CN113275751B - 一种铝合金板及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铝合金板及制备方法。本发明提供的铝合金板的制备方法，包括将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板通过激光搅拌焊接技术进行焊接得到所述铝合金板；其中，所述第一5000系铝合金母板的表面和所述第二5000系铝合金母板的表面包括Ti/Zr膜。该制备方法在焊接前不仅无需对第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行特殊的清洗，且不需额外填充焊丝，节约制备成本，而且可以获得焊接强度高，与母材等强以及无焊接缺陷的铝合金板。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金板及制备方法，属于汽车零部件领域。
背景技术
随着能源危机和人们对环境污染问题的关注，汽车轻量化成为汽车工业发展的主要方向之一。在汽车结构设计存在局限的情况下，轻质化材料和轻量化工艺技术的开发应用成为实现汽车轻量化的重要途径。不等厚板是基于汽车零部件对不同部位的材料强度和厚度个性化需求而开发的，再经后续冲压工序形成变厚度零件，目前已经广泛用于钢制零件，如B柱加强板、前纵梁、天窗加强板等。目前不等厚铝板可以应用于汽车结构件的轻量化设计。
然而，通常情况下，用于制造不等厚铝板的铝合金存在以下固有属性：对激光束的反射率高、热传导率高、比热高、热膨胀系数大、凝固收缩率大(约是铁两倍)、凝固温度区间较大、表面张力小、存在低熔点合金元素且焊接时易蒸发烧损、液态时吸氢能力强、表面易生成高熔点氧化膜。这些固有属性导致铝合金在焊接过程存在很多难题，如，对热源的能量密度要求高，过高的焊接热输入会导致焊接变形；焊接易出现热裂纹；焊接易出现接头强度衰减；焊接易出现氢气孔、夹渣、未熔合等缺陷。
现有铝合金焊接技术，包括激光焊、MIG焊(含CMT-MIG焊)、TIG焊等，焊前均需对铝板表面进行脱脂、酸洗、碱洗、机械打磨等工序去除表面油污和高熔点氧化膜，还需额外投资清洗线及烘干线，增加了制造难度和成本，焊接节拍很难控制，同时烘干过程也会对铝板时效性产生影响，会使铝合金板产生焊接强度衰减和焊接开裂问题，影响铝板冲压性能。为了解决铝合金焊接强度衰减和焊接开裂问题，现有工艺一般采取填丝焊，然而填丝焊额外增加了焊接成本。
此外，传统激光焊接技术，对激光光束的定位和对接接头装配间隙要求很高。为了保证焊接质量，通常采用点焊法或进行短距离试焊来调整焊缝的入射位置，生产效率低且影响板材成材率。并且，传统激光焊接技术对装配间隙要求高，导致在装配前，需对板材的装配面进行一次机加工，增加了工序，进一步增加了成本。
发明内容
本发明提供一种铝合金板的制备方法，该制备方法不仅在焊接前无需对第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行特殊的清洗，节约制备成本，而且可以获得焊接质量高的铝合金板。
本发明提供一种铝合金板，该铝合金板具有焊接强度高，与母材等强以及无焊接缺陷的优点。
本发明提供一种铝合金板的制备方法，其中，将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板通过激光搅拌焊接技术进行焊接得到所述铝合金板；
其中，所述第一5000系铝合金母板的表面和所述第二5000系铝合金母板的表面包括Ti/Zr膜。
如上所述的制备方法，其中，所述Ti/Zr膜的单位面积质量为3-8mg/m2。
如上所述的制备方法，其中，所述激光搅拌焊接技术中，焊接速度为1000-5000mm/min，激光功率为0.7-3kW，激光频率为50-150HZ。
如上所述的制备方法，其中，所述第一5000系铝合金母板和所述第二5000系铝合金母板的对接间隙≤0.2mm；和/或，
所述第一5000系铝合金母板和所述第二5000系铝合金母板的对接错边量≤0.1tmin。
如上所述的制备方法，其中，所述激光搅拌焊接技术中，激光光束的入射方向分别与所述第一5000系铝合金母板的第一表面和所述第二5000系铝合金母板的第一表面垂直；
所述入射方向与焊接的前进方向之间的夹角为80-90°。
如上所述的制备方法，其中，所述激光光束为圆弧形搅拌，所述圆弧摆动的摆幅为1-3mm。
如上所述的制备方法，其中，所述第一5000系铝合金母板和/或所述第二5000系铝合金母板的热处理状态为完全退火态。
如上所述的制备方法，其中，所述第一5000系铝合金母板和/或所述第二5000系铝合金母板的板厚为0.8-3mm。
如上所述的制备方法，其中，所述第一5000系铝合金母板与所述第二5000系铝合金母板的板厚比为(0.5-2)：1。
本发明还提供一种铝合金板，其中，通过上述的制备方法制备得到。
本发明将表面分别包括Ti/Zr膜的第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板通过激光搅拌焊接技术进行焊接得到铝合金板，Ti/Zr膜可以降低第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的表面产生高熔点氧化膜的可能性，解决高熔点氧化膜影响焊接的问题，减少了焊前的清洗工序，同时Ti和Zr元素在焊接过程中还能细化焊缝晶粒，提高焊接强度。
并且，本发明采用的激光搅拌焊接技术不仅具有对焊接过程中的定位精度要求不高、能够适应相对较宽的焊接间隙、在焊接前不需要对板材端面进行额外机加工、节约生产成本的优点，而且在激光搅拌焊接过程中，激光可以在相对较高的速度下进行规则性摆动，使第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板溶解产生溶池，溶池固化即实现焊接，在焊接过程中不仅不需要填充焊丝，而且可以提高焊接质量；此外，激光可以对熔池产生搅拌作用，有利于氢气逸出，可以改善焊缝成形系数，减少焊接缺陷，增强焊接接头的强度和疲劳寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1的铝合金板焊接后的外观形貌。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的第一方面提供一种铝合金板的制备方法，将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板通过激光搅拌焊接技术进行焊接得到铝合金板；
其中，第一5000系铝合金母板的表面和第二5000系铝合金母板的表面包括Ti/Zr膜。
本发明中，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板为本领域常用的5000系铝合金母板。本发明的第一5000系铝合金母板的表面和第二5000系铝合金母板的表面包括Ti/Zr膜。
示例性地，表1给出了两种常用的5000系铝合金母板(型号分别为5182和5754)的化学成分。
表1
本发明通过激光搅拌技术将表面包括Ti/Zr膜的第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行焊接，焊接过程中，激光在相对较高的速度下进行规则性摆动，使第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板溶解产生溶池，溶池固化即可以实现第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的焊接，得到铝合金板。本发明的铝合金板具有焊接强度高，焊接强度衰减慢及无焊接裂缝的优点。
发明人推测，一方面是由于5000系铝合金母板中Ti元素含量高，可以细化铝合金母板的晶粒尺寸，铝合金母板的晶粒尺寸≥6级，可以提高铝合金板的焊接强度；并且由于5000系铝合金母板中杂质元素的含量少，以及Mg元素的波动范围在±0.5％，可以减小焊接后焊缝区域的性能差异，使焊接性能稳定，进而使铝合金板的焊接强度衰减慢；Ti/Zr膜可以降低第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的表面产生高熔点氧化膜的可能性，解决高熔点氧化膜影响焊接的问题，减少了焊前的清洗工序，同时Ti和Zr元素在焊接过程中还能细化焊缝晶粒，提高焊接强度。
另一方面是由于，本发明采用的激光搅拌焊接技术不仅具有对焊接过程中的定位精度要求不高、能够适应相对较宽的焊接间隙、在焊接前不需要对板材端面进行额外机加工、节约生产成本的优点，而且在激光搅拌焊接过程中，激光可以在相对较高的速度下进行规则性摆动，使第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板溶解形成溶池，溶池固化即实现焊接，在焊接过程中不需要填充其它的焊丝，可以提高焊接质量，并且激光可以对熔池产生搅拌作用，有利于氢气逸出，可以改善焊缝成形系数，减少焊接缺陷，增强焊接接头的强度和疲劳寿命。
所以本发明的铝合金板制备方法，不仅可以获得焊接强度高，焊接强度衰减慢以及无焊接裂缝的铝合金板，还可以减少制备步骤，节约制备成本，适用于工业中批量生产铝合金板。
在本发明的一些实施方式中，Ti/Zr膜的单位面积质量为3-8mg/m2。
本发明中，若Ti/Zr膜的单位面积质量较小，则第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的表面有可能会存在高熔点氧化膜，高熔点氧化膜会对焊接过程产生影响，影响获得的铝合金板的焊接质量；若Ti/Zr膜的单位面积质量较大，会增加生产成本。本发明限定Ti/Zr膜的单位面积质量为3-8mg/m2，可以极大可能的使第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的表面基本不含有高熔点氧化膜，不会对焊接过程的影响，提高焊接质量。
在本发明的一些实施方式中，在激光搅拌焊接技术中，焊接速度为1000-5000mm/min，激光功率为0.7-3kW，激光频率为50-150HZ。本发明中，可以根据焊接速度对激光功率进行选择，当焊接速度和激光功率在此范围之内时，不仅可以提高焊接效率，而且可以提高焊接强度。
在本发明的一些实施方式中，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的对接间隙≤0.2mm；和/或，
第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的对接错边量≤0.1tmin。
本发明中，对接间隙指的是第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板之间的距离，激光在第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的对接间隙之间作用，将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行焊接，可以得到铝合金板。本领域的技术人员知晓的，对接间隙越大，激光焊接的难度越大，焊接后形成的铝合金板的焊接质量越差，所以在实际的制备过程中，对接间隙越小越好。本发明的制备方法可以在对接间隙≤0.2mm的范围内，获得焊接强度高，焊接强度衰减慢且无焊接裂缝的铝合金板。
本发明中，对接错边量是指对接焊缝上第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板偏离同一直线的错开量。对接错边量过大不仅会影响焊缝的外观形状，而旦会在焊接过程中产生应力集中现象，影响形成的铝合金板的承载能力。所以，在实际焊接过程中，对接错边量的值越小越好。本发明的制备方法可以在对接错变量≤0.1tmin范围内，获得焊接质量好且承载能力好的铝合金板。本发明中，0.1tmin指的是0.1倍的最小板厚。
本发明的激光搅拌焊接过程中，将第一5000系铝合金母板置于第一加工平台上，使用第一夹具夹紧，将第二5000系铝合金母板置于第二加工平台上，使用第二夹具夹紧，第一加工平台和第二加工平台之间留有间隙，并且该间隙的取值大于对接间隙的取值；
激光光束在以分别垂直于第一5000系铝合金母板的第一表面和第二5000系铝合金母板的第一表面的入射方向，照射第一5000系铝合金母板的第一表面和第二5000系铝合金母板的第一表面，使第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板焊接。
在本发明的一些实施方式中，在激光搅拌焊接技术中，激光光束的入射方向分别与第一5000系铝合金母板的第一表面和第二5000系铝合金母板的第一表面垂直；
入射方向与焊接的前进方向之间的夹角为80-90°。
本发明中，第一5000系铝合金母板的第一表面指的是第一5000系铝合金母板远离第一加工平台的表面，第二5000系铝合金母板的第一表面指的是第二5000系铝合金母板远离第二加工平台的表面。本发明中，第一表面即为焊接面，激光光束垂直于焊接面，可以更好的发挥激光的作用，提高焊接效率。
本发明中，入射方向与焊接的前进方向之间的夹角过大时，容易导致焊接熔深过浅，出现未焊透等缺陷，入射方向与焊接的前进方向之间的夹角过小时，可能会导致焊接烧穿。当入射方向与焊接的前进方向的夹角在80-90°范围之内，可以在保证焊透的情况下，减小热影响区的范围。
在本发明的一些实施方式中，激光光束为圆弧形搅拌，圆弧摆动的摆幅为1-3mm。
本发明的焊接过程中，激光光束在相对高的速度下进行圆弧形搅拌，可以改善焊缝的成形系数，降低焊缝的气孔率，提高焊缝的接头强度和疲劳寿命。
本发明中，圆弧的摆幅过大时，容易导致激光光束的热量不集中，影响焊接效率和焊接质量，圆弧的摆幅过小时，容易导致激光光束的热量过于集中，过多的热量会烧穿第一5000系铝合金母板和第一5000系铝合金母板，影响焊接过程。本发明限定圆弧的摆幅为1-3mm，在此范围内，激光光束的热量均衡，可以提高焊接效率和焊接质量。
本发明中，第一5000系母板中与焊接面相对的面为焊接反面，第二5000系母板中与焊接面相对的面为焊接反面。在一些实施方式中，为了更好的提高焊接质量，在焊接过程中，可以在焊接面和焊接反面采用惰性气体进行保护，例如，采用氩气保护，其中，焊接面的气体流速大于等于焊接反面的气体流速。具体的，焊接面的气体流量为8-20L/min，焊接反面的气体流量为6-15L/min。
在本发明的一些实施方式中，第一5000系铝合金母板和/或第二5000系铝合金母板的热处理状态为完全退火态。
本发明中，第一5000系铝合金母板和/或第二5000系铝合金母板的热处理状态为完全退火态，可以理解为第一5000系铝合金母板和/或第二5000系铝合金母板为非热处理强化铝合金。
本发明选择在完全退火态下对第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行焊接，在此状态下，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板具有较细的晶粒，均匀的组织，可以避免焊接过程的热循环对第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板产生影响，可以提高所得的铝合金板的焊接质量。
表2为两种常用的5000系铝合金母板在完全退火态时的机械性能，表中合金状态为0，指的是铝合金母板的热处理状态为完全退火态。
表2
表中，Rp0.2为塑性延伸率为0.2％时的应力；Rm为材料抗拉强度；Ag为最大力塑性延伸率；A80为标据为80长度范围的断后延伸率；r为塑性应变比；n为应变硬化指数。
本发明对第一5000系铝合金母板的板厚和第二5000系铝合金母板的板厚不做特别限定，第一5000系铝合金母板的厚度与第二5000系铝合金母板的厚度可以相同，也可以不相同。在本发明的一些实施方式中，为了提高焊接质量，第一5000系铝合金母板和/或第二5000系铝合金母板的板厚为0.8-3mm。
本发明中，当第一5000系铝合金母板的厚度和第二5000系铝合金母板的厚度不相同时，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板在对接后会形成台阶面，激光光束从垂直于台阶面的表面射入进行焊接，可以形成带坡度的连续焊接接头，可以减小焊接应力的集中，便于后续进行冲压。当第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的厚度比过大时，所形成的焊接接头的强度差，会影响后续的冲压过程。为了保证形成的焊接接头的质量，在本发明的一些实施方式中，第一5000系铝合金母板与第二5000系铝合金母板的板厚比为(0.5-2)：1。
在一些实施方式中，为了进一步保证形成质量良好的焊接接头，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的板厚公差需要满足表3。
表3
| 板厚 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 |
| 公差± | 0.03 | 0.03 | 0.03 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.04 | 0.05 |
| 板厚 | 1.75 | 2.0 | 2.25 | 2.5 | 2.75 | 3.0 | - | - |
| 公差± | 0.05 | 0.06 | 0.07 | 0.07 | 0.08 | 0.09 | - | - |
本发明的铝合金板制备方法，将表面分别包括Ti/Zr膜的第一5000系铝合金母板和第二铝合金母板，采用激光搅拌焊接技术进行焊接得到铝合金板，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板在焊接前不需要酸洗或碱性等特殊的清理过程，制备工艺简单，节约制备成本；焊接完成后，可以形成焊缝成形良好，无焊接裂纹、夹渣、未熔合等焊接缺陷的铝合金板，所形成的的铝合金板的焊接气孔孔隙率≤0.5％，最大气孔尺寸≤最小板厚的0.05倍，焊接接头热影响区及熔合区硬度能达到母板(第一5000系铝合金母板和/或第二5000系铝合金母板)的热影响区及熔合区硬度的95％以上，抗拉强度达到母板抗拉强度的95％以上，杯突值达到母板杯突值的90％以上，断裂位置位于母板上，满足冲压工艺要求，可用于铝合金冲压零件制作。
本发明的第二方面提供一种铝合金板，通过上述的制备方法制备得到。
本发明的铝合金板具有焊接强度高、与母材等强以及无焊接缺陷的优点，并且该铝合金板制备过程简单，制备成本低，可以批量生产。
以下，结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本发明的铝合金板通过以下步骤制备得到：
将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板装配夹紧后，通过激光搅拌焊接技术将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板进行焊接，焊接过程中采用氩气进行保护，得到铝合金板；
其中，对接间隙和对接错边量分别为0.1mm，激光光源选用光纤激光器，激光从垂直于台阶面的表面入射，激光功率为1300W，激光频率为120HZ，焊接速度为2000mm/min，激光光束做圆弧形摆动，圆弧的摆动的摆幅为2mm，焊接面的气体流量为14L/min，焊接反面的气体流量为12L/min，激光光束与焊接前进方向的夹角为80°；
第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板的表面具有Ti/Zr膜，Ti/Zr膜的单位面积质量为4mg/m2。第一5000系铝合金母板为厚度1mm的5754铝合金母板和第二5000系铝合金母板的厚度2mm的5754铝合金板，第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板化学成分见表4；
表4
第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板在完全退火态时的机械性能见表5；
表5
对实施例中使用的第一5000系铝合金母板(母板)和实施例得到的铝合金板中的焊接料片进行性能测试，结果如表6所示。
1、形貌特征
图1为本发明实施例1的铝合金板焊接后的外观形貌。从图1可以看出，实施例1的铝合金板的焊缝成形良好，呈鱼鳞纹特征，无焊接气孔、咬边、裂纹、焊瘤等缺陷。
2、硬度
硬度测试执行GB/T 4340.1。
3、机械性能
材料抗拉强度、屈服强度测试执行GB228.1。
4、杯突最大力值和杯突值
杯突实验执行GB/T 4156，并记录杯突最大力值和杯突值。
表6
| 项目 | 母板5754O-1mm | 焊接料片5754O-1mm+2mm | 系数(％) |
| 硬度(HV10) | 75.8 | 76.4 | 100.8 |
| 抗拉强度(MPa) | 243.0 | 239.5 | 99.56 |
| 屈服强度(MPa) | 114.3 | 120.5 | 105.42 |
| 杯突最大力值(KN) | 9.29 | 9.69 | 104.3 |
| 杯突值(mm) | 7.79 | 7.27 | 93.3 |
本发明中，由于在铝合金板的应用中，较薄的母板是所获得的铝合金板的性能薄弱单元，所以可以将所获得的铝合金板中的焊接料片与较薄的母板的性能进行比较，评估所获得的铝合金板的性能。
表6中的系数为所形成的铝合金板中焊接料片的性能参数与母板的性能参数的比值。从表6可以看出，焊接后形成的铝合金板的力学性能与母板的力学性能基本相当，说明本发明的铝合金板制备方法可以制备出焊接强度好，满足冲压工艺要求的铝合金板，该铝合金板可用于铝合金冲压零件的制作。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种铝合金板的制备方法，其特征在于，将第一5000系铝合金母板和第二5000系铝合金母板通过激光搅拌焊接技术进行焊接得到所述铝合金板；
其中，所述第一5000系铝合金母板的表面和所述第二5000系铝合金母板的表面包括Ti/Zr膜；
所述激光搅拌焊接技术中，激光光束的入射方向分别与所述第一5000系铝合金母板的第一表面和所述第二5000系铝合金母板的第一表面垂直；
所述入射方向与焊接的前进方向之间的夹角为80-90°。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ti/Zr膜的单位面积质量为3-28mg/m。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述激光搅拌焊接技术中，焊接速度为1000-5000mm/min，激光功率为0.7-3kW，激光频率为50-150HZ。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一5000系铝合金母板和所述第二5000系铝合金母板的对接间隙≤0.2mm；和/或，所述第一5000系铝合金母板和所述第二5000系铝合金母板的对接错边量≤0.1tmin。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光光束为圆弧形搅拌，所述圆弧摆动的摆幅为1-3mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一5000系铝合金母板和/或所述第二5000系铝合金母板的热处理状态为完全退火态。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一5000系铝合金母板和/或所述第二5000系铝合金母板的板厚为0.8-3mm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第一5000系铝合金母板与所述第二5000系铝合金母板的板厚比为(0.5-2)：1。
9.一种铝合金板，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。
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