CN112518168A - 一种Al-Cu-Mg铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种Al-Cu-Mg铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Cu‑Mg铝合金材料及其制备方法，涉及铝合金增材制造技术领域。其成分包括Cu、Mg、Mn、Ti、Fe、Si、Al和难以避免的杂质元素，其中Cu的质量百分含量为4.0‑4.6％，Mg的质量百分含量为1.0‑1.4％，Mn的质量百分含量为0.4‑0.42％，Ti的质量百分含量为0.1‑0.12％，Fe的质量百分含量为0.13‑0.2％，Si的质量百分含量≤0.05％，余量为Al。同时也公开了Al‑Cu‑Mg合金的制备方法：采用双丝CMT电弧增材制造工艺进行制备合金，机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别为7.6m/min和4m/min，层间等待时间设为60s。本发明的Al‑Cu‑Mg合金具有较好的力学性能，所述的制备方法工艺简单，广泛适用于生产制造。

Description

一种Al-Cu-Mg铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Al-Cu-Mg铝合金材料及其制备方法，属于CMT电弧增材制造技术领域。
背景技术
传统的铸造、锻造、焊接等制造方式在加工过程中主要是通过凝固变形等手段达到成形的目的，而材料重量基本不发生变化，之后通过车、铣、刨、磨等切削加工手段得到希望的构件形状，但当制备精密零件时，由于结构比较复杂，需要用到以上多种工序，产品制造的周期比较长，当所用材料比较贵重时，传统切削加工耗材严重，产品制造的成本比较高，增材制造技术的出现使这些问题有了解决的途径，基于离散-堆积的原理，采用材料逐层累加的方式制造实体零件，不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，可以快速精确地制造复杂形状的实体，缩短了成型的加工周期与能源消耗，增加了成型的生产效率和材料的利用率。
冷金属过渡技术(CMT)是一种全新的MIG/MAG电弧技术，将熔滴过渡的过程和送丝/回抽的机械运动结合起来，在熔滴短路时，焊机得到短路信号后会切断电流，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，实现熔滴的冷过渡，在熔滴从焊丝上滴落后，数字控制系统再次提高焊接电流，并进一步将焊丝向前送出，之后重新生成焊接电弧，开始新一轮的焊接过程。这种“冷-热”之间的交替变化大大降低了焊接热的产生，可以避免普通短路过渡方式引起的飞溅，极大地降低热输入，还可起到细化晶粒、消除弧坑、改善成形质量的作用。
铝合金以其密度小、强度高、耐蚀性好等优异的力学性能得到学者的广泛关注，铝合金电弧增材制造工艺研究近年来成为热点。但受限于铝合金商业焊丝的种类，工业领域并没有Al-Cu-Mg三元成分的标准焊丝，而定制非标牌号焊丝的成本较高，因此目前铝合金电弧增材制造技术研究一般面向二元铝合金构件，无法对Al-Cu-Mg系三元铝合金进行系统的电弧增材制造成型研究。铝合金中元素含量及比例关系等合金成分控制方面的不足将导致材料自身性能的弱化，影响增材成型合金性能，因此合金成分的优化是发展高性能铝合金的重要方向之一，可综合提高其使用性能，对铝合金增材制造研究具有巨大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种Al-Cu-Mg铝合金材料及其制备方法，解决了Al-Cu-Mg三元成分焊丝定制难、Al-Cu-Mg系三元铝合金电弧增材制造成型研究难的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
本发明的一种Al-Cu-Mg铝合金材料，其成分包括Cu、Mg、Mn、Ti、Fe、Si、Al和难以避免的杂质元素，其中Cu的质量百分含量为4.0-4.6％，Mg的质量百分含量为1.0-1.4％，Mn的质量百分含量为0.4-0.42％，Ti的质量百分含量为0.1-0.12％，Fe的质量百分含量为0.13-0.2％，Si的质量百分含量≤0.05％，余量为Al。
所述的Cu、Mg的质量百分含量比Cu/Mg≥2.5。
本发明的一种Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，采用双丝CMT电弧增材制造工艺制备合金，所述的铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度比1≤VCu/VMg≤2。
所述的机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别为7.6m/min和4m/min，层间等待时间设为60s，通过丝材熔化堆敷制备合金。
所述的增材制造工艺采用热输入低的冷金属过渡技术。
所述的增材制造工艺采用两个送丝机构进行送丝。
所述的铝铜焊丝ER2319中Cu的质量百分含量为6.3％，铝镁焊丝ER5087中Mg的质量百分含量为5.05％。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：1、本发明通过合理调整合金元素含量，优化合金成分，提出了一种新的铝合金成分，所述的Al-Cu-Mg合金具有较好的力学性能；2、本发明所述的制备方法工艺简单，提高了生产效率，广泛适用于生产制造。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种Al-Cu-Mg铝合金材料，其成分包括Cu、Mg、Mn、Ti、Fe、Si、Al和难以避免的杂质元素，其中Cu的质量百分含量为4.0-4.6％，Mg的质量百分含量为1.0-1.4％，Mn的质量百分含量为0.4-0.42％，Ti的质量百分含量为0.1-0.12％，Fe的质量百分含量为0.13-0.2％，Si的质量百分含量≤0.05％，余量为Al。
本发明的一种Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，采用双丝CMT电弧增材制造工艺制备合金，CMT即冷金属过渡技术，适用于铝合金电弧增材制造，双丝CMT电弧增材制造工艺制备的铝合金直壁件长20cm，高5-7cm，焊缝宽6-8mm，在制造过程中控制成分质量百分含量Cu4.0-4.6％，Mg1.0-1.4％，Mn0.4-0.42％，Ti0.1-0.12％，Fe0.13-0.2％，Si≤0.05％，余量为Al。具体为：选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别为7.6m/min和4m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s，通过丝材熔化堆敷制备合金。
实施例1
Al-Cu-Mg合金各成分的质量百分含量为：Cu为4.35％，Mg为1.34％，Mn为0.41％，Ti为0.11％，Si为0.038％，Fe为0.16％，其余为Al和难以避免的杂质元素，Cu和Mg的质量百分含量比值为3.2。
制备合金的过程为：
选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别设为7.6m/min和4m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s。
对通过上述制备方法制备的合金进行拉伸和硬度性能测试，拉伸实验使用的设备为INSTRON MOBEL1186型万能试验机，实验拉伸速率为0.5mm/min，在室温下进行测试，每个实验点测试三个拉伸试样，取测试结果的平均值，获得该合金的抗拉强度为360MPa，延伸率为5.2％；硬度实验使用的设备为型号为HVS-1000Z的显微维氏硬度仪，加载力0.1Kg，实验力载荷加载时间为10s，从试样底部向顶端每间隔1mm打一点，获得该合金的硬度值为101HV。
实施例2
Al-Cu-Mg合金各成分的质量百分含量为：Cu为5.2％，Mg为0.9％，Mn为0.36％，Ti为0.13％，Si为0.05％，Fe为0.2％，其余为Al和难以避免的杂质元素，Cu和Mg的质量百分含量比值为5.7。
制备合金的过程为：
选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别设为9m/min和2m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s。
对通过上述制备方法制备的合金进行拉伸和硬度性能测试，拉伸实验使用的设备为INSTRON MOBEL1186型万能试验机，实验拉伸速率为0.5mm/min，在室温下进行测试，每个实验点测试三个拉伸试样，取测试结果的平均值，获得该合金的抗拉强度为290.3MPa，延伸率为6.1％；硬度实验使用的设备为型号为HVS-1000Z的显微维氏硬度仪，加载力0.1Kg，实验力载荷加载时间为10s，从试样底部向顶端每间隔1mm打一点，获得该合金的硬度值为105HV。
实施例3
Al-Cu-Mg合金各成分的质量百分含量为：Cu为3.47％，Mg为1.72％，Mn为0.46％，Ti为0.10％，Si为0.033％，Fe为0.13％，其余为Al和难以避免的杂质元素，Cu和Mg的质量百分含量比值为2。
制备合金的过程为：
选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别设为6m/min和5m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s。
对通过上述制备方法制备的合金进行拉伸和硬度性能测试，拉伸实验使用的设备为INSTRON MOBEL1186型万能试验机，实验拉伸速率为0.5mm/min，在室温下进行测试，每个实验点测试三个拉伸试样，取测试结果的平均值，获得该合金的抗拉强度为286MPa，延伸率为6.4％；硬度实验使用的设备为型号为HVS-1000Z的显微维氏硬度仪，加载力0.1Kg，实验力载荷加载时间为10s，从试样底部向顶端每间隔1mm打一点，获得该合金的硬度值为96HV。
实施例4
Al-Cu-Mg合金各成分的质量百分含量为：Cu为2.93％，Mg为2.15％，Mn为0.49％，Ti为0.099％，Si为0.038％，Fe为0.13％，其余为Al和难以避免的杂质元素，Cu和Mg的质量百分含量比值为1.36。
制备合金的过程为：
选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别设为5m/min和6.6m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s。
对通过上述制备方法制备的合金进行拉伸和硬度性能测试，拉伸实验使用的设备为INSTRON MOBEL1186型万能试验机，实验拉伸速率为0.5mm/min，在室温下进行测试，每个实验点测试三个拉伸试样，取测试结果的平均值，获得该合金的抗拉强度为258MPa，延伸率为5.4％；硬度实验使用的设备为型号为HVS-1000Z的显微维氏硬度仪，加载力0.1Kg，实验力载荷加载时间为10s，从试样底部向顶端每间隔1mm打一点，获得该合金的硬度值为93HV。
实施例5
Al-Cu-Mg合金各成分的质量百分含量为：Cu为1.98％，Mg为2.77％，Mn为0.55％，Ti为0.092％，Si为0.029％，Fe为0.12％，其余为Al和难以避免的杂质元素，Cu和Mg的质量百分含量比值为0.7。
制备合金的过程为：
选取1块400mm×300mm×10mm的2A12铝合金板材作为基板，选用直径1.2mm的铜质量百分含量6.3％的铝铜焊丝和直径1.2mm的镁质量百分含量5.05％的铝镁焊丝，试验前铝合金基板先用碱性溶液清洗去除油污，然后用机械打磨方法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净，基于CMT焊接技术，采用Fronius焊机一元化参数设置，选取如下工艺参数：机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别设为4m/min和8.5m/min，保护气为纯氩，送气速度为25L/min，焊道之间层间等待时间设为60s。
对通过上述制备方法制备的合金进行拉伸和硬度性能测试，拉伸实验使用的设备为INSTRON MOBEL1186型万能试验机，实验拉伸速率为0.5mm/min，在室温下进行测试，每个实验点测试三个拉伸试样，取测试结果的平均值，获得该合金的抗拉强度为220MPa，延伸率为6.5％；硬度实验使用的设备为型号为HVS-1000Z的显微维氏硬度仪，加载力0.1Kg，实验力载荷加载时间为10s，从试样底部向顶端每间隔1mm打一点，获得该合金的硬度值为86HV。
综上所述，通过上述实施例对比可知，本发明所述的Al-Cu-Mg合金具有较好的力学性能，本发明所述的制备方法工艺简单，生产效率高，广泛适用于生产制造。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种Al-Cu-Mg铝合金材料，其特征在于，其成分包括Cu、Mg、Mn、Ti、Fe、Si、Al和难以避免的杂质元素，其中Cu的质量百分含量为4.0-4.6％，Mg的质量百分含量为1.0-1.4％，Mn的质量百分含量为0.4-0.42％，Ti的质量百分含量为0.1-0.12％，Fe的质量百分含量为0.13-0.2％，Si的质量百分含量≤0.05％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Cu-Mg铝合金材料，其特征在于，所述的Cu、Mg的质量百分含量比Cu/Mg≥2.5。
3.一种Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，采用双丝CMT电弧增材制造工艺制备合金，其特征在于：设置铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度比1≤VCu/VMg≤2；层间等待时间设为60s，通过丝材熔化堆敷制备合金。
4.根据权利要求3所述的Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述的增材制造工艺采用热输入低的冷金属过渡技术。
5.根据权利要求3所述的Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述的增材制造工艺采用两个送丝机构进行送丝。
6.根据权利要求3所述的Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述的铝铜焊丝ER2319中Cu的质量百分含量为6.3％，铝镁焊丝ER5087中Mg的质量百分含量为5.05％。
7.根据权利要求3所述的Al-Cu-Mg铝合金材料的制备方法，其特征在于，机器人焊接速度设为20mm/s，铝铜焊丝ER2319和铝镁焊丝ER5087送丝速度分别为7.6m/min和4m/min。
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