CN112941380A - 一种高强变形铝合金及固态焊接方法 - Google Patents

一种高强变形铝合金及固态焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种高强变形铝合金及固态焊接方法，属于铝合金技术领域，涉及一种高强度变形铝合金的获得以及固态焊接方法。调节合金元素组分：Zn7.2～8.2w.t％，Mg2.0～3.0w.t％，Cu0.4～0.8w.t％，Mn0.2～0.5w.t％，Er0.1～0.15w.t％，Zr0.1～0.15w.t％，Ti0.1～0.2w.t％，Cr0.1～0.2w.t％，余量为Al。制备方法如下步骤：配料，熔炼，细化变质，精炼处理，热处理，热挤压处理，焊接处理。本发明的特点在于Er、Zr微合金化及旋转摩擦焊。本发明方法制造的Al‑Zn‑Mg‑Cu系变形高强铝合金具有高强度和高硬度，韧性好的有益效果。

Description

一种高强变形铝合金及固态焊接方法
技术领域
本发明涉及铝合金的焊接方法，具体是涉及一种高强变形铝合金薄壁管材的获得及固态焊接方法。
背景技术
近年来随着我国金属行业领域的快速发展，铝及铝合金材料受到了越来越广泛的关注。由于铝合金管材具有成型性好，易加工等优点，所以铝合金管材被广泛应用到工业领域，例如航天航天领域中火箭的动力传输系统燃料燃烧推进管路、大型客机压缩空气管路、空间飞行器中的生命保障系统管路，在化工能源等领域也有广泛的应用。
Al-Zn-Mg-Cu合金的Er、Zr微合金化是通过将Er、Zr元素在铝中的多元复合添加，由于Er、Zr元素间的相互协同作用，合金中形成的析出相可以综合各种元素的优点，从而达到提高或改善合金的力学性能。所以，铝合金的复合微合金化将会是未来开发高性能铝合金的重要手段，也将会成为铝合金研究领域的热点。
Al-Zn-Mg-Cu系铝合金具有高强度、高硬度、优异的断裂韧、成型性好等优点，多用于变形合金，如通过热挤压形成管材从而应用。通常在实际运用中由于管材形状较为复杂，这也给管材的焊接带来了一定的困难。通常的焊接方法有电弧熔化焊、钎焊等。电弧熔化焊是利用局部在热源将焊件的接合处熔化，不加压力使之相互熔合，冷却凝固后形成接头。但是电弧熔化焊往往存在铝合金表面覆有氧化膜、铝合金熔池表面张力低等问题，从而导致焊接过程中存在烧穿、未焊透、气孔、夹杂等缺陷。钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。但是钎焊往往会面临焊接接头间隙部分未填满、钎料只在一面填充，未完成圆角，钎缝表面粗糙、钎料流到不需要钎料的工件的表面或者滴落等问题。
旋转摩擦焊(简称RFW)是固相连接方法之一，属于压焊的一种。焊接接头质量高。摩擦焊接头不会出现冶金缺陷和焊接脆化现象，如裂纹、咬边、偏析、气孔等问题。特别是对Al-Zn-Mg-Cu系铝合金管材进行旋转摩擦焊处理，在顶锻压力及轴向压力作用下，结合面会产生一些热－力－机械条件下的力学冶金效应，如晶粒细化、夹杂物弥散分布、组织致密及摩擦表面的清理作用等。此外，旋转摩擦焊的焊接热输入高、热影响区较窄。这些都有可以获得优质的焊接接头。
因此，Er、Zr微合金化高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金管材的固态焊接方法有待研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题与不足，提供了：(1)一种高强变形Al-Zn-Mg-Cu系铝合金薄壁管材的制备方法，(2)一种焊接接头具有高强度，优异的断裂韧性的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金薄壁管材焊接方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高强变形铝合金及固态焊接方法，包括如下步骤：
步骤一：配料
称取原材料，使得称取的原材料包括如下质量百分比含量的各元素组分Zn7.2～8.2w.t％，Mg2.0～3.0w.t％，Cu0.4～0.8w.t％，Mn0.2～0.5w.t％，Er0.1～0.15w.t％，Zr0.1～0.15w.t％，Ti0.1～0.2w.t％，Cr0.1～0.2w.t％，余量为Al；
步骤二：预热
将除纯Mg，纯Zn，Al-Er中间合金外的其他原材料在400℃-450℃保持2-4小时；
步骤三：加料
将已预热的原材料加入已预热的坩埚中的顺序为：先加入Al，再依次加入Al-Cu、Al-Mn，Al--Zr，Al-Ti，Al-Cr中间合金；待炉料熔化后，在730℃～740℃时加纯Mg、纯Zn，扒渣，搅拌；780℃以上加入Al-Er中间合金，扒渣，搅拌；
步骤四：精炼，变质处理
精炼处理为撒入2#精炼剂，2#精炼剂成分重量比为：Na2CO3占3-8％，Na2SiF6占20-25％，AlF3占6-9％，余量为NaCl。精炼，再用95％氩+5％氯混合气体精炼10min～20min，静置20min～30min；采用Alpur双转子除气装置在线除气，同时采用30ppi加50ppi陶瓷过滤板双级过滤；变质剂为Al-Ti-B，添加质量为50g，Al-Ti-B化学成分为Ti占4.5％-5.5％，B占0.8％-1.2％,Si≥0.3％，Fe≥0.3％,V≤0.02％，余量为Al。
步骤五：热处理
将浇铸成型后的合金进行470℃/1h固溶处理，水淬，然后进行120℃/5h+160℃/18h时效处理，风淬。
步骤六：热挤压处理
热挤压处理条件包括：热挤压温度为460±10℃；可以得到热挤压管材尺寸为外直径150mm，厚度8mm，长度1000mm；
步骤七：焊前预处理处理
打磨铝合金管材的待焊接端面
步骤八：焊接处理
将铝合金管材夹持在摩擦焊机旋转端的两侧，设置焊接参数为：摩擦时间为7s、摩擦压力为60Mpa、顶端压力为60Mpa、主轴转速为2200rpm；
步骤九：焊后处理
关闭摩擦焊机电源，取下合金管材，车去管材接头处飞边，完成焊接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明获得的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金焊接焊接接头具有优异的力学性能，合金母材的抗拉强度为611Mpa，屈服强度为577Mpa，延伸率为6.5％。焊缝抗拉强度为484Mpa，屈服强度为398Mpa，延伸率为4.5％。分别是母材的79％、69％和69％。从而提高该合金焊接结构件的安全性与可靠性。
附图说明
图1为热挤压Al-Zn-Mg-Cu系铝合金母材光学显微镜组织图；
图2为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金旋转摩擦焊接接头光学显微镜组织图；
图3为不同比例尺寸的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金旋转摩擦焊接接头扫描电镜组织图；
图4为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金旋转摩擦焊接接头与母材力学性能图；
具体实施方式
以下结合发明目的、技术方案及附图详细说明本发明的具体实施例。以熔炼100kg合金原材料为例，该方法包括如下步骤：
步骤1：配料，
1-1.元素所需的百分含量如下(wt％)：7.7Zn，2.5Mg，0.6Cu，0.35Mn，0.125Er，0.125Zr，0.125Ti，0.125Cr余量为Al。
1-2.根据不同元素的所需百分含量计算100kg合金原材料所需的每种元素的重量。Zn：7.7kg，Mg：2.5kg，Cu：0.6kg，Mn：0.35kg，Er：0.125kg，Zr：0.125kg，0.125Ti，0.125Cr，Al：88.35kg。原材料使用纯Al，纯Zn，纯Mg，Al-60wt％Cu、Al-10wt％Mn，Al-3wt％Zr，Al-6wt％Er，Ti0.1～0.2w.t％，Cr0.1～0.2w.t％，变质剂使用Al-Ti-B。
步骤2:预热，包括：
2-1.将称量好的原材料放入熔炉之前，需在400℃-450℃保持3h以上；
2-2.将坩埚放置在电炉内预热至500℃-600℃；
步骤3：加料，包括：
3-1.向预热的坩埚里加入纯Al，Al-60wt％Cu，Al-10wt％Mn，Al-3wt％Zr；
3-2.待炉料完全融化，升温至780℃以上加入Al-6wt％Er，并搅拌三次，但不得露出液面；
3-3.在炉前取样分析前730℃～740℃时加纯镁，然后扒渣、搅拌、取样分析，根据分析结果调整成分，成分合格后精炼、静置后铸造，铸造结束后要进行清炉
步骤4:精炼，包括：
4-1.为保证铸锭的质量，当炉内铝锭全部熔化后，扒渣、撒2#精炼剂精炼，2#精炼剂成分重量比为：Na2CO3占3-8％，Na2SiF6占20-25％，AlF3占6-9％，余量为NaCl；
4-2.再用95％氩+5％氯混合气体精炼10min～20min，静置20min～30min
4-3.采用Alpur双转子除气装置在线除气，同时生产中采用30ppi加50ppi陶瓷过滤板双级过滤；
步骤5：变质，铸造时在线播种Al-Ti-B，添加质量为50g，Al-Ti-B化学成分为Ti占4.5％-5.5％，B占0.8％-1.2％,Si≥0.3％，Fe≥0.3％,V≤0.02％，余量为Al；
步骤6：浇铸，700℃时，将步骤5得到的合金熔液进行浇铸。
步骤7：热处理，包括：
7-1.固溶处理：470℃/1h，水淬
7-2.时效处理：120℃/5h+160℃/18h，风淬。
步骤8：热挤压，将步骤7得到的铸锭在热挤压机上进行挤压，控制挤压温度为460±10℃，得到热挤压管材尺寸为外直径150mm，厚度8mm，长度1000mm；
步骤9：焊前处理，将步骤8中得到的热挤压管材的焊接端面进行打磨；
步骤10：旋转摩擦焊，将步骤9中得到的热挤压管材放置在型号为HSMZ-4型连续驱动轴向摩擦焊机进行焊接。控制以下焊接参数：摩擦时间为7s、摩擦压力为60Mpa、顶端压力为60Mpa、主轴转速为2200rpm；
步骤11：焊后处理，关闭摩擦焊机电源，取下合金管材，车去管材接头处飞边，完成焊接；
截取母材处10mm×10mm×5mm试样放置在OLYMPUS BX51M型金相显微镜进行金相观察。如图1所示；
截取焊缝处10mm×10mm×5mm试样放置在OLYMPUS BX51M型金相显微镜进行金相观察。如图2所示；
截取焊缝处10mm×10mm×5mm试样放置在FEI QUANTA FEG 650扫描电子显微镜进行EBSD组织观察；如图3所示；
按照GB228-2002标准加工成标准室温拉伸试样，每种状态取三个试样测试，然后取其平均值作为最终性能测试值；铝合金合金母材的抗拉强度为611Mpa，屈服强度为577Mpa，延伸率为6.5％。焊缝抗拉强度为484Mpa，屈服强度为398Mpa，延伸率为4.5％。分别是母材的79％、69％和69％。力学性能如图4所示。

Claims (5)

1.一种高强变形铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：配料
称取原材料，使得称取的原材料包括如下质量百分比含量的各元素组分Zn7.2～8.2w.t％，Mg2.0～3.0w.t％，Cu0.4～0.8w.t％，Mn0.2～0.5w.t％，Er0.1～0.15w.t％，Zr0.1～0.15w.t％，Ti0.1～0.2w.t％，Cr0.1～0.2w.t％，余量为Al；
步骤二：预热
将除纯Mg，纯Zn，Al-Er中间合金外的其他原材料在400℃-450℃保持2-4小时；
步骤三：加料
将已预热的原材料加入已预热的坩埚中的顺序为：先加入Al，再依次加入Al-Cu、Al-Mn，Al--Zr，Al-Ti，Al-Cr中间合金；待炉料熔化后，在730℃～740℃时加纯Mg、纯Zn，扒渣，搅拌；780℃以上加入Al-Er中间合金，扒渣，搅拌；
步骤四：精炼，变质处理
精炼处理为撒入2#精炼剂，2#精炼剂成分重量比为：Na2CO3占3-8％，Na2SiF6占20-25％，AlF3占6-9％，余量为NaCl。精炼，再用95％氩+5％氯混合气体精炼10min～20min，静置20min～30min；采用Alpur双转子除气装置在线除气，同时采用30ppi加50ppi陶瓷过滤板双级过滤；变质剂为Al-Ti-B，添加质量为50g，Al-Ti-B化学成分为Ti占4.5％-5.5％，B占0.8％-1.2％,Si≥0.3％，Fe≥0.3％,V≤0.02％，余量为Al。
步骤五：热处理
将浇铸成型后的合金进行470℃/1h固溶处理，水淬，然后进行120℃/5h+160℃/18h时效处理，风淬；
步骤六：热挤压处理
热挤压处理条件包括：热挤压温度为460±10℃。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，最终得到热挤压管材，尺寸为外直径150mm，厚度8mm，长度1000mm。
3.按照权利要求1或2所述的方法得到的高强变形铝合金。
4.对权利要求2所述的方法得到的高强变形铝合金进行焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤七：焊前预处理处理
打磨铝合金管材的待焊接端面；
步骤八：焊接处理
将铝合金管材夹持在摩擦焊机旋转端的两侧，设置焊接参数为：摩擦时间为7s、摩擦压力为60Mpa、顶端压力为60Mpa、主轴转速为2200rpm；
步骤九：焊后处理
关闭摩擦焊机电源，取下合金管材，车去管材接头处飞边，完成焊接。
5.对权利要求4所述的方法，其特征在于，
合金母材的抗拉强度为611Mpa，屈服强度为577Mpa，延伸率为6.5％；焊缝抗拉强度为484Mpa，屈服强度为398Mpa，延伸率为4.5％。分别是母材的79％、69％和69％。
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