CN113210928A

CN113210928A - 一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺

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Publication number: CN113210928A
Application number: CN202110511030.9A
Authority: CN
Inventors: 张迪; 郭叶航; 张震; 张济山
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-08-06

Abstract

本发明公开了一种新型Al‑Mg‑Zn系铝合金焊丝及其制备工艺，其化学成分为：镁Mg，锌Zn，锰Mn，锆Zr，钛Ti，铜Cu，铬Cr，余量为Al及其它不可避免的杂质。本发明加工硬化态Al‑Mg‑Zn系铝合金采用该焊丝进行焊接时，相比采用标准ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度有一定提高，耐蚀性能表现优良。针对可时效强化Al‑Mg‑Zn系铝合金，采用该焊丝进行焊接时，相比采用ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度和屈服强度均有明显提高，并且其焊缝部分的耐腐蚀性能也有一定程度提高。

Description

一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种焊接用铝合金焊丝技术领域，尤其涉及一种新型 Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺。

背景技术

铝合金在实际运用中越来越广泛，尤其在车辆、船舶等领域，在一些使用过程中，对铝合金板材的强度要求比较高，在这些领域中，常用的铝合金板材多是7xxx系合金，而高强度7xxx系铝合金板材焊缝性能差、焊缝易开裂。针对这一问题，本发明基于5xxx系铝合金成功设计了可时效强化的高强度合金，兼具高强、可焊、耐蚀的性能。

在专利CN104313413B中，本课题组开发了一种Al-Mg-Zn系合金，化学成分及质量百分比含量为：Mg：4.0-5.7％，Zn：2.5-4.0％， Cu：0-0.4％，Mn：0.4-1.2％，Cr：0-0.1％，Ti：0-0.15％，Zr：0.01-0.25％， Fe：0-0.4％，Si：0-0.4％，其余为Al及不可避免的杂质。该发明所制备的合金T6态板材相对于传统的H131冷轧板材具有更加优异的强度及延伸率。

在专利CN104152759B中，本课题组开发了一种高强度耐腐蚀 Al-Mg合金，化学成分及质量百分比含量为：Mg：5.0-6.5％，Zn：

1.2-2.5％，Cu：0-0.4％，Mn：0.4-1.2％，Cr：0-0.1％，Ti：0-0.15％， Zr：0.05-0.25％，Fe：0-0.4％，Si：0-0.4％，其余为Al及不可避免的杂质。该产品与传统的AA5083、AA5059等船舶用铝合金相比，在保持一定力学性能及剥落腐蚀性能不变的前提下，显著提高了合金的抗晶间腐蚀性能。

在专利CN103866167B中，本课题组开发了一种铝合金，其化学成分及质量百分比含量为：Mg：5.5-5.0％，Zn：0.6-1.2％，Cu：0.1-0.2％， Mn：0.6-1.0％，Cr：0-0.1％，Ti：0-0.15％，Zr：0.05-0.25％，Fe：0-0.25％， Si：0-0.2％，其余为Al。此板材在保证Mg元素固溶强化作用的同时，大大降低了Al₃Mg₂在晶界的连续析出能力，与传统的AA5059-H321 以及AA5059-H131板材相比，表现出优异的力学性能以及抗腐蚀性能。

在使用传统标准焊丝5183以及5556进行焊接试验后，发现焊缝抗拉强度不能完全满足目标要求，又为了保证焊缝部分的耐腐蚀性能，因此，本发明的主要目的是为本课题组研发的这一系列合金设计新的铝合金焊丝。

下面说明现有技术文献中所公开的一些Al-Mg系焊丝。

专利申请CN1098743C中提出一种铝基焊丝，其化学成分及质量百分比为：Mg：5.0-6.5％，Mn：0.7-1.2％，Zn：0.4-＜2.0％，Zr：0.05-0.3％， Cr：最大0.3％，Ti：最大0.2％，Fe：最大0.5％，Si：最大0.5％， Cu：最大0.25％，余量为Al和不可避免的杂质。在从属权利要求中再次规定其特征成分在于Mg：5.0-6.0％，Zn：不高于0.9％，Cr：不高于0.15％。在实施案例中Zn的成分未超过0.6％。

专利申请号CN103286472A中提出一种新型铝合金焊丝，该合金化学成分及质量百分比为：Mg：5.5-7.0％，Mn：0.8-1.0％，Ti： 0.25-0.35％，Zn：0.05-0.20％，Cr：0.10-0.20％，Zr：0.25-0.35％，Fe：≤0.2％，Si：≤0.2％，Cu：≤0.05％，Be：≤0.0005％，其他单个杂质元素：≤0.1％，其他杂质元素合计：≤0.15％，余量为铝。在该专利中，实施案例仅对焊接强度方面进行了评估。

上述焊丝专利的实施案例中缺少对高Zn成分的Al-Mg系焊丝的研究，且使用范围不适用于本课题组板材，成分配比上不能与本课题组的板材相匹配，另外，对焊接耐腐蚀性的评估不多。

发明内容

本发明提供了一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺，其化学成分为：镁Mg，锌Zn，锰Mn，锆Zr，钛Ti，铜Cu，铬Cr，余量为Al及其它不可避免的杂质。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述镁Mg的质量百分比为： 4.5-7.0％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述锌Zn的质量百分比为： 0.4-2.5％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述锰Mn的质量百分比为： 0.4-1.5％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述锆Zr的质量百分比为： 0.1-0.2％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述钛Ti的质量百分比为：0.05-0.1％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述铜Cu的质量百分比为： 0-0.1％。

作为本技术方案的进一步改进方案：所述铬Cr的质量百分比为： 0-0.05％。

作为本技术方案的进一步改进方案：按质量百分比计，其化学成分为：镁Mg：5.0-6.5％，锌Zn：1.0-1.5％，锰Mn：0.4-1.2％，锆Zr： 0.1-0.2％，钛Ti：0.05-0.1％，铜Cu：0-0.1％，铬Cr：0-0.05％，余量为Al及其它不可避免的杂质。

一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝制备工艺，包括以下步骤：

第一步，按配比将原料在真空或者气体保护的条件下熔化，浇铸成铸锭；

第二步，将均匀化后的铸锭切头去尾、铣面，然后进行热挤；

第三步，中间退火后根据最终所需直径的尺寸，进行拔丝或者冷挤压，经表面处理后进行盘卷或者剪成等长度的直丝，即得本发明 Al-Mg-Zn系焊丝，该种焊丝适用于车辆、船舶、航天用铝合金型材的焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在首先成分配比中，精简合金元素种类，减少不同元素对焊缝各项性能的影响而产生的干扰，仅通过镁和锌成分的变化来达到提高强度的目的，比如优选的避免引入Cu降低焊缝耐剥落腐蚀的性能，同时该焊丝中的Mg和Zn是主要的合金元素，为了适用于对应的铝合金材料，其次本发明考虑到过量的Mg和Zn对于材料性能的影响，以及焊丝加工的难度，因此，优选的，Mg含量为5.0-6.5％， Zn含量为1.0-1.5％，Mg/Zn在4-6的范围内，然后本发明焊丝中的 Mn是基本添加元素，与Al形成Al₆Mn弥散相，可抑制焊丝加工过程中的再结晶过程，提高再结晶温度，显著细化晶粒尺寸，同时，含 Mn相还可溶解Si和Fe等杂质元素。当Mn含量超过1.2％时，拉丝过程困难，Mn含量低于0.5％时，其强化作用不明显。因此，优选的将Mn元素含量控制在0.7-1.2％，最后本发明还提供上述铝合金焊丝的制造方法，在真空或气体保护的条件下将上述组成材料熔铸成锭，均匀化退火工艺为：以30℃/h的升温速度，从室温加热至420℃，保温12h，继续加热至480℃，保温24h，再随炉冷却至室温。铣削表面后进行热挤压，然后冷挤压或拉拔成焊丝，加工硬化态Al-Mg-Zn 系铝合金采用该焊丝进行焊接时，相比采用标准ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度有一定提高，耐蚀性能表现优良。针对可时效强化 Al-Mg-Zn系铝合金，采用该焊丝进行焊接时，相比采用ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度和屈服强度均有明显提高，并且其焊缝部分的耐腐蚀性能也有一定程度提高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中实验选用的焊接板材化学成分表(质量百分数，wt％)；

图2为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中实验选用的焊丝化学成分实测表(质量百分数，wt％)；

图3为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中1号板焊接实验的组别设置表；

图4为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中2号板焊接实验的组别设置表；

图5为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中1号板材焊接实验后各组别的焊缝强度表；

图6为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中2号板材焊接实验后各组别的焊缝强度表；

图7为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中1号板材焊接后的剥落腐蚀6h时的评级结果表；

图8为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中2号板材焊接后的剥落腐蚀6h时的评级结果表；

图9为本发明提出的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺中2号板材各组别焊缝边缘腐蚀缝的深度平均值表。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1～9，本发明实施例中，一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺，其化学成分为：镁Mg，锌Zn，锰Mn，锆Zr，钛Ti，铜Cu，铬Cr，余量为Al及其它不可避免的杂质。

优选的，镁Mg的质量百分比为：4.5-7.0％。

优选的，锌Zn的质量百分比为：0.4-2.5％。

优选的，锰Mn的质量百分比为：0.4-1.5％。

优选的，锆Zr的质量百分比为：0.1-0.2％。

优选的，钛Ti的质量百分比为：0.05-0.1％。

优选的，铜Cu的质量百分比为：0-0.1％。

优选的，铬Cr的质量百分比为：0-0.05％。

优选的，按质量百分比计，其化学成分为：镁Mg：5.0-6.5％，锌Zn：1.0-1.5％，锰Mn：0.4-1.2％，锆Zr：0.1-0.2％，钛Ti：0.05-0.1％，铜Cu：0-0.1％，铬Cr：0-0.05％，余量为Al及其它不可避免的杂质。

一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝制备工艺，包括以下步骤：

第三步，中间退火后根据最终所需直径的尺寸，进行拔丝或者冷挤压，经表面处理后进行盘卷或者剪成等长度的直丝，即得本发明 Al-Mg-Zn系焊丝，该种焊丝适用于车辆、船舶、航天用铝合金型材的焊接，该焊丝冶炼成形工艺简单，采用真空或者气体保护可避免空气中氢元素的影响，以提高铝合金的成形性能和成品质量。该发明的焊丝适用于相应加工硬化态的Al-Mg-Zn系和时效强化态的 Al-Mg-Zn系铝合金板材，在同ER5356标准焊丝进行焊后比较，焊接接头的强度和耐腐蚀性均有明显提高。

下面通过具体实施例对本发明一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝及其制备工艺进行解释说明：

在实验室范围内制备了6种铝合金焊丝成分并选用牌号为 ER5356标准焊丝作为参考焊丝。根据标准GB/T10858-2008铝及铝合金焊丝，ER5356焊丝的成分为0.25％Si、0.40％Fe、0.10％Cu、 0.05-0.20％Mn、4.50-5.50％Mg、0.05-0.20％Cr、0.10％Zn、0.06-0.20％Ti，余量为Al。实验选用的焊接板材和焊丝的化学成分实测含量如表1 和表2所示。

1号板材属于加工硬化态，2号板材属于时效强化态，两种板材均从铸锭热轧至6mm，然后冷轧至5mm，375℃退火75min。1号板材从5mm多道次直接轧至2.5mm，250℃稳定化退火1h后得到1号基体板材。2号板材从5mm多道次直接轧至2.5mm，465℃空气固溶 30min，淬火，90℃保温48h，然后140℃保温20h，得到2号基体板材。

用发明的焊丝和参照焊丝ER5356分别与母材进行焊接实验，焊接方式采用TIG焊接，焊接过程的实验组别设置如表3和表4所示。

对焊接后的板材焊缝部分成分进行检测，并进行力学性能实验，根据ASTM-E8取样进行拉伸实验，结果如表5和表6所示。

根据数据可知，加工硬化态1号板材的焊接样品中，组别1-1的焊缝抗拉强度最高，相比作为参照的组别1-6提升可达14MPa左右，同时，组别1-1的延伸率较组别1-6高1.7％。时效强化态2号板材的焊接样品中，组别2-5的焊缝抗拉强度最高，相比作为参照的组别2-6提升可达24MPa左右，组别2-4的抗拉强度相比作为参照的组别2-6 组别提升也达到了20MPa，2-3的焊缝屈服强度最高，相比作为参照的组别2-6提升可达33MPa左右，同时，组别2-5的延伸率相比组别 2-6仅低1.6％，而组别2-4的延伸率相比组别2-6基本持平。因此，对相应铝合金板材而言，采用本发明新设计的焊丝进行焊接，相对于传统的ER5356焊丝，焊缝的强度显著提高，并且延伸率依旧能与其持平。

对焊后的板按组别进行剥落腐蚀试验，根据《GB22639-2008剥落腐蚀试验方法》，以7xxx系的检验标准进行实验，腐蚀试验6h时的结果见表7和表8。

观察1号板材焊接后进行剥落腐蚀试验的样品，发现其耐蚀性能都比较好。对比热影响区6h时的腐蚀情况，虽然都只发生了点蚀，但依旧发现组别1-1和组别1-5表面的点蚀情况要优于组别1-6，24h 之后各组别的该区域表面因点蚀严重都发生了轻微的剥落。

观察2号板材焊接后进行剥落腐蚀试验的样品，特别是毗邻焊缝的区域，该区域大致属于部分熔化区，整体属于腐蚀情况最严重的区域。对比热影响区6h时的腐蚀情况，发现组别2-1、组别2-4和组别 2-5表面的腐蚀情况要明显优于组别2-6，24h之后各组别的该区域表面都发生了一定程度的剥落。另外，2号板材焊接后的剥落腐蚀试验中，各组别焊缝边缘即部分熔化区的大致位置，腐蚀情况最严重，均出现了腐蚀缝隙，通过激光显微镜扫描腐蚀缝的深度，并分别沿两侧缝的方向上多次选取不同的点进行测量，各组别腐蚀缝隙的平均值如表9所示。腐蚀缝的平均深度由浅至深依次为组别2-3、组别2-4、组别2-5、组别2-2、组别2-1、组别2-6。

通过剥落腐蚀试验的对比，可以发现，采用本发明设计的焊丝焊接的样品，焊缝周围的耐腐蚀性能均优于采用标准ER5356焊丝焊接的样品。

本发明具有的特点：

1、在成分配比中，精简合金元素种类，减少不同元素对焊缝各项性能的影响而产生的干扰，仅通过镁和锌成分的变化来达到提高强度的目的，比如优选的避免引入Cu降低焊缝耐剥落腐蚀的性能。

2、该焊丝中的Mg和Zn是主要的合金元素，为了适用于对应的铝合金材料，同时考虑到过量的Mg和Zn对于材料性能的影响(调控Mg和Zn比例有利于改变合金析出相的尺寸、分布及析出密度)，以及焊丝加工的难度，因此，优选的，Mg含量为5.0-6.5％，Zn含量为1.0-1.5％，Mg/Zn在4-6的范围内。

3、焊丝中的Mn是基本添加元素，与Al形成Al₆Mn弥散相，可抑制焊丝加工过程中的再结晶过程，提高再结晶温度，显著细化晶粒尺寸，同时，含Mn相还可溶解Si和Fe等杂质元素。当Mn含量超过1.2％时，拉丝过程困难，Mn含量低于0.5％时，其强化作用不明显。因此，优选的将Mn元素含量控制在0.7-1.2％。

4、本发明还提供上述铝合金焊丝的制造方法，在真空或气体保护的条件下将上述组成材料熔铸成锭，均匀化退火工艺为：以30℃/h 的升温速度，从室温加热至420℃，保温12h，继续加热至480℃，保温24h，再随炉冷却至室温。铣削表面后进行热挤压，然后冷挤压或拉拔成焊丝。

通过上述方案，本发明具有如下的优越性：加工硬化态Al-Mg-Zn 系铝合金采用该焊丝进行焊接时，相比采用标准ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度有一定提高，耐蚀性能表现优良。针对可时效强化 Al-Mg-Zn系铝合金，采用该焊丝进行焊接时，相比采用ER5356焊丝，其焊缝抗拉强度和屈服强度均有明显提高，并且其焊缝部分的耐腐蚀性能也有一定程度提高。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，其化学成分为：镁Mg，锌Zn，锰Mn，锆Zr，钛Ti，铜Cu，铬Cr，余量为Al及其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述镁Mg的质量百分比为：4.5-7.0％。

3.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述锌Zn的质量百分比为：0.4-2.5％。

4.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述锰Mn的质量百分比为：0.4-1.5％。

5.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述锆Zr的质量百分比为：0.1-0.2％。

6.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述钛Ti的质量百分比为：0.05-0.1％。

7.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述铜Cu的质量百分比为：0-0.1％。

8.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，所述铬Cr的质量百分比为：0-0.05％。

9.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分为：镁Mg：5.0-6.5％，锌Zn：1.0-1.5％，锰Mn：0.4-1.2％，锆Zr：0.1-0.2％，钛Ti：0.05-0.1％，铜Cu：0-0.1％，铬Cr：0-0.05％，余量为Al及其它不可避免的杂质。

10.根据权利要求1所述的一种新型Al-Mg-Zn系铝合金焊丝制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第三步，中间退火后根据最终所需直径的尺寸，进行拔丝或者冷挤压，经表面处理后进行盘卷或者剪成等长度的直丝，即得本发明Al-Mg-Zn系焊丝，该种焊丝适用于车辆、船舶、航天用铝合金型材的焊接。