致对大型、复杂、精密的轻质高强高模材料构件的需求越来越迫切。
铝硅合金具有良好铸造性能和耐磨性能，在铸造铝合金中用量最大。但铝硅基焊丝牌号少，成分添加不够完整，只作为焊接使用。
国防军工等领域的飞速发展，对材料力学性能以及结构复杂程度提出了新的要求。电弧增材制造的出现可以很好地解决了上述难题，目前，金属材料增材制造的主要成形工艺有激光工程化净成形技术(LENS)，激光选区熔化(SLM)技术，电子束熔化(EBM)技术，电弧填丝熔敷成形(WAAM)等。采用激光作为热源，能够精确控制尺寸，使成形零件的表面质量好，材料利用率高。缺点是设备昂贵，致密性差，大型工件制造困难。而采用电弧填丝的增材制造工艺，相比于激光等能量束，具有一系列优势：1.制造成本低，采用普通金属丝材和普通焊接电源即可进行制造；2.生产效率高，对碳钢等材料而言，熔敷效率能够达8Kg/h；3.应用范围广，能够制造复杂结构，能够使用各类普通焊接焊丝，制造的零件应用于各个工业领域；4.制造零件力学性能好，焊接过程中的冶金作用使零件组织更致密、强度韧性更好；5.可增材的材料种类多，能够进行焊接的金属焊丝都可以进行增材制造。电弧增材制造相比激光增材制造沉积效率高，更适合打印大型零部件；在兼顾解决大型结构的同时，由于冷却速度快，可以细化晶粒，改善颗粒及合金元素分布，优化组织均匀性，提高材料的塑性、强度及耐腐蚀性能。
国内外文献报导中铝硅基焊丝主要牌号为ER4043，合金组分及其重量百分比为：Si含量5％，Mg含量≤0.10％，Fe含量≤0.04％，Cu含量≤0.05％，余量为铝。研究重点主要在工艺参数和结构设计上，而力学性能评估中平均抗拉强度为245Mpa，平均延伸率为12.1％，仅能满足一般强度需求。
因焊接所用的焊丝成分为接近母材成分，仅为适用于焊接过程进行了成分调整。将焊接所用的铝硅焊丝在电弧增材制造上直接应用性能低下，无法拓展电弧增材制造行业对于性能优化的要求，限制了电弧增材制造行业的进一步发展，因此铝硅合金在电弧增材制造行业应用的首要任务是建立全新的电弧增材制造用焊丝体系及标准。
开发适用于电弧增材制造的高强韧铝合金焊丝体系必须综合考量焊丝的制造工艺以及电弧增材制造的工艺。常见的焊丝工艺需要经过盘条、机械去锈、酸洗、粗拉、中拉、热处理退火、电镀、细拉打轴、层绕、检验包装等步骤。之后成盘。随后衔接的是WAAM工艺即电弧增材制造系统。焊丝上盘，通过送丝系统输送。对于不同的焊接工艺，送丝系统会稍有差异，常用的TIG焊接与焊丝系统分开，焊丝系统额外向熔池输入焊丝，而MIG焊接和CMT焊接用金属焊丝替代电极，而CMT焊接工艺又在MIG焊接的基础上改进成为双送丝系统，可通过抽拉式的送丝系统有效控制熔池大小，进而降低焊接热，是铝合金焊丝的最推荐焊接工艺。但是双送丝系统对于焊丝的强韧性也提出了新的更高的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，结合送丝系统和焊丝工艺综合考量，本发明的目的是提供一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法。本发明开发的硬度适中高强韧铝硅基焊丝，专用于电弧增材制造系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明提供一种铝硅基合金焊丝，所述焊丝由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5％～7.5％)-Mg(0.4％～1％)－Ce(0.4％～1％)-Mn(0.4％～0.6％)。
本发明中，Mn元素在其中的作用为平衡杂质元素，避免形成粗大的第二相，在本申请实施例1-5的组织中均未发现粗大第二相。低于0.4％Mn不足以平衡所有的杂质相，组织中易出现粗大相。0.6％以上Mn会对相图平衡温度产生推移，固而优选0.4％-0.6％。
优选地，所述焊丝的直径为0.8、1.0、1.2、1.6或2.0mm。
第二方面，本发明提供一种所述铝硅基合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：
S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，在熔炼所得的熔体中依次加入Mg粒、Al-Ce中间合金及Mn粉，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体静置后得到铸锭；
S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；
S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制的延伸率随道次递减，最后将所述铝基合金线坯拉制成各种规格的焊丝。
优选地，步骤S1中，所述Al-Si中间合金中Si的质量含量为10％，所述Al-Ce中间合金中Ce的的质量含量为40％。
优选地，步骤S1中，所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；所述升温为升温至750～850℃。
优选地，步骤S1中，所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；所述静置的时间为30-45min。
优选地，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在490-510℃温度下保温24-36h。
优选地，步骤S3中，所述挤压的条件为：挤压比为9-10，挤压速度为1.5-3.0m/min。
优选地，步骤S3中，所述铝合金线坯的直径为20mm。
优选地，步骤S4中，所述去应力退火的温度为400-480℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。
优选地，步骤S4中，将所述铝基合金线坯拉制成直径为0.8、1.0、1.2、1.6或2.0mm规格的焊丝。
优选地，还包括如下步骤：
S5、表面处理：对步骤S4所得的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
优选地，所述酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，所述酸洗的温度为50-60℃，所述酸洗的时间为30-45s；
所述抛光所用混合酸液组分为：H3PO4：50wt％；H2SO4:35wt％；HNO3:8wt％；H2O：7wt％；
所述钝化采用质量分数为10％-15％的重铬酸钾，所述钝化的时间为5-10s。
第三方面，本发明提供一种所述铝硅基合金焊丝的在电弧增材制造中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供一种高强度高韧性的铝硅基合金焊丝。
2、本发明配备的制丝工序中通过去应力退火温度和时间随道次递增逐步提升，焊丝的强度硬度逐步提高，而韧性也能保持。具有这种性质的焊丝才能实现连续生产，与电弧丝打印所匹配。
3、本发明所提供焊丝与电弧增材制造技术匹配应用，所打印的结构性能超过了现有的铝硅基焊丝。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为使用实施例1制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图2为使用实施例2制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图3为使用实施例3制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图4为使用实施例4制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图；
图5为使用实施例5制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造的200倍金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例中，Al-Si中间合金中Si的质量含量为10％，Al-Ce中间合金中Ce的的质量含量为40％。
实施例1
将纯铝315g、Al-Si中间合金660g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至750℃进行熔炼；在坩埚中熔融后依次Mg粒11g、Al-Ce中间合金10.25g及Mn粉4.2g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置45min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在510℃温度下保温36h。充分均匀化后的铝合金铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在10，挤压速度为1.5-3.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，去应力退火的温度范围为400-480℃，去应力退火的时间范围为3h-6h，直至将铝合金线坯拉制成直径为0.8mm规格的焊丝。采取多道次以及交替性提升温度延长去应力退火时间是基于材料拉伸过程中逐步硬化，保证拉制过程的工业化连续性。
将铝硅基焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为60℃，酸洗时间45s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为10％的重铬酸钾，钝化时间为5s。
铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.6％)-Mg(0.97％)-Ce(0.41％)-Mn(0.40％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
实施例2
将纯铝255g、Al-Si中间合金710g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至780℃进行熔炼；在坩埚中依次加Mg粒10g及Al-Ce中间合金20g及Mn粉5.5g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置40min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在505℃温度下保温32h。充分均匀化后的铝合金铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在10，挤压速度为1.5-3.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，去应力退火的温度范围为400-480℃，去应力退火的时间范围为3h-6h，直至将铝合金材料线坯拉制成直径为1.0mm规格的焊丝。
将铝硅基焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为55℃，酸洗时间45s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为10％的重铬酸钾，钝化时间为7s。
铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.1％)-Mg(0.53％)-Ce(0.8％)-Mn(0.52％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
实施例3
将纯铝239g、Al-Si中间合金730g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至810℃进行熔炼；在坩埚中熔融后依次加入Mg粒6g、Al-Ce中间合金20g及Mn粉6g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置35min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在500℃温度下保温30h。充分均匀化后的铝合金铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在10，挤压速度为1.5-3.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，去应力退火的温度范围为400-480℃，去应力退火的时间范围为3h-6h。直至将铝合金线坯拉制成直径为1.2mm规格的焊丝。
将铝硅基焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为55℃，酸洗时间40s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为12％的重铬酸钾，钝化时间为8s。
铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.3％)-Mg(0.53％)-Ce(0.8％)-Mn(0.57％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
实施例4
将纯铝217.4g、Al-Si中间合金750g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至850℃进行熔炼；在坩埚中熔融后依次加入Mg粒5g、Al-Ce中间合金23.25g及Mn粉5.5g，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置30min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在495℃温度下保温28h。充分均匀化后的铝合金铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在9，挤压速度为1.5-3.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，去应力退火的温度范围为400-480℃，去应力退火的时间范围为3h-6h。直至将铝合金线坯拉制成直径为1.6mm规格的焊丝。
将铝硅基焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为50℃，酸洗时间35s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为13％的重铬酸钾，钝化时间为8s。
铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.5％)-Mg(0.41％)-Ce(0.93％)-Mn(0.53％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
实施例5
将纯铝239.1g、Al-Si中间合金740g置于坩埚中待其熔融后加入JZF-03型覆盖剂覆盖均匀后升温至850℃进行熔炼；在坩埚中熔融后依次加入Mg粒5.2g、Al-Ce中间合金15.5g及Mn粉5g后，添加JZJ型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，温度为650～750℃，将熔体静置30min后得到铸锭；将铸锭进行均匀化退火，即在490℃温度下保温24h。充分均匀化后的铝合金铸坯用挤压机挤压成直径20mm的铝合金线坯，挤压比控制在9，挤压速度为1.5-3.0m/min；拉制分为多道次，且拉制与去应力退火交替进行，拉制延伸率随道次递减，去应力退火的温度范围为400-480℃，去应力退火的时间范围为3h-6h。直至将铝合金线坯拉制成直径为2.0mm规格的焊丝。
将铝硅基焊丝进行酸洗、抛光和磨削后，随后密封入库。
酸洗所用酸液为质量分数为15％的H2SO4溶液，酸洗温度为50℃，酸洗时间30s。抛光所用混合酸液组分：H3PO4：50wt％,H2SO4:35wt％,HNO3:8wt％,H2O：7wt％。
钝化采用质量分数为15％的重铬酸钾，钝化时间为15s。
铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.5％)-Mg(0.47％)-Ce(0.62％)-Mn(0.47％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
对比例1
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例的中，采用Cu粉代替Mn粉；铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.5％)-Mg(0.47％)-Ce(0.62％)-Cu(0.47％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
对比例2
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例的中，不添加Al-Ce中间合金；铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(7.5％)-Mg(0.47％)-Mn(0.47％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
对比例3
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例的中，Al-Si中间合金的质量为850g；铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(8.5％)-Mg(0.47％)-Ce(0.62％)-Cu(0.47％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
本对比例制备的焊丝过硬，在焊丝制备工艺阶段耗费时长增加。
对比例4
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例1基本一致，不同之处仅在于：本对比例的中，Al-Si中间合金的质量为600g；铝硅基焊丝的化学组分按质量百分比为：Si(6.0％)-Mg(0.97％)-Ce(0.41％)-Mn(0.40％)，其它杂质元素单独含量≤0.05％,余量为Al。
本对比例制备的焊丝过软，在进行电弧增材制造的打印过程出丝不顺畅、连续性不好。
对比例5
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，在对铝合金线坯进行拉制时，拉制与去应力退火不交替进行，直接在多道次拉制结束后进行去应力退火。
在本对比例的焊丝制备过程中，设备出现摩擦力大受阻的情况，无法成功连续制丝，无性能对比。
对比例6
本对比例提供一种铝硅基焊丝，所述铝硅基焊丝的制备方法与实施例5基本一致，不同之处仅在于：本对比例中，在对铝合金线坯进行拉制时，每次去应力退火采用的参数相同，均为400℃，3h。
在本对比例的焊丝制备过程中，设备出现摩擦力大受阻的情况，无法成功连续制丝。
性能测试结果
1、应用CMT焊接热源，使用以上实施例1-5和对比例1-6制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造。如图1至图5所示，电弧增材制造后的沉积态样品晶粒细小，硅相细小弥散。可见，组织和性能都得到优化。
2、将实施例1-5和对比例1-6制备的铝硅基焊丝进行电弧增材制造，将制造所得试样件取样进行T6处理后进行拉伸性能测试，测试标准采用ASTM E8金属拉伸试验标准，实验设备型号为Zwick Z-100；结果如下表1所示，性能数据结果均为三个样品取样后的平均值。
表1实施例1-5和对比例1-6的拉伸性能数据
Figure BDA0002142055710000081
Figure BDA0002142055710000091
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述焊丝由如下重量百分比含量的各组分组成：Al-Si(6.5%～7.5%)-Mg(0.4%～1%)－Ce(0.4%～1%)-Mn(0.4%～0.6%)；
所述的铝硅基合金焊丝的制备方法包括如下步骤：
S1、铸造：将纯铝、Al-Si中间合金熔融后加入覆盖剂，覆盖均匀后升温进行熔炼，在熔炼所得的熔体中依次加入Mg粒、Al-Ce中间合金及Mn粉，然后添加精炼剂进行除气精炼，将精炼所得熔体静置后得到铸锭；
S2、均匀化：将步骤S1所得的铸锭进行均匀化退火，得到铸坯；
S3、挤压：将步骤S2所得的铸坯挤压成铝合金线坯；
S4、拉制：将步骤S3所得的铝合金线坯经过多道次拉制，且拉制与去应力退火交替进行，拉制的延伸率随道次递减，最后将所述铝合金线坯拉制成各种规格的焊丝；
步骤S1中，所述升温为升温至750～850℃；所述除气精炼的条件为：温度为650～750℃；所述静置的时间为30-45min。
2.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S1中， 所述覆盖剂为JZF-03型高温覆盖剂；
所述精炼剂为JZJ型无害铝合金精炼剂。
3.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述均匀化退火的步骤为：在490-510℃温度下保温24-36h。
4.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述挤压的条件为：挤压比为9-10，挤压速度为 1.5-3.0m/min。
5.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述去应力退火的温度为400-480℃，所述去应力退火的时间为3h-6h，且所述去应力退火的温度和时间随道次递增。
6.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤S4中，将所述铝合金线坯拉制成直径为0.8、1.0、1.2、1.6或2.0mm规格的焊丝。
7.根据权利要求1所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S5、表面处理：对步骤S4所得的焊丝进行酸洗、抛光和磨削。
8.根据权利要求7所述的铝硅基合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述酸洗所用酸液为质量分数为15%的H2SO4溶液，所述酸洗的温度为50-60℃，所述酸洗的时间为30-45s；
所述抛光所用混合酸液组分为：H3PO4：50wt%；H2SO4:35wt%；HNO3:8wt%； H2O：7wt%。
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