CN114289874A - 一种高强焊缝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强焊缝的制备方法，包括：以高钛铝合金焊丝为填充材料，采用激光电弧复合焊对抗拉强度超过300MPa的高强可热处理的铝合金进行焊接。本发明利用高钛铝合金焊丝使焊缝中钛元素含量控制在0.6％～1.0％之间，在液相中形成大量的TiAl3金属间化合物，为α‑Al的形核提供大量的异质形核点，显著提高了α‑Al的形核率，焊缝晶粒细化至15～25μm，并有效抑制了焊缝边部柱状晶的生长，相比于传统铝合金激光电弧复合焊焊缝，焊缝强度提高了10％～15％。本发明采用低成本钛元素细化晶粒的方法，在有效提高焊缝强度的同时，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种高强焊缝的制备方法，具体为一种高强铝合金激光电弧复合焊高强焊缝的制备方法。
背景技术
采用轻质化的高强可热处理的铝合金代替传统钢铁材料制备高铝化车身，降低车身自重，已成为汽车行业尤其是新能源汽车行业，实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要举措之一。对于可热处理的铝合金而言，主要通过热处理析出纳米级强化相已获得高强、高韧、高服役性能，然而在焊接过程中，由于焊缝和热影响区的纳米级强化相、因粗化而失去析出强化作用，使得焊缝和热影响区发生明显软化。针对焊缝和热影响区软化的问题，采用低热输入对焊缝合金化是一种低成本的解决方式，使激光电弧复合焊接工艺受到了广泛关注。但是对于高强可热处理的铝合金而言，因激光电弧复合焊接工艺的填丝量有限，使焊缝合金化程度较低，焊缝成为接头的薄弱位置，严重恶化了焊缝的强韧性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高强焊缝的制备方法，本发明提供的方法能够制备得到强度较高的焊缝。
本发明提供了一种高强焊缝制备的方法，包括：
以高钛铝合金焊丝为填充材料，利用激光电弧复合焊对铝合金进行焊接，得到高强焊缝。
优选的，所述铝合金为高强可热处理的铝合金。
优选的，所述铝合金的抗拉强度≥300MPa。
优选的，所述铝合金选自6系铝合金、7系铝合金和2系铝合金中的一种或几种。
优选的，所述高钛铝合金焊丝的成分选自Al-Si5-TiX、Al-Si12-TiX、Al-Mg5-TiX和Al-Cu5-TiX中的一种或几种；X为3～5。
优选的，所述焊接的方法选自激光-MIG复合焊、激光-TIG复合焊、激光-CMT复合焊和激光填丝焊中的一种或几种。
优选的，所述高强焊缝中Ti的质量含量为0.6～1.0％。
优选的，所述高强焊缝的金相组织为全等轴晶。
优选的，所述高强焊缝的晶粒尺寸为15～25μm。
优选的，所述焊接过程中的功率为1～3kW，焊接速度为1～3m/min。
本发明在现有技术激光电弧复合焊接的基础上提出一种可有效提高焊缝力学性能、降低焊接成本的高强可热处理的铝合金的焊接方法，通过提高TiAl3金属间化合物的析出温度，在焊接这种快冷速下形成足够的异质形核点，有效析出焊缝晶粒；提高钛含量可有效提高TiAl3金属间化合物的析出温度，钛含量由0.3％提高至0.9％，TiAl3金属间化合物的析出温度由770℃增加至890℃，如图2所示；通过增加焊缝中钛含量，提高TiAl3金属间化合物的析出温度，即可实现上述目的。
本发明以高钛铝合金焊丝为填充焊丝，通过优化焊接工艺对焊缝中的钛含量进行调控，在熔池凝固过程中析出足够的TiAl3金属间化合物，通过异质形核有效提高等轴晶形核率，抑制粗大的柱状晶的形成，使焊缝获得全等轴晶，显著细化了焊缝晶粒，从而有效提高了焊缝的力学性能。
附图说明
图1为本发明提供焊缝力学性能的原理示意图；
图2为本发明中钛含量与金属间化合物析出温度关系图；
图3为本发明比较例1和实施例1制备的焊缝的晶粒形貌图，其中(a)为比较例1，(b)为实施例1；
图4为本发明比较例2和实施例2制备的焊缝的晶粒形貌图，其中(a)为比较例2，(b)为实施例2；
图5为本发明实施例3制备的焊缝的晶粒形貌图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供了一种高强焊缝制备的方法，包括：
以高钛铝合金焊丝为填充材料，利用激光电弧复合焊对铝合金进行焊接，得到高强焊缝。
在本发明中，所述高钛铝合金焊丝的成分优选为Al-Si5-TiX、Al-Si12-TiX、Al-Mg5-TiX和Al-Cu5-TiX中的一种或几种，X为3～5，优选为4；其中的数字为合金元素的质量百分含量，如Al-Si5-TiX成分的含义为5wt％的Si，Xwt％的Ti，余量为Al。
本发明对所述高钛铝合金焊丝的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的焊丝制备方法进行制备即可；所述高钛铝合金焊丝的制备方法优选包括：
将合金原料进行配料后熔炼，得到合金液；
将所述合金液进行拉铸，得到合金锭；
将所述合金锭进行挤压、拔丝，得到高钛铝合金焊丝。
在本发明中，所述合金原料优选包括铝源、铜源、锰源、硅源和钛源等；所述铝源优选为纯铝锭，所述铜源优选为铜锭；所述锰源优选为电解锰；所硅源优选为Al-Si中间合金；所述Al-Si中间合金中Si的质量含量优选为15～25％，更优选为18～22％，最优选为20％；所述钛源优选为海绵钛。
在本发明中，所述配料可按照预获得的高钛铝合金焊丝成分进行配料。
在本发明中，所述熔炼优选包括：
将合金原料熔化后保温，然后进行脱气、造渣，扒渣后加入精炼剂，去除浮渣，继续升温，出炉。
在本发明中，所述熔炼优选在石墨坩埚中进行；优选采用中频或高频熔炼炉进行熔炼。
在本发明中，所述保温的温度优选为700～800℃，更优选为730～770℃，最优选为750℃；所述保温的时间优选为10～15分钟，更优选为11～14分钟，最优选为12～13分钟。
在本发明中，所述脱气优选利用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气；所述六氯乙烷的质量优选为熔炼后的合金液质量的0.3～0.4％，更优选为0.35％。
在本发明中，所述精炼剂优选为六氯乙烷。
在本发明中，所述继续升温的温度优选为830～850℃，更优选为835～845℃，最优选为840℃。
在本发明中，所述出炉之前优选进行充分搅拌。
在本发明中，所述挤压之前优选还包括：
将得到的铸锭锯成段、扒皮。
在本发明中，所述挤压过程中的加热温度优选为330～380℃，更优选为340～370℃，最优选为350～360℃；所述挤压优选在挤压机中进行。
在本发明中，所述拔丝优选在拔丝机中进行；所述拔丝过程中优选进行退火，所述退火的时间优选为320～350℃，更优选为330～340℃，最优选为335℃。
在本发明中，所述高钛铝合金焊丝的直径优选为1.0～1.6mm，更优选为1.1～1.5mm，最优选为1.2～1.3mm。
在本发明中，所述铝合金优选为高强可热处理的铝合金。
在本发明中，所述铝合金的抗拉强度优选≥300MPa，更优选为350～500MPa，最优选为400～450MPa。
在本发明中，所述铝合金优选为经过热处理的铝合金。
在本发明中，所述铝合金优选选自6系铝合金、7系铝合和2系铝合金中的一种或几种高强铝合金，更优选为6082-T6铝合金、2024-T6铝合金或7075-T6铝合金。
在本发明中，所述铝合金优选为板材；所述板材的厚度优选为1.5～3.0mm，更优选为2～2.5mm，最优选为2.2～2.3mm。
在本发明中，所述焊接过程中优选将两块铝合金以拼接的方式放置于工作台上并用焊接卡具固定。
在本发明中，所述焊接的方法优选选自激光-MIG复合焊、激光-TIG复合焊、激光-CMT复合焊和激光填丝焊中的一种或几种，更优选为激光-CMT复合焊；所述激光-CMT复合焊过程中优选采用CWX-3000光纤激光器和CMT500i构成的复合焊接系统。
在本发明中，所述焊接过程中的激光功率优选为1～3kW，更优选为1.5～2.5kW，最优选为2kW；焊接速度优选为1～3m/min，更优选为1.5～2.5m/min，最优选为2m/min；送丝速度优选为1～3m/min，更优选为1.5～2.5m/min，最优选为2m/min；所述焊接过程中优选采用惰性气体进行保护；所述惰性气体的流量优选为10～20L/min，更优选为13～17L/min，最优选为15L/min。
本发明通过优化焊接参数，能够使焊接接头宏观形貌满足要求的条件下，使得到的高强焊缝中的Ti的质量含量优选为0.6～1.0％，更优选为0.7～0.9％，最优选为0.8％。
在本发明中，所述焊接之前优选还包括：
将铝合金表面进行处理。
在本发明中，所述处理的方法优选包括：
先进行去除氧化皮再进行去除油污。
在本发明中，所述去除氧化皮的方法优选包括：化学方法或机械方法。
在本发明中，所述去除油污的试剂优选选自丙酮或酒精。
在本发明中，所述去除油污后优选还包括：
将去除油污后的产品进行晾干。
在本发明中，所述高强焊缝的金相组织优选为全等轴晶；晶粒尺寸优选为15～25μm，更优选为18～22μm，最优选为20μm。
本发明通过添加高钛焊丝对焊缝中钛含量进行调控，提高TiAl3金属间化合物的析出温度，为α-Al的形核提供大量的异质形核点，有效细化焊缝晶粒，并抑制焊缝边部粗大柱状晶的生成，获得全等轴晶焊缝，从而有效提高焊缝的力学性能，如图1所示。本发明采用铝合金中常见的细化剂合金元素钛元素，相比于锆和钪等昂贵元素，有效降低了焊接成本。
实施例1
选用两块3.0mm厚的奥美铝业生产的高强6082-T6铝合金，其抗拉强度约为360MPa，采用机械方法去除表面氧化皮，并用丙酮去除表面油污晾干待用；
将上述处理后的高强可热处理的铝合金板以拼接的方式放置于工作台上并用焊接卡具固定；
采用Al-Si5-Ti3成分作为填充焊丝，利用CWX-3000光纤激光器和CMT500i构成复合焊接系统对上述铝合金板进行激光-CMT复合焊接，采用激光引导方式，焊接功率为2100W，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为1.7m/min；
所述Al-Si5-Ti3焊丝的制备方法为：
根据焊丝成分以纯铝锭、Al-Si20中间合金、海绵钛为原料进行配料；
将上述原料置于石墨坩埚中，利用高频熔炼炉熔化坩埚内的铝锭等原材料；
待原料全部熔化后，在750℃保温13分钟，利用石墨罩将六氯乙烷压入合金液底部搅拌进行脱气、造渣，六氯乙烷质量为合金液质量的0.35％，扒渣完毕，撒少许精炼剂(六氯乙烷)后，除去表面浮渣；继续升温至840℃，充分搅拌，出炉；
将出炉后的合金液拉铸，制成高强度铝合金铸锭；
随后将高强度铝合金铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮；
将扒皮后的铸锭放入挤压机中，加热温度为350℃，挤压；
将挤压后的产物进拔丝机中拔丝，在拔丝过程中退火(退火温度为335℃)，达规格直径(1.2mm)。
焊后观察焊缝宏观形貌良好，无明显飞溅，经直读光谱仪测量焊缝中钛质量含量为0.65％，焊缝平均晶粒尺寸降低至25μm，如图3中(b)所示。
按国标GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》检测焊缝的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率，检测结果：焊缝抗拉强度为270MPa，屈服强度为220MPa，断后伸长率为4.0％。
比较例1
选用两块3.0mm厚的奥美铝业生产的高强6082-T6铝合金，其抗拉强度约为360MPa，用机械方法去除表面氧化皮，并用丙酮去除表面油污晾干待用；
将上述处理后的高强可热处理的铝合金板以拼接的方式放置于工作台上并用焊接卡具固定；
以商用Al-Si5焊丝(美国Lincoln焊材生产的ER4043焊丝)为填充焊丝，利用CWX-3000光纤激光器和CMT 500i构成复合焊接系统对上述铝合金板进行激光-CMT复合焊接，采用激光引导方式，焊接功率为2100W，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为1.7m/min。
按照实施例1的方法对本发明比较例1制备的焊缝晶粒尺寸进行统计，统计结果如图3中(a)所示，焊缝平均晶粒尺寸约为80μm。
按照实施例1的方法对焊缝性能检测，检测结果为，焊缝抗拉强度为240MPa，屈服强度为200MPa，断后伸长率为3.0％。
实施例2
选用两块2.0mm厚的魏桥铝业有限公司生产的高强2024-T6铝合金，其抗拉强度约为370MPa，采用机械方法去除表面氧化皮，并用丙酮去除表面油污晾干待用；
将上述高强可热处理的铝合金板以拼接的方式放置于工作台上并用焊接卡具固定；
以Al-Cu5-Ti4成分作为填充焊丝(制备方法及工艺参数与实施例1相同，区别在于，配料过程中按照Al-Cu5-Ti4成分进行配料)，利用CWX-3000光纤激光器和CMT 500i构成的复合焊接系统对上述铝合金板进行激光-CMT复合焊接，采用激光引导方式，焊接功率为2200W，焊接速度为1.6m/min，送丝速度为2.0m/min。
按照实施例1的方法对焊缝组织及性能间检测，检测结果表明焊缝中钛含量为0.80％，焊缝边部无粗大柱状晶存在，焊缝平均晶粒尺寸降低至20μm，如图4(b)所示。
按照实施例1的方法对焊缝性能检测，检测结果为，焊缝抗拉强度为280MPa，屈服强度为240MPa，断后伸长率为4.5％。
比较例2
选用两块3.0mm厚的奥美铝业生产的高强6082-T6铝合金，其抗拉强度约为360MPa，用机械方法去除表面氧化皮，并用丙酮去除表面油污晾干待用；
以商用Al-5Cu焊丝作为填充焊丝(美国Lincoln焊材生产的ER2319焊丝)，利用CWX-3000光纤激光器和CMT 500i构成的复合焊接系统对上述铝合金板进行激光-CMT复合焊接，采用激光引导方式，焊接功率为2200W，焊接速度为1.6m/min，送丝速度为2.0m/min。
按照实施例1的方法对本发明比较例2制备的焊缝晶粒尺寸进行检测，统计结果如图4中(a)所示，焊缝平均晶粒尺寸约为100μm。
按照实施例1的方法对焊缝性能检测，检测结果为，焊缝抗拉强度为260MPa，屈服强度为220MPa，断后伸长率为3.5％。
实施例3
选用两块2.0mm厚的的魏桥铝业有限公司生产的高强7075-T6铝合金，其抗拉强度为480MPa，采用机械方法去除表面氧化皮，并用丙酮去除表面油污晾干待用；
将上述高强可热处理的铝合金板以拼接的方式放置于工作台上并有焊接卡具固定；
以Al-Mg5-Ti高钛焊丝作为填充焊丝(制备方法及工艺参数与实施例1相同，区别在于，配料过程中按照Al-Mg5-Ti成分进行配料)，利用CWX-3000光纤激光器和CMT 500i构成的复合焊接系统对上述铝合金进行激光-CMT复合焊接，采用激光引导方式，焊接功率为1500W，焊接速度为1.5m/min，送丝速度为1.7m/min。
焊后观察焊缝宏观形貌良好，无明显飞溅，获得低缺陷全等轴晶焊缝，直读光谱仪测量焊缝中钛含量为0.90％，焊缝平均晶粒尺寸降低至15μm，如图5所示。
按照实施例1的方法，检测实施例3制备的焊缝性能，检测结果为，焊缝抗拉强度为340MPa，屈服强度为300MPa，断后伸长率为5.0％。
铸造铝合金中常用的晶粒细化剂以钛元素为主，利用钛与铝反应在液相中形成TiAl3金属间化合物，其与α-Al的晶格错配度极低，使α-Al在其表面形核，从而达到细化晶粒的目的；铸造过程中添加0.02％的钛含量获得足够的TiAl3金属间化合物作为异质形核点，需在浇注前通过保温促进TiAl3金属间化合物的析出，而焊接过程中冷速显著增大，缺乏类似于浇注前的保温阶段，难以形成TiAl3金属间化合物，从而难以在低钛含量下有效细化焊缝晶粒尺寸。
本发明通过添加高钛焊丝对焊缝中钛含量进行调控，提高TiAl3金属间化合物的析出温度，为α-Al的形核提供大量的异质形核点，有效细化焊缝晶粒，并抑制焊缝边部粗大柱状晶的生成，获得全等轴晶焊缝，从而有效提高焊缝的力学性能，如图1所示。本发明采用铝合金中常见的细化剂合金元素钛元素，相比于锆和钪等昂贵元素，有效降低了焊接成本。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。
Claims (10)
1.一种高强焊缝制备的方法，包括：
以高钛铝合金焊丝为填充材料，利用激光电弧复合焊对铝合金进行焊接，得到高强焊缝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金为高强可热处理的铝合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度≥300MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金选自6系铝合金、7系铝合金和2系铝合金中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高钛铝合金焊丝的成分选自Al-Si5-TiX、Al-Si12-TiX、Al-Mg5-TiX和Al-Cu5-TiX中的一种或几种；X为3～5。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接的方法选自激光-MIG复合焊、激光-TIG复合焊、激光-CMT复合焊和激光填丝焊中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高强焊缝中Ti的质量含量为0.6～1.0％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高强焊缝的金相组织为全等轴晶。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高强焊缝的晶粒尺寸为15～25μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接过程中的功率为1～3kW，焊接速度为1～3m/min。
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