CN113579556A

CN113579556A - 一种铝合金药芯焊丝及其制备方法

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Publication number: CN113579556A
Application number: CN202110873399.4A
Authority: CN
Inventors: 赵玉涛; 苗畅; 怯喜周; 杜成超; 曹睿; 徐壮壮
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2021-11-02
Also published as: WO2023005188A1

Abstract

本发明属于铝合金药芯焊丝技术领域，涉及一种铝合金药芯焊丝及其制备方法。本发明采用混合盐作为药芯焊丝填充物，通过焊接热量直接诱发混合盐与焊接母材生成原位纳米颗粒，此方式不仅使焊丝生产成本降低，原位增强颗粒与母材良好的润湿性更良好的解决了外加颗粒与母材的结合问题，除此之外，稀土元素的加入具有显著的晶粒细化作用，这为7XXX铝合金焊接用药芯焊丝的选取提供了新的思路。

Description

一种铝合金药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金药芯焊丝技术领域，涉及一种铝合金药芯焊丝及其制备方法，尤其涉及一种用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝及其制备方法。

技术背景

铝是地壳中含量最多的金属元素，随着生产力的不断提高，铝合金已成为继钢铁外应用最广泛的材料。近年来，因其密度小、熔化温度低、导热性和可塑性好、成本低等优势，已广泛应用于航空航天、军工、轨道车辆、压力容器等领域。7XXX系铝合金作为一种超高强、可热处理强化铝合金，在航空航天领域有着广泛的应用，例如：7085铝合金已应用于A380、波音、空客等大飞机翼梁和翼肋；7N01已广泛应用于高铁轨道领域。

由于铝合金零部件已向着大型化、复杂化方向发展，因此解决铝合金的连接问题迫在眉睫。焊接，作为一种高效的连接手段，具有成行方便、适应性强、成本低等优势，但其应用在工业生产中，还存在很大的难题，例如焊接热裂纹倾向严重、焊缝晶粒粗大、焊缝力学性能软化等难题。例如，对7N01进行激光焊接，接头抗拉强度下降约110MPa；对7075进行TIG焊，焊缝表面存在严重的热裂纹。因此，铝合金焊缝作为构件的薄弱环节，严重制约着铝合金的应用。目前，已有研究表明，当向焊材中加入颗粒，焊缝宏观裂纹小时，焊缝中枝晶等轴晶化而有效细化晶粒，强度衰减也明显改善。

中国专利CN11015013A公开了一种用于2A12高强铝合金焊接的微纳米颗粒增强的药芯焊丝，其通过在药芯焊丝中添加TiC、TiN、SiC、ZrC等微纳米颗粒抑制焊缝区、熔合区晶粒生长并钉扎位错以提高焊接接头强度；通过细化第二相和枝晶弥补凝固过程引起的应变，减小热裂纹倾向。

但以上焊材在制备过程中，微纳米增强颗粒成本过高，并且外加增强颗粒与基体的润湿性不好，导致结合基体与界面的结合强度降低，限制其的生产应用。

发明内容

本发明将药芯焊丝技术和原位纳米颗粒增强机制有机的结合，设计制备了用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝，目的是解决实心焊丝用于7XXX铝合金时，裂纹倾向严重、合金元素烧损、组织晶粒粗大、接头性能下降严重等问题。利用本发明设计制备的铝合金药芯焊丝，可以通过在药芯配方中调整混合盐比例，增大对铝合金焊缝成分的调节范围，实现对7XXX铝合金焊缝组织、性能的优化，提升焊接接头强度。使用本发明焊丝可以在保证焊缝金属化学成分、力学性能、耐腐蚀性能满足相关要求的情况下，显著降低焊缝金属热裂纹倾向，获得成型美观，强度较高，性能优良的焊接接头。

本发明采用混合盐作为药芯焊丝填充物，通过焊接热量直接诱发混合盐与焊接母材生成原位纳米颗粒，此方式不仅使焊丝生产成本降低，原位增强颗粒与母材良好的润湿性更良好的解决了外加颗粒与母材的结合问题，除此之外，稀土元素的加入具有显著的晶粒细化作用，这为7XXX铝合金焊接用药芯焊丝的选取提供了新的思路，也是本专利的发明创新点。

本发明通过以下技术方案实现：一种用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝，其特征在于，采用1070半硬态纯铝带作为外皮，焊丝的填充率为20％～30％，即药粉质量占药芯焊丝质量的20-30％。药粉由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100％，其中药粉中各成分的质量百分比为：金属Zn粉含量4.5％～8.0％，金属Mg粉含量1.2％～3.5％，金属Cu粉含量0.5％～2.5％，金属Mn粉含量0.04％～0.5％，混合盐粉含量5％～30％，稀土粉含量0.1％～1.0％，余量为纯铝粉。

上述混合盐粉包括K₂ZrF₆和KBF₄两种，均为白色粉末，使用前需将粉末研磨至200目，K₂ZrF₆和KBF₄添加量存在一定的比例关系，质量比为0.86～1.12：1。

上述稀土粉为Sc、Er、Sc和Zr的复合添加物或Er和Zr复合添加物。添加方式为：单独添加Sc、Er元素或者按以下质量比混合添加：Sc和Zr复合添加，其中Sc、Zr质量比为2:1；Er和Zr复合添加，其中Er、Zr的质量比为2:1。稀土粉以高纯粉的形式添加，为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，Sc和Er的质量纯度为99.9％～99.99％，Zr的质量纯度为99.5％～99.8％，氧含量均低于50ppm。

上述Zn粉、Mg粉、Cu粉、Mn粉的添加量与焊接母材成分相匹配，根据母材不同进行不同含量的添加，考虑到元素的烧损问题，Cu和Mn按照母材牌号中标准Cu和Mn含量的1.1～1.3倍添加；Zn和Mg按照母材牌号中标准Zn和Mg含量的1.3～1.5倍添加。

优选的，混合盐粉较佳添加重量百分比为14％～17％，其中K₂ZrF₆和KBF₄的质量比优选为:0.94：1。

优选的，稀土Sc粉末单独添加时较佳添加重量百分比为0.4％～0.7％，稀土Er粉末单独添加时较佳添加重量百分比为0.3％～0.6％；Sc和Zr复合稀土粉或者Er和Zr复合稀土粉混合添加时，Sc或Er较优添加重量百分比为0.3％，Zr较优添加重量百分比为0.2％。

所述Zn粉、Mg粉、Cu粉、Mn粉等金属粉以质量纯度大于99.9％的高纯金属粉的形式加入；金属粉末为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，氧含量低于50ppm。

所述的用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充药芯焊丝，其中外皮为质量纯度大于99.5％的1070半硬态纯铝带。本发明药芯填充丝采用常规药芯焊丝成型技术制得。

如上述的用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：

选用宽度为10～16mm，厚度为0.6～1.0mm的1070半硬态纯铝带为填充丝的外皮，首先将纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，然后将其轧制成U型槽填入上述混合均匀的药粉，药粉重量是焊丝重量的20～30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径在0.8～3.0mm。

本发明所述的用于7XXX铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝用于7XXX铝合金焊接，焊接方式包括但不限于钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，焊接时将焊丝置于两个待连接板件的缝隙或坡口中，保护气体为纯度大于99.9％的高纯氩气，焊后用钢丝刷或铜丝刷去除表面的焊渣。

所用药芯焊丝的组分及作用如下：

Mg：有利于提高焊缝硬度，同时又不会使塑性明显降低；

Zn：与Mg元素形成MgZn₂相，起弥散强化作用，对合金产生明显强化作用；

Mn：起微合金化、强韧化作用，降低焊缝腐蚀敏感性，特别是抗应力腐蚀开裂能力得到提高；

Cu：固溶强化作用，提高合金机械性能；

稀土金属：促进异质形核，细化晶粒，易于促进氢形成稳定化合物而抑制氢气孔的产生；

Zr：与稀土作用生成双层结构的二次相，起弥散强化的作用，提高焊缝强度；

混合盐粉末作用方式及机理为：

Al-Zr-B三元体系中会发生以下冶金化学反应：

[Zr]+3Al→Al₃Zr (1)

2[B]+Al→AlB₂ (2)

Al₃Zr+AlB₂→ZrB₂+4Al (3)

总反应方程式为：

3K₂ZrF₆+6KBF₄+10Al＝3ZrB₂+9KAlF₄+K₃AlF₆ (4)

标准生成自由能的计算公式为：

当

时，反应能自发进行，以上方程式涉及到的参加反应物质的标准自由能为：

物质	ΔG<sup>Θ</sup>
		Al	-5609.9-11.35T
Zr	-8308.6-11.23T
		B	7754.1-6.487T
Al<sub>3</sub>Zr	-370858.3+123.02T
		AlB<sub>2</sub>	-237812.8+1162.9T
ZrB<sub>2</sub>	-242568.7-38.617T

进而计算可知：

即：当T＜2053.3K时，

即：当T＜1318K时，

即：当T＞718.1K时，

综合以上热力学数据说明反应在718.1K(445℃)至1318K(1045℃)均能自发进行，即在焊接铝合金熔化状态下(≥660℃)反应自发进行。反应产物ZrB₂陶瓷颗粒为纳米尺度，晶粒细小；与Al具有良好的半共格关系且两相界面间干净无污染。原位ZrB₂颗粒在焊缝中生成能有效抑制枝晶生长使细化晶粒，从而提高接头的性能；除此之外，ZrB₂颗粒能起到钉扎位错的作用，阻止位错运动，提高接头强度。

本发明的高强铝合金用填充丝采用99.99％高纯Ar气作为保护气体，焊接成形良好，无凸起、咬边等缺陷，焊缝金属的各项性能符合工程需求。该混合盐与稀土填充的铝合金药芯焊丝加工成型简便、成本低廉，操作工艺简单、方便、高效、适应性好、易于推广，解决了7XXX铝合金焊接时晶粒组织粗大，热裂纹敏感，接头软化的问题，具有很好的市场应用价值。

附图说明

图1表示利用本发明药芯焊丝焊接铝合金示意图

图2表示本发明药芯焊丝作用下生成ZrB₂颗粒XRD图。

图3表示本发明药芯焊丝作用下生成ZrB₂颗粒SEM图。

图例说明：1-焊枪，2-药芯焊丝，3-保护气。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案等更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下实例中的焊丝的填充率为20～30％，金属粉包括金属Mg粉、金属Zn粉、金属Mn粉、金属Cu粉，稀土(Sc或Er)粉或者(Sc、Zr)、(Er、Zr)混合粉，纯Al粉，且粉末粒度为150～250μm；混合盐粉包括K₂ZrF₆和KBF₄两种，均为白色粉末。以上粉末通过机械均匀混合后，在真空电炉中200℃加热2h进行烘干。

表1表示根据母材厚度选取合适直径的填充药芯丝。

表1推荐使用的填充药芯直径表

板厚(mm)	2.0～4.5	4.5～7.0	≥7.0
				填丝直径(mm)	0.8～1.6	1.6～2.0	2.0～3.0

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种用于7085铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝，其中生成ZrB₂颗粒含量为2％，稀土含量为0.5％。外皮和药芯成分如下：

采用1070纯铝带外皮10×1.0mm，药芯填充丝直径为1.0mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Zn粉含量7.35％，金属Mg粉含量1.6％，金属Cu粉含量1.4％，金属Mn粉含量0.04％，混合盐粉含量10％，其中混合盐中K₂ZrF₆和KBF₄的质量比为0.93，稀土粉含量0.5％，为纯Sc粉，余量为纯铝粉，焊丝填充率为20％。焊接时采用99.99％纯氩气作为保护气。

实施例2

一种用于7075铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝，其中生成ZrB₂颗粒含量为3％，稀土含量为0.4％。外皮和药芯成分如下：

采用1070纯铝带外皮12×1.0mm，药芯填充丝直径为1.2mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Zn粉含量5.5％，金属Mg粉含量2.3％，金属Cu粉含量1.4％，金属Mn粉含量0.3％，混合盐粉含量15％，其中混合盐中K₂ZrF₆和KBF₄的质量比为0.94，(Sc、Zr)稀土混合粉含量0.4％，采用Sc粉与Zr粉质量比2:1的添加方式，余量为纯铝粉，焊丝填充率为24％。焊接时采用99.99％纯氩气作为保护气。

实施例3

一种用于7001铝合金焊接的混合盐与稀土填充的药芯焊丝，其中生成ZrB₂颗粒含量为5％，稀土含量为0.6％。外皮和药芯成分如下：

采用1070纯铝带外皮12×0.8mm，药芯填充丝直径为1.6mm；药芯的化学组成(重量％)为金属Zn粉含量7.5％，金属Mg粉含量3.0％，金属Cu粉含量1.8％，，金属Mn粉含量0.2％，混合盐粉含量28％，其中混合盐中K₂ZrF₆和KBF₄的质量比为0.89，(Er、Zr)稀土混合粉含量0.6％，采用Er粉与Zr粉质量比2:1的添加方式，余量为纯铝粉，焊丝填充率为26％。焊接时采用99.99％纯氩气作为保护气。

Claims

1.一种铝合金药芯焊丝，采用1070半硬态纯铝带作为外皮，焊丝的填充率为20％～30％，即药粉质量占焊丝质量的20-30％，其特征在于，药粉由以下组分按质量百分比配制，总的质量百分比是100％，其中药粉中各成分的质量百分比为：金属Zn粉含量4.5％～8.0％，金属Mg粉含量1.2％～3.5％，金属Cu粉含量0.5％～2.5％，金属Mn粉含量0.04％～0.5％，混合盐粉含量5％～30％，稀土粉含量0.1％～1.0％，余量为纯铝粉；混合盐粉包括K₂ZrF₆和KBF₄两种，K₂ZrF₆和KBF₄质量比为0.86～1.12：1。

2.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，混合盐粉使用前需将粉末研磨至200目。

3.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，稀土粉为Sc、Er、Sc和Zr的复合添加物或Er和Zr复合添加物；Sc和Zr复合添加时，Sc、Zr质量比为2:1；Er和Zr复合添加时，Er、Zr的质量比为2:1；稀土粉以高纯粉的形式添加，为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，Sc和Er的质量纯度为99.9％～99.99％，Zr的质量纯度为99.5％～99.8％，氧含量均低于50ppm。

4.如权利要求1或3所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，稀土Sc粉末单独添加时含量为0.4％～0.7％，稀土Er粉末单独添加时含量为0.3％～0.6％；Sc和Zr复合添加时或者Er和Zr复合添加时，Sc或Er含量为0.3％，Zr含量为0.2％。

5.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，Zn粉、Mg粉、Cu粉、Mn粉的添加量与焊接母材成分相匹配，根据母材不同进行不同含量的添加；考虑到元素的烧损问题，Cu和Mn按照母材牌号中标准Cu和Mn含量的1.1～1.3倍添加；Zn和Mg按照母材牌号中标准Zn和Mg含量的1.3～1.5倍添加。

6.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，混合盐粉含量为14％～17％，其中K₂ZrF₆和KBF₄的质量比为0.94：1。

7.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，所述Zn粉、Mg粉、Cu粉、Mn粉等金属粉以质量纯度大于99.9％的高纯金属粉的形式加入；金属粉末为球形或近球形，粉末粒度为150-250μm，氧含量低于50ppm；外皮为质量纯度大于99.5％的1070半硬态纯铝带。

8.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝，其特征在于，用于7XXX铝合金焊接，焊接方式包括但不限于钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，焊接时将焊丝置于两个待连接板件的缝隙或坡口中，保护气体为纯度大于99.9％的高纯氩气，焊后用钢丝刷或铜丝刷去除表面的焊渣。

9.如权利要求1所述的一种铝合金药芯焊丝的制备方法，其特征在于，选用宽度为10～16mm，厚度为0.6～1.0mm的1070半硬态纯铝带为填充丝的外皮，首先将纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，然后将其轧制成U型槽填入上述混合均匀的药粉，药粉重量是焊丝重量的20～30％，将U型槽合口后，逐次通过不同直径的拉丝模，逐道拉拔、减径，并对焊丝的表面进行清理得到焊丝成品，其直径在0.8～3.0mm。