CN114367759B - 可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝及制备与焊接方法 - Google Patents

可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝及制备与焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的可有效控制Fe‑Al脆性相的焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝解决了铝‑钢复合板直接熔焊对接时Al‑Fe脆性相生成造成强度较低的问题。还提供一种可有效控制Fe‑Al脆性相的焊丝的制备方法及一种可有效控制Fe‑Al脆性相的铝‑钢复合板焊接方法。

Description

可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝及制备与焊接方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝，还涉及一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝的制备方法及一种可有效控制Fe-Al脆性相的铝-钢复合板焊接方法。
背景技术
铝-钢爆炸复合板兼有铝优异的耐腐蚀、轻质和钢高强度特点，是工程领域理想的材料组合。但是铝的主要元素Al和钢的主要元素Fe之间反应会生成多种脆性的Al-Fe金属间化合物(Al5Fe2、Al3Fe、AlFe、AlFe3等)，严重影响接头的性能。因此，开发铝-钢复合板焊接用过渡层材料，是保证铝-钢爆炸复合板大规模工程应用的前提条件。
此外，铝和钢的熔点差异较大，铝的熔点为660℃，钢的熔点为1538℃。两者在进行熔化焊时，由于熔点的差异导致焊接成型较差。需要根据两者的热物理性能进行焊接工艺的合理设计，避免铝的过渡熔化和钢侧的未焊透。
因此，开发铝-钢复合板过渡层用焊接材料，制定合理的焊接工艺参数，实现铝-钢复合板的高强度的连接，具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝，解决了铝-钢复合板直接熔焊对接时Al-Fe脆性相生成造成强度较低的问题。
本发明的第二个目的是提供一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提供及一种可有效控制Fe-Al脆性相的铝-钢复合板焊接方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
各个粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
焊皮为1060铝带，铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20～25wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
步骤2中，真空加热炉内加热温度为150-200℃，保温时间为1～3h；混粉机中混合时间为1～2h。
本发明所采用的第三个技术方案是，可有效控制Fe-Al脆性相的铝-钢复合板焊接方法，复合板焊接顺序为：首先在铝-钢复合板的焊接处开不对称V型坡口，进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用上述焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
本发明的特征还在于，
铝-钢复合板开不对称V型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60°±5°，铝侧坡口角度为70°±5°。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的铝基药芯焊丝中主要添加Si元素，Si元素的含量处于Al-Si二元相图的共晶位置，从而保证铝基药芯焊丝较低的熔点。
(2)本发明的药芯焊丝中加入CsF，AlF3和KF钎剂成分，可以保证药芯焊丝焊接时与底部钢之间有较好的润湿性与铺展性。
(3)铝-钢复合板开不对称X形坡口，先焊接熔点较高的钢，再进行熔点较低的铝层焊接，可以实现熔钎焊的焊接效果。
(4)本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。
附图说明
图1为本发明中的铝-钢复合板坡口形式；
图2为本发明中的铝-钢复合板对接焊接顺序示意图；
图3为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在铝-钢复合板焊接时，过渡层焊缝的显微组织；
图4为本发明中实施案例2制备的药芯焊丝，在铝-钢复合板焊接时，过渡层焊与铝层界面的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
各个粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
焊皮为1060铝带，铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20～25wt％。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：
Al元素作为药芯焊丝的主要组元，焊丝以Al为主，可以保证与复层Al较好的结合。此外，Al的熔点较低，以Al为主的焊丝可以实现与钢焊接时熔钎焊的效果。
Si元素作为药粉的主要组元，根据Al-Si二元相图可知，在577℃时，Al和Si可以发生共晶反应，生成Al+Si共晶组织。共晶组织的熔点较低，可以进一步降低铝药芯焊丝的熔点。Mg、Mn元素的加入，可以提高铝基过渡层焊缝的强度。
药粉中加入了特殊的钎剂成分：CaF，AlF3，KF等，当焊丝熔化时，这些钎剂与焊丝一起熔化，熔化的钎剂能够降低液态铝基熔池与固态钢之间的表面张力，液态铝基熔池随着大量熔化的钎剂在钢表面的迅速铺展开，能够获得良好的润湿铺展效果。由于钎剂的密度较小，会最终上浮到熔池表面，在焊缝表面形成熔渣，保护熔池。
本发明还提供一种可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤2中，真空加热炉内加热温度为150-200℃，保温时间为1～3h；混粉机中混合时间为1～2h。
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明还提供一种可有效控制Fe-Al脆性相的铝-钢复合板焊接方法，如图2所示，复合板焊接顺序为：首先在铝-钢复合板的焊接处开不对称V型坡口，进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用上述焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
如图1所示，铝-钢复合板开不对称V型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60°±5°，铝侧坡口角度为70°±5°。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉40％，Mg粉5％，Mn粉5％，CsF粉5％，AlF3粉5％，KF粉5％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
步骤2中，真空加热炉内加热温度为150℃，保温时间为1h；混粉机中混合时间为1h。
步骤3中铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤3中药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20wt％。
本发明还提供采用上述过渡层焊丝进行铝-钢复合板焊接时的坡口形式与焊接顺序。铝-钢复合板开不对称V型坡口(如图1所示)，钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为75°。铝-钢复合板焊接时(焊接顺序如图2所示)，首先进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用本发明的过渡层焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度361MPa，断后延伸率17％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉50％，Mg粉10％，Mn粉10％，CsF粉10％，AlF3粉10％，KF粉10％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
步骤2中，真空加热炉内加热温度为200℃，保温时间为3h；混粉机中混合时间为2h。
步骤3中铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤3中药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在25wt％。
本发明还提供采用上述过渡层焊丝进行铝-钢复合板焊接时的坡口形式与焊接顺序。铝-钢复合板开不对称V型坡口(如图1所示)，钢侧坡口角度为55°，铝侧坡口角度为65°。铝-钢复合板焊接时(焊接顺序如图2所示)，首先进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用本发明的过渡层焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度354MPa，断后延伸率20％。
采用实施例2制备得到的铝基药芯焊丝焊接铝-钢复合板过渡层，图3为过渡层焊缝的显微组织。从图中可以看出，过渡层焊缝组织分布均匀，未发现气孔裂纹等焊接缺陷。图4为过渡层焊缝与铝层界面的金相组织。从图中可以看出，靠近界面处焊缝组织以柱状树枝晶为主，界面组织过渡均匀，未发现焊接缺陷。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉45％，Mg粉6％，Mn粉6％，CsF粉6％，AlF3粉6％，KF粉6％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
步骤2中，真空加热炉内加热温度为160℃，保温时间为2h；混粉机中混合时间为1.5h。
步骤3中铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤3中药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22wt％。
本发明还提供采用上述过渡层焊丝进行铝-钢复合板焊接时的坡口形式与焊接顺序。铝-钢复合板开不对称V型坡口(如图1所示)，钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为65°。铝-钢复合板焊接时(焊接顺序如图2所示)，首先进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用本发明的过渡层焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强370MPa，断后延伸率18％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉48％，Mg粉8％，Mn粉8％，CsF粉8％，AlF3粉8％，KF粉8％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
步骤2中，真空加热炉内加热温度为170℃，保温时间为1.5h；混粉机中混合时间为1.7h。
步骤3中铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤3中药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20wt％。
本发明还提供采用上述过渡层焊丝进行铝-钢复合板焊接时的坡口形式与焊接顺序。铝-钢复合板开不对称V型坡口(如图1所示)，钢侧坡口角度为55°，铝侧坡口角度为75°。铝-钢复合板焊接时(焊接顺序如图2所示)，首先进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用本发明的过渡层焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度349MPa，断后延伸率19％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉41％，Mg粉7％，Mn粉9％，CsF粉7％，AlF3粉7％，KF粉9％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
步骤1中粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目。
步骤2中，真空加热炉内加热温度为180℃，保温时间为2.5h；混粉机中混合时间为1.8h。
步骤3中铝带厚度0.3mm，宽度7mm。
步骤3中药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在25wt％。
本发明还提供采用上述过渡层焊丝进行铝-钢复合板焊接时的坡口形式与焊接顺序。铝-钢复合板开不对称V型坡口(如图1所示)，钢侧坡口角度为65°，铝侧坡口角度为75°。铝-钢复合板焊接时(焊接顺序如图2所示)，首先进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用本发明的过渡层焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度377MPa，断后延伸率22％。

Claims (3)

1.可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
各个粉末的纯度均大于99.9％，粉末的粒度均是200～300目；
焊皮为1060铝带，铝带厚度0.3mm，宽度7mm；
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20～25wt％。
2.可有效控制Fe-Al脆性相的焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Si粉40～50％，Mg粉5～10％，Mn粉5～10％，CsF粉5～10％，AlF3粉5～10％，KF粉5～10％，余量为Al粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个粉末，置于真空加热炉内加热、保温，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合；
步骤3：采用酒精去除1060铝带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在铝带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.0mm，1.8mm，1.6mm，1.4mm，1.2mm进行拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用；
步骤2中，真空加热炉内加热温度为150-200℃，保温时间为1～3h；混粉机中混合时间为1～2h。
3.可有效控制Fe-Al脆性相的铝-钢复合板焊接方法，其特征在于，复合板焊接顺序为：首先在铝-钢复合板的焊接处开不对称V型坡口，进行钢层焊接，采用ER50-6焊丝进行MAG焊，焊接电流为150-180A；接着将复合板翻转，进行过渡层焊接，采用权利要求1所述焊丝进行MIG焊，焊接电流为100-130A；最后进行铝层焊接，采用ER1070焊丝进行MIG焊接，焊接电流为120-150A；
铝-钢复合板开不对称V型坡口的具体参数为：钢侧坡口角度为60°±5°，铝侧坡口角度为70°±5°。
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