CN112281032A - 一种铝合金焊材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金焊材的制备方法，其特征在于：该焊材质量百分比组成为Mg：4.5～7.5％、Mn：0.1～1％、Zn：0.2～1.2％、Ti：0.01～0.12％、Sc：0.02～0.6％、Zr：0.02～0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al；该焊材的制备包括以下步骤：1)通过熔铸得到铝合金圆铸锭，铸锭规格Φ100～Φ400mm。本发明利用连续挤压方法将Φ9.0～Φ9.5mm线坯一次性连续挤压至Φ3.0～Φ3.5mm，无需进行多道次拉拔与中间退火，且不存在断丝问题，连续挤压能极大简化焊材生产工序，缩短生产周期，提高成品率，降低焊材加工成本。利用连续挤压，提高了单道次的挤压比，使得焊材获得更细小的晶粒、且材料的性能更加均匀。

Description

一种铝合金焊材的制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，具体涉及一种铝合金焊材的制备方法。
背景技术
目前国内成熟铝合金焊丝工业化生产基本采用铸造-挤压-拉拔的方法，随着焊材加工技术的发展，连铸连轧法和水平连铸连拉法也应用到焊材制备加工领域，但仍难以取代挤压、拉拔成型技术。铸造-挤压-拉拔法制备铝合金焊材工艺成熟、产品质量稳定，广泛应用于铝合金焊材生产。铝合金挤压可获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向应力作用，焊丝合金中粗大脆性第二相，夹渣等缺陷在挤压过程中发生变形、破碎，能显著改善铝合金的强韧性。
传统挤压-拉拔工艺制备铝合金焊材通常是将Φ9.5mm线坯对接后，使用多道次拉拔和中间退火，最终得到所需直径规格的线材。但添加稀土、过渡族元素的铝合金焊丝组织复杂，因铸锭的成分偏析、组织差异等，焊材从Φ9.5mm拉拔至Φ3.0mm左右时，工艺参数匹配困难导致在焊材加工中可能导致材料塑性不均匀，极易断丝、开裂且加工硬化严重，造成焊材塑性成型性差、成品率低等问题。
因此，使用当前的挤压-拉拔加工方法制备稀土、过渡族元素微合金化的焊材仍会出现诸多技术瓶颈，需根据焊材材料成分特性对加工工艺进行设计优化。
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现状而提供一种综合性能良好且缩短生产周期、提高成品率的铝合金焊材的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金焊材的制备方法，该焊材质量百分比组成为Mg：4.5～7.5％、Mn：0.1～1％、Zn：0.2～1.2％、Ti：0.01～0.12％、Sc：0.02～0.6％、Zr：0.02～0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al；其特征在于：该焊材的制备包括以下步骤：
1)通过熔铸得到铝合金圆铸锭，铸锭规格Φ100～Φ400mm；
2)对铸锭进行均匀化退火处理，然后锯切、车皮；
3)将铸锭挤压至Φ9.0～Φ9.5mm，挤压前在440～460℃下热处理4～6h，挤压筒温度420～440℃，挤压模具温度420～440℃，挤压速度0.5～2m/min；
4)将线坯表面氧化皮清理干净，将Φ9.0～Φ9.5mm线坯连续挤压至Φ3.0～Φ3.5mm，连续挤压送线速度900～2000mm/min，控制挤压腔内金属温度400～480℃；
5)将连续挤压后的线材拉拔至Φ2.50～Φ2.80mm，进行中间退火，然后进行刮削，刮削后经水箱多模拉拔、清洗、烘干得到Φ1.60mm或Φ1.20mm的焊丝。
铸锭挤压前对铸锭进行440～460℃加热4～6h处理，确保铸锭表面与内部充分加热，降低铸锭硬度，保证铸锭顺利挤压，获得表面光整，内部组织均匀的线坯，利于后期连续挤压；为防止铸锭散热过快，将挤压筒与挤压模具加热至420～440℃。挤压筒与挤压模具加热温度稍低于铸锭加热温度，挤压过程中释放的热量对挤压筒和挤压模具进行加热，通过速度控制达到铸锭、挤压筒和挤压模具温度平衡。
该步骤连续挤压工艺利用线坯变形与挤压轮之间摩擦产生热量对材料进行升温，挤压速度快慢可控制温度高低。本发明线坯送线速度900～2000mm/min，当温度过低，适当加快挤压速度，当温度过高，则降低挤压速度，控制温度400～480℃。当温度低于400℃，挤压阻力增大，挤压后的线材表面易出现划痕、裂纹等缺陷，当挤压阻力大到一定值，甚至不能挤压；当温度高于480℃，挤压线材成型差，直径偏差大，成品焊丝合格率低。
作为优选，所述步骤2)中均匀化退火分为两阶段，第一阶段为350～400℃下保温3～8h；第二阶段为将温度升高到450～480℃，保温15～20h。
本发明铸锭采用(350～400℃)/(3～8h)+(450～480℃)/(15～20h)双级均匀热处理制度，第一级均匀化热处理制度(350～400℃)/(3～8h)，使固溶在组织中的Sc、Zr元素充分析出，形成大量细小弥散分布的Al3(Sc、Zr)粒子，强化合金组织；第二级均匀化热处理制度(450～480℃)/(15～20h)，充分消除铸锭非平衡相及铸锭缺陷。本发明合金铸锭双级均匀化热处理，一方面析出Al3(Sc、Zr)相，该第二相在焊缝中具有强大的细化焊缝晶粒的能力，极大提高焊接接头强度和焊缝延伸率；另一方面形成组织均匀和性能均匀的铸锭组织，为后续Φ9.0～Φ9.5mm线坯实现连续奠定基础。使用不合适的均匀化热处理制度，铸锭缺陷很容易转移至Φ9.0～Φ9.5mm线坯中，再经过连续挤压之后，缺陷分布在线材表面和组织内部，形成裂纹、空心、夹层等，最终得到不合格焊丝产品。
作为优选，所述的步骤5)中中间退火为420～460℃保温1～2h。
将拉拔至Φ2.5～Φ2.8mm后需进行(420～460℃)/(1～2h)退火处理，是由于本发明针对的合金成分由Φ3.0～Φ3.5mm线材经过拉拔之后，会产生严重加工硬化，线材抗拉强度大于500MPa，经过退火处理后，线材组织再结晶并长大，硬度降低，为后续刮削加工、水箱拉拔等奠定组织基础。
作为优选，所述的步骤5)中刮削量为0.05～0.15mm。
作为优选，所述步骤1)中原料在真空熔炼炉设备中熔炼，抽真空至10Pa以下开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至400～600℃，往真空炉内充惰性气体至真空值800～1500Pa；继续升温至850～1000℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌10～25min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置5～15min后，将金属液转移至结晶器中得到焊丝铸锭。
作为优选，所述的步骤4)中采用comform连续挤压。
作为优选，焊材的抗拉强度大于480MPa，延伸率大于6％，焊材松弛直径400～600mm，翘距小于5mm。
本发明的优点在于：
1)本发明铝合金焊材铸锭采用真空熔炼的方法，在隔绝空气的负压环境中进行熔炼，一方面提高合金纯净度，降低合金中氢含量。高纯净度铝合金铸锭提高了合金挤压、拉拔、刮削的加工性能，同时提高了成品焊丝品质，减少或消除铝合金焊缝气孔形成；另一方面，熔炼过程中避免与空气接触，极大降低合金元素烧损。
2)本发明利用连续挤压方法将Φ9.0～Φ9.5mm线坯一次性连续挤压至Φ3.0～Φ3.5mm，无需进行多道次拉拔与中间退火，且不存在断丝问题，连续挤压能极大简化焊材生产工序，缩短生产周期，提高成品率，降低焊材加工成本。利用连续挤压，提高了单道次的挤压比，使得焊材获得更细小的晶粒、且材料的性能更加均匀。
3)先将线坯加工至Φ3.0～Φ3.5mm，然后通过退火、拉拔、刮削、清洗等工序进一步优化线材内部组织、表面质量和焊材硬度等，获得高品质铝合金焊材。
4)与使用常规熔铸-挤压-拉拔加工方法制备的焊丝相比，两者强度相差不大，但本发明方法制备的焊丝松弛直径400～600mm，翘距小于5mm，综合性能优异，更加有利于焊丝的送丝稳定性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：4.5％、Mn：1％、Zn：1.2％、Ti：0.12％、Sc：0.02％、Zr：0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。
该焊材的制备包括以下步骤：
1)将配好的原料放在真空熔炼设备中熔炼，抽真空至9Pa开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至400℃，往真空炉内充惰性气体至真空值800Pa；继续将熔体升温至850℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌10min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置10min后，浇铸得到Φ100mm铝合金圆铸锭。
2)对铸锭进行均匀化退火处理，均匀化火热处理制度：350℃/3h+450℃/15h，然后定尺锯切，去除铸锭表面缺陷。
3)将铸锭挤压至Φ9.5mm，挤压前将铸锭440℃/6h加热，挤压筒温度420℃，挤压模具温度420℃，挤压速度2.0m/min。
4)使用钢丝刷清理干净线坯表面氧化皮，并用并丙酮清洗线坯表面油污，确保线坯表面无缺陷、油污及毛刺等，使用comform连续挤压工艺将Φ9.5mm线坯挤压至Φ3.0mm。控制挤压腔内温度400℃，挤压送线速度900mm/min。
5)将Φ3.0mm线材拉拔至Φ2.58mm，之后进行中间退火处理，退火制度为420℃/1h；退火后进行刮削，刮削量为0.05mm；刮削后经水箱多模拉拔、超声波清洗、干燥等，得到Φ1.20mm规格焊丝。
实施例2：
本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：5.5％、Mn：0.8％、Zn：0.8％、Ti：0.08％、Sc：0.2％、Zr：0.2％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。
该焊材的制备包括以下步骤：
1)将配好的原料放在真空熔炼设备中熔炼，抽真空至8Pa开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至450℃，往真空炉内充惰性气体至真空值1000Pa；继续升温至850℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌15min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置5min后，浇铸得到Φ300mm铝合金圆铸锭。
2)对铸锭进行均匀化退火处理，均匀化火热处理制度：400℃/5h+480℃/18h，然后定尺锯切、去除铸锭表面缺陷。
3)将铸锭挤压至Φ9.5mm，挤压前经450℃/4h加热处理，挤压筒温度440℃，挤压模具温度440℃，挤压速度1.5m/min。
4)使用钢丝刷清理干净线坯表面氧化皮，并用并丙酮清洗线坯表面油污，确保线坯表面无任何缺陷、油污及毛刺等，使用comform连续挤压设备将Φ9.5mm线坯挤压至Φ3.15mm。控制挤压腔内温度430℃，挤压送线速度1400mm/min。
5)将Φ3.15mm线材拉拔至Φ2.65mm，之后进行中间退火处理，退火制度为450℃/1h；然后进行刮削，刮削量为0.15mm；刮削后经水箱多模拉拔、超声波清洗、干燥等，得到Φ1.20mm规格焊丝。
实施例3
本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：6.5％、Mn：0.5％、Zn：0.4％、Ti：0.05％、Sc：0.4％、Zr：0.1％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。
该焊材的制备包括以下步骤：
1)将配好的原料放在真空熔炼设备中熔炼，抽真空至5Pa开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至500℃，往真空炉内充惰性气体至真空值1200Pa；继续升温至900℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌10min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置10min后，浇铸得到Φ300mm铝合金圆铸锭。
2)对铸锭进行均匀化退火处理，均匀化火热处理制度：400℃/3h+480℃/15h，然后定尺锯切、去除铸锭表面缺陷。
3)将铸锭挤压至Φ9.0mm，挤压前经460℃/4h加热处理，挤压筒温度420℃，挤压模具温度420℃，挤压速度1.0m/min。
4)使用钢丝刷清理干净线坯表面氧化皮，并用丙酮清洗线坯表面油污，确保线坯表面无任何缺陷、油污及毛刺等，使用连续挤压工艺将Φ9.50mm线坯挤压至Φ3.26mm。控制挤压腔内温度450℃，挤压送线速度1800mm/min。
5)将Φ3.26mm线材拉拔至Φ2.75mm，之后进行中间退火处理，退火制度为450℃/1h；然后进行刮削，刮削量为0.10mm；刮削后经水箱多模拉拔、超声波清洗、干燥等，得到Φ1.60mm规格焊丝。
实施例4
本实施例铝合金焊材的质量百分比为Mg：7.5％、Mn：0.1％、Zn：0.2％、Ti：0.01％、Sc：0.6％、Zr：0.02％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al。
该焊材的制备包括以下步骤：
1)原料在真空熔炼炉设备中熔炼，抽真空至5Pa开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至600℃，往真空炉内充惰性气体至真空值1500Pa；继续升温至1000℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌25min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置15min后，浇铸得到Φ400mm铝合金圆铸锭。
2)对铸锭进行均匀化退火处理，均匀化火热处理制度：350℃/8h+480℃/20h，然后定尺锯切、去除铸锭表面缺陷。
3)将铸锭挤压至Φ9.5mm，挤压前经460℃/6h加热处理，挤压筒温度440℃，挤压模具温度440℃，挤压速度0.5m/min。
4)使用钢丝刷清理干净线坯表面氧化皮，并用并丙酮清洗线坯表面油污，确保线坯表面无任何缺陷、油污及毛刺等，使用连续挤压工艺将Φ9.5mm线坯挤压至Φ3.50mm。控制挤压腔内温度480℃，挤压送线速度2000mm/min。
5)将Φ3.50mm线材拉拔至Φ2.80mm，之后进行中间退火处理，退火制度为460℃/2h；，然后进行刮削，刮削量为0.15mm；刮削后经水箱多模拉拔、超声波清洗、干燥等，得到Φ1.60mm规格焊丝。
对比例：
对比例铝合金焊材的成分与实施例1相同。
该焊材的制备包括以下步骤：
1)原料配制好后在非真空中频炉中熔炼，得到Φ200mm铝合金圆铸锭。
2)对铸锭进行均匀化退火处理，均匀化火热处理制度：350℃/8h+480℃/20h，然后定尺锯切、去除铸锭表面缺陷。
3)将铸锭挤压至Φ9.5mm，挤压前经460℃/6h加热处理，挤压筒温度440℃，挤压模具温度440℃，挤压速度0.5m/min。
4)使用拉拔工艺方法将Φ9.5mm线坯，经9道次拉拔得到Φ2.54mm线材，每两道次拉拔中间进行450℃/1h退火。
5)对Φ2.54mm线材进行刮削，刮削量0.1mm，刮削后经水箱多模拉拔、超声波清洗、干燥等，得到Φ1.60mm规格焊丝。
对于制备得到的4个实施例和对比例1的合金分别进行力学性能检测：室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行；氢含量按照《GJB5909-2006铝及铝合金中氢的测定加热提取法热导法》进行测试；松弛直径和翘距参照《JB/T56098-1999铝和铝合金焊丝产品质量分等》进行测量。具体测试结果见表1。
表1实施例、对比例铝合金焊材的力学性能
Figure BDA0002733728790000071
本发明方法制备的焊丝松弛直径400～600mm，翘距小于5mm，更加有利于焊丝的送丝稳定性。对比例1中焊丝松弛直径325mm，翘距15mm，在送丝过程中阻力大于本发明方法制备的焊丝，易造成堵丝和断弧。本发明制备方法制备的焊丝合金氢含量远小于对比例方法制备的焊丝，焊丝品质更佳。

Claims (7)

1.一种铝合金焊材的制备方法，该焊材质量百分比组成为Mg：4.5～7.5％、Mn：0.1～1％、Zn：0.2～1.2％、Ti：0.01～0.12％、Sc：0.02～0.6％、Zr：0.02～0.35％，Fe≤0.2％，Si≤0.15％，余量为Al；其特征在于：该焊材的制备包括以下步骤：
1)通过熔铸得到铝合金圆铸锭，铸锭规格Φ100mm～Φ400mm；
2)对铸锭进行均匀化退火处理，然后锯切、车皮；
3)将铸锭挤压至Φ9.0mm～Φ9.5mm，挤压前在440～460℃下热处理4～6h，挤压筒温度420～440℃，挤压模具温度420～440℃，挤压速度0.5～2m/min；
4)将线坯表面氧化皮清理干净，将Φ9.0～Φ9.5mm线坯连续挤压至Φ3.0～Φ3.5mm；连续挤压送线速度900～2000mm/min，控制挤压腔内金属温度400～480℃；
5)将连续挤压后的线材拉拔至Φ2.50～Φ2.80mm，进行中间退火，然后进行刮削，刮削后经水箱多模拉拔、清洗、烘干得到Φ1.60mm或Φ1.20mm的焊丝。
2.根据权利要求1所述的铝合金焊材的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中均匀化退火分为两阶段，第一阶段为350～400℃下保温3～8h；第二阶段为将温度升高到450～480℃，保温15～20h。
3.根据权利要求1所述的铝合金焊材的制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中中间退火为420～460℃保温1～2h。
4.根据权利要求1所述的铝合金焊材的制备方法，其特征在于：所述的步骤5)中刮削量为0.05～0.15mm。
5.根据权利要求1所述的铝合金焊材的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中原料在真空熔炼炉设备中熔炼，抽真空至10Pa以下开始升温熔化，待熔炼炉内温度升至400～600℃，往真空炉内充惰性气体至真空值800～1500Pa；继续升温至850～1000℃，合金完全熔化后往熔体底部通入惰性气体，并机械搅拌10～25min；搅拌结束后停止通惰性气体，静置5～15min后，将金属液转移至结晶器中得到焊丝铸锭。
6.根据权利要求1所述的铝合金焊材的制备方法，其特征在于：所述的步骤4)中采用comform连续挤压。
7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的含钪铝合金焊丝制备方法，其特征在于：焊材的抗拉强度大于480MPa，延伸率大于6％，焊材松弛直径400～600mm，翘距小于5mm。
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