CN111015013B - 一种用于2a12高强铝合金非熔化极惰性气体保护焊焊接的药芯焊丝 - Google Patents

Abstract

一种用于2A12高强铝合金非熔化极惰性气体保护焊焊接的药芯焊丝，属于铝合金焊接技术领域。采用1070半硬态纯铝带作为外皮，焊丝的填充率为20％～30％。其中药粉中各合金成分的质量百分比为：金属Cu粉含22％‑29％，微纳米陶瓷粉0.5％～25％，金属Mn粉2％‑4.5％，金属V粉1％‑2.5％，AlTi合金粉1％‑2％，金属Zr粉1.5％‑5％，稀土金属粉末1％‑6％，余量为纯铝粉。焊接成形良好，无凸起、咬边等缺陷，焊缝金属的各项性能符合工程需求。

Description

一种用于2A12高强铝合金非熔化极惰性气体保护焊焊接的药 芯焊丝

技术领域

本发明属于铝合金焊接技术领域，涉及一种铝合金药芯焊丝及其制备方法，尤其涉及一种用于焊接2A12高强铝合金的微纳米颗粒增强的药芯焊丝及其制备方法。

技术背景

铝是地壳中含量最多的金属元素，因其具有密度低、比强度高和低成本等优良性能，目前已广泛应用于航空航天、军工、轨道车辆、压力容器等领域。铝的密度是钢的三分之一，采用铝替代钢结构件可以减轻重量60％以上，随着制造业轻量化的需求日益增加，铝合金在结构部件中的使用量逐年上涨。2A12属于Al-Cu-Mg系铝合金，是一种典型的硬铝合金，具有良好综合的力学性能。2A12高强铝合金广泛的应用于建筑结构、航空航天、交通运输等领域。2A12铝合金焊接能够使用的方法包括：搅拌摩擦焊，电子束焊，等离子弧焊，TIG焊等。其中TIG焊设备简单，操作方便，是2A12铝合金最常用的焊接方法。然而由于2A12铝合金独特的物理化学性质，以及TIG焊的特点，使得2A12铝合金在TIG焊中容易出现焊接变形、焊接热裂纹敏感性高、接头晶粒粗化、接头软化严重等问题。例如采用2319铝合金焊丝对2A12铝合金进行TIG焊，接头强度系数只有母材强度的60％左右。焊缝是构件的薄弱环节，影响结构的使用寿命也制约了2A12铝合金结构件的广泛应用。已经有研究表明在熔焊焊接材料中加入少量特殊的微纳米陶瓷颗粒，通过熔滴过渡到焊缝中能够起到细化晶粒组织，预防焊接热裂纹，提高接头强度的作用，相关研究如表1所示。此外大量研究表明稀土元素可以细化焊缝组织提高焊缝强度。

表1含微纳米陶瓷颗粒的焊接材料制作方法。

上述方法虽然对于接头强度有一定提高，但是焊接材料生产过程复杂、繁琐且难以大规模工业生产。采用铝合金药芯焊丝的方法添加微纳米陶瓷颗粒和稀土金属粉更简单易行。在微纳米陶瓷颗粒和稀土金属的双重作用下可以更好的优化焊缝组织，减小焊接热裂纹倾向，提高焊态下焊缝强度。这为提高2A12铝合金熔化焊的性能提供了新的思路，也正是本发明的创新。

发明内容

本发明将药芯焊丝技术和微纳米颗粒增强、稀土金属净化作用改善组织三种机制有机结合，设计制备了一种用于2A12铝合金焊接的药芯焊丝，目的是解决现有铝合金实心焊丝直接熔焊2A12铝合金时，易产生热裂纹、热影响区组织粗大，接头强度低等问题。利用本发明设计制备的铝合金药芯焊丝，可以通过在药芯配方中调整增强相颗粒及稀土金属的成分，实现对焊缝显微组织和力学性能的优化，提高2A12铝合金接头强度。本发明可以在保证焊缝金属化学成分、力学性能、耐腐蚀性能满足国家相关要求的情况下，显著降低焊缝热裂纹倾向，细化焊缝晶粒尺寸，获得成型美观，强度较高，性能优良的焊接接头。

本发明通过以下技术方案来实现：一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，采用1070半硬态纯铝带作为外皮，焊丝的填充率为20％～30％。药粉由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100％，其中药粉中各合金成分的质量百分比为：金属Cu粉含22％-29％，微纳米陶瓷粉0.5％～25％，金属Mn粉2％-4.5％，金属V粉1％-2.5％，AlTi合金粉1％-2％，金属Zr粉1.5％-5％，稀土金属粉末1％-6％，余量为纯铝粉。钛铝合金中钛铝质量比为1:1。

上述微纳米陶瓷粉包括TiC、ZrC、SiC、TiN、ZrN、TiB2等中的至少一种，粒径在20nm～120μm，纯度大于99.9％，粉末形状为球形或近球形，可以任意质量比例混合。

稀土为Sc、Er、Zr，添加方式为：单独添加Sc、Er元素或者按以下质量比混合：Sc和Zr复合添加，其中Sc、Zr质量比为1:2；Er和Zr复合添加，其中Er、Zr的质量比为1:2。稀土粉以高纯粉的形式添加，为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，Sc和Er的纯度为99.9％-99.99％，Zr的纯度为99.5％-99.8％，氧含量均低于50ppm。

所述Mn粉、V粉、Cu粉等金属粉以纯度大于99.9％的高纯金属粉的形式加入；金属粉末为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，氧含量低于50ppm。

所述的钛铝合金粉以纯度大于99.9％的高纯化合物的形式添加；粉末粒度为150-250μm，氧含量低于50ppm。

进一步优选其中金属Mn粉与金属Cu粉质量比例控制在0.1～1.0之间，钒与钛铝合金粉的质量比控制在0.8～1.5之间。

如上述的用于2A12铝合金焊接的药芯焊丝，其中外皮为纯度大于99.5％的1070半硬态纯铝带。

表2 1070铝带力学性能

牌号	供货状态	抗拉强度/MPa	延伸率/％	硬度/Hv
					1070	H24(半硬)	125	6	40

制备方法：将上述采用机械搅拌的方式搅拌均匀，选用宽度为10～16mm，厚度为0.6～1.0mm的1070纯铝带为填充丝的外皮，将1070纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，并将其轧制成U型槽填入混合均匀的药粉，药粉重量是焊丝重量的20％～30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，剥皮、校直得到焊丝成品，生产流程示意图如图1所示。

成品焊丝直径为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、3.0mm。其中铝带宽度、厚度与焊丝成品直径间的对应关系为：

表3铝带宽度、厚度与焊丝直径对应表

铝带宽度(mm)	16	16	14	14	12	10	10
								铝带厚度(mm)	0.6	0.6	0.7	0.8	0.8	1.0	1.0
焊丝直径(mm)	3.0	2.4	2.0	1.6	1.4	1.2	1.0

本发明所述的铝合金药芯焊丝用于2A12铝合金TIG焊接，电流为60～240A，保护气体为纯度大于99.9％的高纯氩气。

所述药芯填充丝的组分及作用如下：

①合金粉末：

Cu：主要强化合金，向焊缝金属中过渡铜元素。

Mn：消除杂质元素的有害影响，提高耐腐蚀性能。

钛铝合金：细化晶粒，提高焊缝强度，减小焊接裂纹倾向。

Zr：促进异质形核，细化晶粒，提高焊缝强度。

V：细化再结晶组织，细化晶粒。

②微纳米陶瓷增强颗粒：细化焊接接头晶粒尺寸，修饰晶粒及析出相形貌，减少热裂纹敏感性，提高焊缝强度。

③稀土金属：净化合金，改善组织，抑制再结晶。

微纳米陶瓷增强颗粒具体作用及机理表现为：

添加TiC、ZrC、SiC、TiN、ZrN等微纳米颗粒不会稀释合金强化元素，不会降低材料的强度。有助于减缓焊缝区、熔合区枝晶生长，细化晶粒，强化颗粒弥散分布在焊缝中，钉扎位错，阻止位错运动，提高接头强度；修饰焊缝区和熔合区晶粒以及析出的第二相形貌，改善了焊缝区和熔合区晶粒形状，使枝晶+柱状晶的晶粒组合变为近似球形，使第二相变得细小、弥散，第二相的晶体学朝向更为随机，细化的二次相和枝晶组织更容易变形和弥补凝固过程收缩引起的应变，减小热裂纹敏感性，焊缝的力学性能提高。

添加Sc、Er、Zr等合金元素具体作用及机理表现为：

添加Sc可以净化合金、改善组织、抑制再结晶在凝固过程中形成的初生Al3Sc相还可显著细化合金组织晶粒，而弥散析出的二次Al3Sc颗粒可强烈抑制再结晶，提高合金的强度。Er元素的加入可以在凝固过程中生成Al3Er，起到异质形核的作用。此外稀土元素Sc和Er在液态铝合金中对氢有较强的亲和力，可以大量的吸附和溶解氢并能够形成稳定的化合物，从而可以抑制氢气孔的产生。在Sc粉和Er粉中复合添加Zr粉可以起到以下作用：Sc元素还可以与Zr元素交互作用，和铝合金基体生成二次相Al3(ScxZr1-x)在焊缝中起到强化作用。复合添加Sc元素和Zr元素会生产二次相Al3(Er1-xZrx)，在焊缝中起到弥散强化的作用。

本发明的高强铝合金填充丝采用99.99％高纯Ar作为保护气体，焊接成形良好，无凸起、咬边等缺陷，焊缝金属的各项性能符合工程需求。该铝合金药芯焊丝易于加工成型、成本低廉，操作工艺简单、方便、高效、适应性好、易于推广，解决了铝合金TIG焊接时晶粒组织粗大，热裂纹敏感，接头软化的问题，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1药芯焊丝生产流程示意图；

图2混合粉末加热示意图；

图3鱼骨状试件尺寸。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。以下实例中的微纳米陶瓷增强颗粒包括TiC、ZrC、SiC、TiN、ZrN，微纳米陶瓷粉的尺寸为20nm～120μm，稀土金属颗粒包括Sc、E，粉末粒度为150-250μm，金属粉包括金属Cu，金属Cr，金属Zr，钛铝合金粉，金属V粉，焊丝的填充率为20～30％，且金属Cu粉：150-250μm，金属Mn锰粉：150-250μm，金属V粉：150-250μm，金属Zr粉：150-250μm，钛铝合金粉：150-250μm；将上述粉末通过机械均匀混合后，加热至150℃真空加热，保温3小时，除去粉末中的水分，加热示意图如下图所示。

表4表示根据母材厚度和TIG焊接电流选取合适直径的填充药芯丝。

表4 TIG焊推荐使用的填充药芯

电流I(A)	60～110	110～160	160～220
				板厚(mm)	1～4	4～7	≥7
填充丝直径(mm)	1.0～1.6	1.6～2.0	2.0～3.0

上述表格中板厚(mm)的端点值可以取任意所含的情况，如4mm的时候可以选取第一列的技术，也可以选取第二列的技术。

实施例1

用于2A12高强铝合金TIG焊接的铝合金药芯焊丝采用1070半硬态纯铝带外皮10×1.0mm，填充率为20％，焊丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为1.0mm；药芯的化学组成(重量％)如下：其中金属Cu粉为23％，金属Mn粉的含量为3％，金属V粉的含量为2％，钛铝合金粉含量为1.5％，金属Zr粉的含量为2％；复合微纳米陶瓷颗粒为TiC：8％；稀土金属粉末为Sc粉含量为1.5％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为17L/min，焊接电流80A，电压18V。

实施例2

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮10×1.0mm，填充率为22％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：24％，金属Mn粉：3.5％，金属V粉：1.5％，钛铝合金粉：1.5％，金属Zr粉：2.5％；复合微纳米陶瓷颗粒为TiC:10％，ZrC：10％；稀土金属为Er：2％；余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为18L/min，焊接电流100A，电压20V。

实施例3

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮12×0.8mm，填充率为24％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为1.4mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：25％，金属Mn粉：2.5％，金属V粉：2％，钛铝合金粉：1.5％，金属Zr粉：3％；微纳米陶瓷颗粒为TiN:18％；稀土金属粉为Sc+Zr其中Sc：2％，Zr：4％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为15L/min，焊接电流120A，电压21V。

实施例4

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮14×0.8mm，填充率为26％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为1.6mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：26％，金属Mn粉：3.5％，金属V粉：1％，钛铝合金粉：1.6％，金属Zr粉：4％；复合微纳米陶瓷颗粒为ZrN:22％；稀土金属粉为复合添加Er粉Zr粉其中：Er粉2％，Zr粉4％；余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为18L/min，焊接电流150A，电压23V。

实施例5

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮14×0.7mm，填充率为28％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为2.0mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：28％，金属Mn粉：3.5％，金属V粉：1.5％，钛铝合金粉：1.8％，金属Zr粉：3.4％；复合微纳米陶瓷颗粒为SiC:18％，稀土金属粉为Sc粉：2.5％；余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为17L/min，焊接电流180A，电压24V。

对比例1

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮14×0.6mm，填充率为30％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为2.0mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：27％，金属Mn粉：4％，金属V粉：1.75％，钛铝合金粉：2％，金属Zr粉：5％；复合微纳米陶瓷颗粒为TiC：23.5％；余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为18L/min，焊接电流200A，电压24V。

对比例2

用于2A12高强铝合金TIG焊接的药芯焊丝采用1070纯铝带外皮14×0.6mm，填充率为30％，填充丝经拉拔、减径、剥皮、校直、切断后直径为2.0mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Cu粉：27％，金属Mn粉：4％，金属V粉：1.75％，钛铝合金粉：2％，金属Zr粉：5％，稀土金属粉为Er粉：3％，余量为纯铝粉。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为17L/min，焊接电流180A，电压24V。

对比例3

对于2A12高强铝合金，仅采用常规TIG施焊，填充丝选用ER 2319实芯焊丝，焊丝直径1.2mm。采用99.99％纯氩气作为保护气，气流量为18L/min，TIG焊接电流160A，焊接电压22V。

表5实施例1-5及对比例1-3中所使用的1070纯铝带及ER2319铝合金焊丝的化学成分(wt％)

	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	V	Zr
											1070	0.022	0.167	0.005	0.008	0.015	/	0.025	0.019	/	/
ER2319	0.13	0.16	6.2	0.24	0.009	0.003	0.01	0.14	0.08	0.13

对实施例1-5及对比例1-3中的焊接材料对2～10mm厚的2A12铝合金试板焊接，采用直流反接法，焊接电流：80～220A，焊接电压：18-24V，焊接速度6-30cm/min，气体流量15-20L/min。在平焊及角焊位置施焊，观察焊接过程。焊后试板加工成标准拉伸试样测试抗拉强度和延伸率，取得焊接接头的金相试样，采用线性截距法测量焊缝的平均晶粒尺寸。

药芯焊丝的抗裂性测试采用2A12铝合金板，试板加工成鱼骨状可变拘束试样，试板尺寸为90mm×50mm×3mm，试板示意图如图3所示。

采用实例1-5及对比例1-3的焊接材料焊接试板，测定裂纹的长度(5个试件的平均值)。结果表明：在专利配方范围内的焊丝，其焊接过程中工艺性良好，焊缝成形美观，力学性能及抗裂性优良；但在专利配方范围外或未使用本专利焊接方法的焊丝，其焊接的总体工艺性，力学性能及抗裂性表现不佳。各实施例焊接性能测试结果对比见表6。

表6各实施例及对比例的药芯配比及性能对比如下：

[1]Sokoluk M.,Cao C.,Pan S.et al.Nanoparticle-enabled phase controlfor arc welding of unweldable aluminum alloy 7075[J].Nat Commun,2019,10(1):98.

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[3]胡清华,张义福,熊斯,唐鑫.SiC_p/Al-5Mg复合焊丝焊接7075铝合金TIG焊接工艺及接头组织性能分析[J].稀土金属,2019,43(10):1023-1031.

Claims (10)

1.一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，采用1070半硬态纯铝带作为外皮，焊丝的填充率为20%~30%；药粉由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100 %，其中药粉中各合金成分的质量百分比为：金属Cu粉含22%-29%，微纳米陶瓷粉0.5%~25%，金属Mn粉2%-4.5%，金属V粉1%-2.5%，钛铝合金粉1%-2%，金属Zr粉1.5%-5%，稀土金属粉末1%-6%，余量为纯铝粉；钛铝合金中钛铝质量比为1:1。

2.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，上述微纳米陶瓷粉包括TiC、ZrC、SiC、TiN、ZrN、TiB₂中的至少一种，粒径在20nm~120μm，纯度大于99.9%，粉末形状为球形或近球形。

3.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，稀土为Sc、Er，添加方式为：单独添加Sc、Er元素。

4.按照权利要求3所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，稀土金属粉以高纯粉的形式添加，为球形或近球形，粉末粒度为150-250µm，Sc和Er的纯度为99.9%-99.99%，氧含量均低于50ppm。

5.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，所述Mn粉、V粉、Cu粉的金属粉以纯度大于99.9%的高纯金属粉的形式加入；金属粉末为球形或近球形，粉末粒度为150-250µm，氧含量低于50ppm。

6.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，所述的钛铝合金粉以纯度大于99.9%的高纯化合物的形式添加；粉末粒度为150-250µm，氧含量低于50ppm。

7.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，其中金属Mn粉与金属Cu粉质量比例控制在0.1~1.0之间，钒与钛铝合金粉的质量比控制在0.8~1.5之间。

8.按照权利要求1所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝，其特征在于，其中外皮为纯度大于99.5%的1070半硬态纯铝带。

9.权利要求1-8任一项所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将上述药粉采用机械搅拌的方式搅拌均匀，选用宽度为10~16mm，厚度为0.6~1.0mm的1070纯铝带为填充丝的外皮，将1070纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，并将其轧制成U型槽填入混合均匀的药粉，药粉重量是焊丝重量的20%~30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，剥皮、校直得到焊丝成品。

10.权利要求1-8任一项所述的一种用于2A12高强铝合金焊接的药芯焊丝的应用，用于2A12铝合金TIG焊接，电流为60~240A，保护气体为纯度大于99.9%的高纯氩气。

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