CN114393343A - 铝合金焊接消耗品和冶金结合的方法 - Google Patents

Abstract

一种铝焊接或钎焊用复合物，包含硅(Si)和镁(Mg)以及一种合金的铝，适用于焊接及钎焊。硅含量可以是约4.7～10.9的重量百分比，镁含量可以是约0.20～0.50重量百分比。该合金适用于如下操作：有少量基底金属稀释或没有稀释影响填充金属的硅及/或镁含量。硅含量能改善流动性，避免应力集中和裂缝。镁含量能提高强度。形成的接头强度至少等于有少量稀释或无稀释(即获取镁基)的基底金属的强度。接头可进行热处理及人工时效或自然时效。

Description

铝合金焊接消耗品和冶金结合的方法

本申请是申请日为2014年11月19日、国际申请号为PCT/US2014/066282、国家申请号为201480073543.4、发明名称为“铝合金焊接消耗品和冶金结合的方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是2011年2月8日提出的第13/023,158号、题目为“铝合金焊丝”的美国专利申请的部分接续申请，该美国专利申请是2010年2月10日提出的第61/303,149号、题目为“铝合金焊丝”的美国临时专利申请的非临时专利申请，本申请参考并引用了这两项美国专利的全部内容。

背景技术

本发明大体上涉及焊接用填充金属领域，具体涉及适用于焊接铝合金的复合物。

有很多已知并且目前正在使用的金属件连接工艺，包括钎焊和焊接。钎焊和焊接都能连接铝制品和铝合金件。与钢或其它金属不同，铝合金因金相、熔点、随特定合金剂的变化而变化的强度等因素而存在特殊问题。此外，由于一方面追求减小铝合金工件的厚度，另一方面又希望工件越来越厚，因此很难选择性能良好、能够达到所期望的物理机械性能的钎焊和焊接材料。

钎焊操作使用熔化温度低于待连接基底金属温度的填充金属。在钎焊中，基底金属不熔，根据合金元素特性选择填充金属的合金元素，以降低填充材料的熔化温度并且湿润在基底金属中始终存在的氧化铝，以便在不熔解基底金属的情况下达到冶金结合。在某些应用中，可以在置于真空或保护环境下的熔炉中实施钎焊，其中，温度仅在填充金属熔化并且通过液体流动和毛细管作用填满固体基底金属元件之间的接头后才上升。钎焊接头一般用于低强度的铝合金以及很薄的截面结构，例如，汽车散热器以及换热器，例如，用于暖通空调系统的散热器以及换热器。钎焊温度可使非热处理铝合金和热处理铝合金退火，从而改变冷加工或热处理和时效处理所达到的机械性能。因此，虽然钎焊的应用比较广泛，但不适用于连接高强度结构用合金。

焊接操作通过熔化每个待连接工件的一部分基底金属，同时熔化填充金属以在接头中形成焊接熔池来连接金属件。焊接需要在接头处集中加热，以形成焊接熔池，焊接熔池一旦凝固就产生填充金属和基底金属的混合化学品的化学复合物。一般可以控制足够高的焊接温度，使填充金属和基底金属两者熔化，并保持最小的基底金属热影响区，以保持机械性能。

钎焊和焊接的添加料一般为丝状，即通过焊炬进给的连续长丝，或手动进给的短丝，或甚至为条状，例如，焊条焊(stick welding)用的涂药焊条，具体形状取决于应用。但是，目前可用的铝合金钎焊和焊接焊丝不能满足众多现代应用的需求。举例来说，现有产品在连接操作中缺乏期望的流动性，或者缺乏当在焊接应用中与基底材料结合时期望的强度，在一系列现代焊接工艺中尤为如此。此外，当焊弧在熔透力、发热量和熔池形成等方面差异较大时，现有铝合金焊丝及复合物无法使最终接头的复合物和强度达到期望程度的一致性要求。

目前需要适合焊接(及钎焊)应用(满足该等需求)的改进型铝合金复合物。

发明内容

根据一个方面，本发明提供了形成焊接接头或钎焊接头的复合物，包含重量百分比约为4.7～10.9(包含这两个值)的硅、重量百分比约为0.15～0.50(包含这两个值)的镁、其余为铝及痕量成分。这些成分的特定子范围具有改进的性能和优异的强度，特别引人注目。此外，本发明提供了用于焊接或钎焊的填充金属产品(例如，焊接消耗品)，包括卷筒焊丝、直线焊丝或焊条(或者钎焊组分，如钎焊环或者钎焊膏)，其包含重量百分比约为4.7～10.9(包含这两个值)的硅、重量百分比约为0.15～0.50(包含这两个值)的镁、其余为铝及痕量成分。

根据另一个方面，本发明提供了焊接接头或钎焊接头的形成方法，包括熔化至少一部分工件的基底材料，在熔化的基底金属中加入填充金属，所述填充金属包含重量百分比约为4.7～10.9(包含这两个值)的硅、重量百分比约为0.15～0.50(包含这两个值)的镁、其余为铝及痕量成分，以及容许形成的焊接接头或钎焊接头凝固。此处再次说明，某些工艺和子范围具有优异的性能和强度。本发明还意在涵盖由所提供的新方法和材料所制成的接头和结构。

附图说明

结合附图阅读以下详细说明有助于更好地理解本发明的上述和其他的特性、方面及其优势，附图中用相同的符号表示相同的部件，其中：

图1为一种示范性焊接系统(适合使用本文公开的新型复合物)的图解视图；

图2为另一种示范性焊接系统(适合使用新型复合物)的图解视图。

具体实施方式

本公开首先描述了本发明所提供的新型复合物，其次论述了优先配合新型复合物使用的典型焊接操作，随后探讨了能从复合物的使用中获益的某些示范性应用。请在整个论述过程中谨记，这种新型复合物的用途不单单局限于焊接或甚至作为填充金属，还适合其他应用和操作，例如钎焊。同样需要理解的是提及“焊丝”时，也同时提及其他适当形式的添加金属，包括但不限于，适用于送丝器应用的连续焊丝(例如，用于金属惰性气体(MIG)电弧焊的连续焊丝)、焊条(例如，用于钨极惰性气体(TIG)保护焊及焊条焊的焊条)以及适用于焊接、熔合、钎焊、板材钎焊包覆(braze cladding of sheet)等类似操作的其他形式。

在第一方面，提供了用于由铝(Al)和铝合金制成的焊接工件的新型复合物。在广义上，复合物包括重量百分比为4.7～10.9的硅(Si)、重量百分比为0.15～0.50的镁(Mg)以及其余为铝和在铝填充金属中常见的痕量元素。目前预期的实施方式包括重量百分比为4.7～8.0的硅，在一个实施方式中，硅的重量百分比为5.0～6.0。另外，在某些实施方式，镁的重量百分比为0.31～0.50，以提高多种焊缝的强度。

就像全球主要的铝生产商提供的那样，铝可能包含痕量元素杂质，包括但不限于，铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、钛(Ti)和铍(Be)。在一个实施方式中，铝合金焊丝可进一步包含总量多达且包含以下数值的下列元素的任意一种或全部：重量百分比为0.80的铁、重量百分比为0.30的铜、重量百分比为0.15的锰、重量百分比为0.20的锌、重量百分比为0.20的钛以及重量百分比为0.0003的铍(其他的所有痕量元素的总重量百分比不超过0.15，每种痕量元素的重量百分比不超过0.05)。在某些实施例中，这些额外的痕量元素可包括锆、钪和/或铬。例如，在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.90的铁(Fe)，多达且包括重量百分比为0.80的铁(Fe)，多达且包括重量百分比为0.70的铁(Fe)，多达且包括重量百分比为0.45的铁(Fe)，多达且包括重量百分比为0.40的铁(Fe)等等。另外，在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.35的铜(Cu)，多达且包括重量百分比为0.30的铜(Cu)，多达且包括重量百分比为0.25的铜(Cu)，多达且包括重量百分比为0.20的铜(Cu)，多达且包括重量百分比为0.15的铜(Cu)，多达且包括重量百分比为0.10的铜(Cu)等等。在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.20的锰(Mn)，多达且包括重量百分比为0.15的锰(Mn)，多达且包括重量百分比为0.10的锰(Mn)，多达且包括重量百分比为0.05的锰(Mn)等等。在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.25的锌(Zn)，多达且包括重量百分比为0.20的锌(Zn)，多达且包括重量百分比为0.15的锌(Zn)，多达且包括重量百分比为0.10的锌(Zn)等等。在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.25的钛(Ti)，多达且包括重量百分比为0.20的钛(Ti)，多达且包括重量百分比为0.15的钛(Ti)等等。在某些实施例中，铝合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.001的铍(Be)，多达且包括重量百分比为0.0005的铍(Be)，多达且包括重量百分比为0.0003的铍(Be)等等。照此，在某些实施例中，所有的痕量元素(即，除了硅、镁和铝的元素)可包括：多达且包括铝合金焊丝重量的1.8％，多达且包括铝合金焊丝重量的1.5％，多达且包括铝合金焊丝重量的1.0％，多达且包括铝合金焊丝重量的0.95％，多达且包括铝合金焊丝重量的0.90％，多达且包括铝合金焊丝重量的0.85％，多达且包括铝合金焊丝重量的0.80％，多达且包括铝合金焊丝重量的0.75％等等。

在复合物形成焊丝的实施方式中，可以提供焊接作业用直线形焊丝(即填充金属)。直线焊丝(连续或定长剪切状)的直径一般不小于0.010英寸，通常小于0.30英寸。在优选实施方式中，直线焊丝具有一种或多种直径，例如，0.023英寸、0.030英寸、0.035英寸(或者0.9毫米)、0.040英寸、0.047英寸(或者3/64英寸或者12毫米)、0.062英寸(或者1/16英寸或者1.6毫米)、0.094英寸(或者3/32英寸或者2.4毫米)、0.125英寸(或者1/8英寸或者3.2毫米)、0.156英寸、0.187英寸及0.250英寸。

为了预期的目的，可以对含其余为铝和痕量杂质的填充材料的个别成分的量进行选择，生产特定的填充合金。例如，如上所述，合金复合物包含重量百分比约为4.7～10.9的硅，具体为接近该范围中间的量，例如，约8.0以下的重量百分比。在特定的实施方式中，硅含量的重量百分比，举例来说，可约为5.0～6.0(例如，重量百分比约为5.2～5.8的硅)，或者约介于5.4～6.0(例如，重量百分比约为5.5～5.8)。在某些实施例中，硅含量的重量百分比，举例来说，约介于4.6～6.0，约介于4.7～6.0，约介于4.6～5.9，约介于4.7～5.9，约介于4.8～5.8等等。

在硅的任一范围内，镁的重量百分比约在0.15～0.50(包含这两个数值)之间变化。换言之，在上述硅的任一范围内，镁的含量可选择如下重量百分比：约为0.17～0.40、约为0.20～0.30、约为0.22～0.30、约为0.25～0.30、约为0.15～0.25、约为0.15～0.23、约为0.15～0.20、约为0.18～0.28和/或约为0.20～0.25。在某些实施例中，镁含量的重量百分比，举例来说，约介于0.20～0.50之间，约介于0.21～0.50之间，约介于0.20～0.49之间，约介于0.21～50.49之间，约介于0.25～0.45之间等等。在当前预期的实施方式中，镁的数量接近范围的上限，其重量百分比约为0.31～0.50，以独立于基底金属的稀释提高焊缝强度，详情参见下文。拟在铝协会中登记当前考虑的一个实施方式，并且向美国焊接协会提交该实施方式，使其认证为认可的铝焊接合金X4043P(硅含量约为5.0～6.0重量百分比，镁含量约为0.31～0.50重量百分比)。

应了解，在本文描述了铝合金焊丝的硅、镁和痕量元素的组分范围情况下，剩余物铝可包括铝合金焊丝重量百分比的约介于88.0～95.0之间，约介于90.0～95.0之间，约介于92.5～95.0之间，或者约介于92.5～94.0之间。换言之，对于每个元素的分析，在某些实施例中，本文所描述的铝合金焊丝基本上由硅、镁、铝和上文所述的痕量元素组成。还应当了解，硅、镁、铝和痕量元素的任一值或范围都可与某些实施例中其他元素的结合。事实上，上文描述的对于硅、镁、铝和痕量元素的某些重叠的范围可以被结合以形成更小或者更大的范围。

本发明所述的复合物特别适用于焊接应用，虽然它们也可用于钎焊等操作(例如，电镀)。图1和图2所示的示范性焊接系统可被有效利用来制造利用本文公开的复合物的铝工件和铝合金工件的接头。如上所述，可以使用各种焊接系统和工艺，包括金属惰性气体保护焊(MIG)工艺、钨极惰性气体保护焊(TIG)工艺、焊条焊(stick welding)工艺等(以及钎焊工艺)。图1为示范性的金属惰性气体保护焊(MIG)系统10，包括电源供应器12和来自气源16的保护气体，电源供应器12用于从输入电源14处获取电力。在很多实施中，电源包括电网，而其他电源也是常见的，例如，内燃发电机组、电池及其他发电储能装置。一般用加压瓶提供保护气体。

电源供应器12包括电源转换电路18，电源转换电路18将外来或存储电能转换成适用焊接的形式。正如本领域的技术人员能够领会的那样，电源转换电路可能包括整流电路、转换器、逆变器、断路器、增压电路等。此外，电路可根据焊接工艺的选择产生交流电或直流电输出。电源转换电路与控制电路20耦合，用来控制转换电路的运行。一般而言，控制电路包括一个或多个处理器22和内存24，内存24存储由处理器执行的用来调节转换电路运行的焊接参数、设定点、焊接工艺程序等。举例来说，处理器可使转换电路执行恒电流工艺、恒电压工艺、脉冲焊接工艺、短路过渡工艺(short circuit transfer processes)或者适用于具有该公开的复合物的焊接铝部件的其他合适的工艺。操作员界面28允许焊接操作人员选择焊接工艺，并设定如电流、电压、送丝速度等焊接参数。

电源供应器12经由线缆30与送丝器32连接。线缆可能包括输送焊接电力的电力线缆，传递控制信号和反馈信号的数据线缆、以及提供保护气体的气体软管或线缆。送丝器32包括根据所公开复合物所述的焊丝卷筒34。送丝驱动36从卷筒中拉出焊丝，将焊丝送往与焊炬40连接的焊接电缆38。尽管送丝器可能包含自有处理器和内存(未显示)，自有处理器和内存用于控制或协同控制送丝速度、自电源至推进的焊丝的电力应用，但送丝驱动一般根据电源的设置来工作。另外还需要注意的是送丝器可能包含自有界面(未体现)，其允许焊接操作人员改变焊接工艺、焊接设置、送丝速度等。

焊接电缆38向焊炬40输送电力和气体，并且可以向送丝器(再向电源)输送数据信号(例如，检测电流和/或电压)。在铝焊接应用中，焊炬40可设置内部电机，在送丝器32协同推动焊丝时拉动焊丝。工件电缆42与待焊接工件44相连，并且容许通过焊炬、焊丝和工件建立闭路，在焊丝和工件之间形成焊弧。焊弧在焊接期间(在选择特定的焊接工艺和控制体系时)保持不变，并且熔化焊丝，一般至少熔化一部分工件或待连接的工件。

如图1附图标记46所示，焊接系统可作调整，以接纳焊条焊焊炬。这种焊炬使用的是电焊条48(可根据公开的复合物制造)而不是连续卷筒进给的焊丝。正如本领域的技术人员能够领会的那样，焊条焊焊炬可直接连接焊接电源供应器12，焊接电源供应器12可执行其他焊接进程(例如，金属惰性气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG))，或者在本项应用中，电源供应器可以就可用工艺方面而言具有更多有限功能。

图2为能配合公开的新型复合物使用的示范性钨极惰性气体保护焊(TIG)系统。钨极惰性气体保护焊(TIG)系统50也包含电源供应器52，电源供应器52与上述系统类似，其用于接收来自电源54的电力，来自气源56的保护气体。正如本领域的技术人员能够领会的那样，所用的保护气体因所选定的工艺而异。电源供应器52同样包含电源转换电路58及相关控制电路60。控制电路60包括一个或多个处理器62和内存64，内存64用于存储焊接设置、焊接工艺等。同样，操作员界面68可允许焊接操作人员设置用于钨极惰性气体保护焊(TIG)工艺的此类焊接参数。

不过，在钨极惰性气体保护焊(TIG)工艺中，焊丝不会被送往工件，仅经由适合的线缆70输送电力和气体。焊炬72接收电力和气体，并且允许经由内部钨电极产生焊弧。工件电缆74与工件76连接，来闭合电路。随着工件产生焊弧以后，焊丝78被送往焊接位置，并在该位置被熔化，一般至少熔化工件的一部分基底金属。脚踏开关78(或另一种操作人员输入装置)可允许操作人员在焊弧持续时以及焊接进行时对工艺过程进行精细控制。

还需要注意的是，配合本发明所述的复合物使用的工艺可以部分自动化或全自动。也就是说，在某些设置下，可使接头被编程为用自动焊接系统、自动机械等来执行。在大多数这种设置下，焊丝如上文所述的从卷筒连续进给。另外，复合物可与多种其他工艺和应用配合使用，例如，与激光焊接、点焊、激光钎焊等配合使用。虽然工艺可通过设计适用于铝和铝合金的连接，复合物绝不仅限于该等应用，还可以用于连接钢等非铝基底材料。

上述方法允许形成包含熔融铝填充材料合金以及部分熔融工件的熔池。在某些实施方式中，熔池包含的铝填充金属合金的重量百分比超过20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、92％、94％、96％、98％、或99％，剩余部分为熔融的基底金属工件。

本发明所述的复合物使用规范也可有效用于生成铝结构的热处理和时效处理。某些这类操作可在温度高于室温以及低于基底金属工件、铝填充金属合金及熔池的熔化温度进行。例如，在某些实施例中，温度大约可在1050°F～1185°F范围内，大约可在1065°F～1170°F范围内，大约可在1080°F～1155°F范围内，大约可在1095°F～1140°F范围内等等。热处理步骤的时间最好在30分钟和30小时之间(如1小时～10小时，例如，2小时～8小时)。另外，工艺过程可能包括允许焊接的铝结构在高于环境温度的温度下在介于30分钟和30天(例如，1小时～1周，例如，2小时～12小时)的一段时间内作时效处理。另外，在环境温度下进行1周～2年(例如，2周～1年，例如，1月～6月)的时效处理对复合物有利。

可以相信，通过使用本发明所述的复合物和焊丝，质量优良的焊接铝结构能生产与利用其他铝填充金属焊接的铝结构相比的优异的焊缝性能，包括高的剪切强度和抗拉伸强度。举例来说，可以相信，复合物可通过焊态下的固熔强化以及镁和硅的金属化合物在焊缝自身和焊接结构焊后热处理和/或时效处理中的形成和沉降而拥有更大强度的焊缝。也可以相信，本发明的复合物使得能够使用较少的热量输入制得与较大焊缝的剪切强度相当的较小的角焊缝，从而减小在焊接状态下焊接结构的热影响区(HAZ)。

本发明所述的复合物，例如单合金板、钎焊复合板、板材、管材、条材、棒材、挤压制品、铸件、锻件、粉末金属零件以及各种配置的金属陶瓷(例如，圆形、方形、矩形)或者其中几种配置的组合，可有利于各种工件和工件配置。可以根据要求设置任何厚度，以打造预期的焊接结构。这些复合物都能很好地配合基底金属工件的所有厚度以及具有熔融的基底材料的熔池的所有稀释量来工作。

具体而言，在lxxx、2xxx、3xxx、5xxx直到3％镁、6xxx及7xxx系列铝合金中配合铝合金基底材料使用时能改善性能。更具体地说，本发明所述的复合物有利于用6xxx系列铝合金制作的基底材料工件。由于可进行热处理，因此6xxx系列合金在很多铝结构中的应用尤为广泛。举例来说，上述结构包括挤压制品、薄板及板材，应用于汽车、卡车拖车、船舶、军用车辆等无数结构的制造。

多年来，人们一直用铝-硅二元合金4043焊接6xxx系列铝合金。4043合金不能进行热处理。4043合金的焊态强度为用该合金焊接的最广泛使用的6xxx系列合金强度的50％。加入镁能使4043成为与6xxx系列合金类似的、可进行热处理的三元合金，在4043中加入足够的镁，在对4043进行焊后热处理和时效处理的情况下，可使4043达到更高的焊态强度并达到与6xxx基底金属类似的机械性能。在焊接操作中，熔池被一定数量的熔融基底材料稀释，这种现象简单称为稀释。举例来说，当用4043焊接6xxx系列基底金属时，发生稀释，填充金属与基底金属熔合，并且熔池获取一定数量的镁。焊缝的强度随着稀释量的增加而提高。目前已经有例如6061的基底金属的焊接规范，例如，AWS D1.2。规范假设基底金属的最小稀释量为20％，且规定最终的焊接组件必须达到的在该稀释量下所得到的剪切强度和抗拉强度。这些标准被用于设计目的，且建立了焊接程序以在生产中满足这些标准。

但是，在本发明之前，行业无法始终如一地满足6xxx系列合金的规范要求。当基底金属和填充金属的化学含量与焊接工艺中的所有变化因素相互结合时，熔池的焊后镁含量缺乏一致性，无法通过控制始终达到规范要求的含量。在两种常用焊接设计中，即角接接头和对接接头，80％的焊接普遍采用角接接头。由于物理形状的关系，焊接角接接头时，稀释量很小。同样，在截面厚度大于3/8英寸或小于3/32英寸的结构中焊接对接接头时，稀释量很小，甚至根本不稀释。因此，这些焊接接头没有从基底金属中获取足够的镁，以达到理想的焊态强度或焊后热处理及时效处理强度。这已带来了非常严重的行业问题。铝是减轻重量、降低能耗的理想金属，但是现有填充金属阻碍了铝的应用。

本发明解决了上述问题。本发明提供了一种铝-硅-镁三元合金，其化学含量产生的剪切强度和抗拉强度能在稀释量很小或根本不稀释(例如，大约小于20％的基底金属稀释量，大约小于10％的基底金属稀释量，大约小于5％的基底金属稀释量，大约小于0％的基底金属稀释量等等)的情况下，满足AWS D1.2关于6xxx系列合金的要求。该基底金属稀释量被定义为被熔融的基底金属重量除以焊接金属的总重量(例如，所有的焊接金属)。例如，对于大约20％的基底金属稀释量，来自熔化电焊条的焊接金属的部分大约是80％。这种填充金属复合物的设计考虑了硅和镁在6xxx系列基底合金中的可能出现的化学含量以及在焊接制造过程中遇到的变化因素，并且确保最终焊缝含有足够的硅和镁，以满足强度要求。如上所述，新型金属复合物可能包含不同的硅和镁量，例如以下不同的重量百分比：4.7～10.9％硅，具体为4.7～8.0％，更具体为5.0～6.0％。镁的成分可能为如下重量百分比：0.15～0.50％以及0.15～0.30％，但为提高强度起见，可以是0.31～0.50。

用这些复合物制得的接头不仅能在连接操作中受益于复合物的性能，还能受益于焊态(或更通常的说法是连接态)结构的增强性能。例如，硅成分能降低熔点和表面张力，增加流动性。相对较高的镁含量使之无须从基底材料中获取镁才能达到较高的强度(例如，与基底金属的强度一致或者超过基底金属的强度)。这一点特别有利于连接较薄的截面(少量基底材料熔化的截面或者其中有少量材料可促成焊态接头)及较厚的截面(可能需要多条焊道，产生多条后续焊道，其从基底材料或初始焊道中获取镁的能力逐渐减弱)。在连续焊道中，各个焊道中的基本上全部的(例如，99％或更多)镁由填充金属提供。

例如，6061基底材料合金通常采用薄板和板材形式，并且用4043填充金属焊接。6061合金是镁-硅型合金，含1％的镁、0.6％的硅，以及少量铜和铬。6061合金通过热处理达到最好的机械性能，在热处理中，合金元素作为金属互化物熔透，强化铝金属基体，在这种情况下，通过仔细控制热操作控制硅化镁及其在整个基体中的大小和分布。这种热处理微观结构很快就被焊接破坏，焊缝热影响区的机械性能损失为30％～50％。6061在-T6热处理条件下的非焊接抗拉强度一般是45KSI，而规范规定的最小焊态下抗拉强度是24KSI。6061的完全退火抗拉强度一般是19KSI。根据采用的焊接条件，完全退火的热影响区可以存在部分6061基底金属。4043的完全退火抗拉强度一般也是19KSI，可能低至15KSI。此外，4043是不能进行热处理的合金。

发布的设计数据说明了用4043焊接的6061在焊态及焊后热处理和时效处理下的机械性能。数据根据不同配置下的实际焊接开发而来。数据的前提条件是一定比例的基底金属在焊接过程中熔化，熔入熔池，产生新的化学品，即4043和6061的混合物。在这种情况下，一些镁进入4043化学品，如果有足够的基底金属熔化，则熔池成为合金，经焊态条件下的镁固溶强化，响应焊后热处理操作。

表1为利用4043焊接的6061基底金属在焊态条件及焊后热处理和时效处理条件下的数据实例：

表1

注意1：在熔池的熔融基底金属无稀释的情况下，合金组合的焊态及焊后热处理抗拉强度达不到AWS D1.2的设计要求。

注意2：对于4643及X4043P，在熔池的熔融基底金属无稀释的情况下，满足AWSD1.2的抗拉强度要求。

如上所述，绝大部分焊接采用两种常用焊接接头类型，即角接接头和对接接头。角接接头的焊接接头角一般是90度，必须用填充金属填满。对于很薄的基底金属截面，必须在焊接操作中将基底金属熔融量控制在绝对最小值，以实现很小的熔融基底金属引起的熔池稀释量。对于本处所举的、采用4043填充金属的实例，产生的焊缝没有足够的镁，达不到焊态强度要求，并且不会响应焊后热处理和时效处理。当角焊缝配合被连接的厚截面尺寸使用时，也会出现上述情形。在这种情况下，熔融基底金属使焊接接头底部有足够的熔池稀释，焊接接头被多条焊道填满，后续焊道中的填充金属不再接近基底材料，不出现基底金属稀释现象。因此，本处再次说明，焊缝的含镁量不足，达不到焊态条件下的强度要求，且不响应焊后热处理和时效处理。用4043焊接的角焊缝所发布数据和AWS D1.2焊接规范认识到了这种情况，机械强度数据正确地显示了在不稀释的情况下待用4043焊接的焊缝强度。另一方面，对接接头的基底金属熔化比例要高得多。对于用4043焊接的6061对接焊缝，所发布的数据和AWS D1.2假设熔池充分稀释，达到焊态条件和焊后加热处理和时效处理条件下的强度要求。但是，对接焊缝中的熔池稀释量很难控制，并且不太可能在生产焊接操作中可靠地重现。

表2为角焊缝的一般最大设计强度，该角焊缝含100％仅用于当前可用合金焊丝的填充金属：

表2

截面大于3/8英寸的对接焊缝无法在焊缝中心形成足够的基底金属熔化量，无法达到熔池的最小稀释量要求。因此，因为4043必须通过将基底金属熔融入熔池中稀释来获得镁，所以如果不能在生产中确实地获得，则很难控制焊态条件及焊后热处理和时效处理条件下的机械性能要求。

如上所述，本发明所述的复合物能与各种焊接工艺一起使用。某些焊接工艺的开发推动了薄截面尺寸结构的生产。脉冲焊接等工艺能阻止基底金属的大量熔化，允许不断缩小焊缝截面的尺寸。特别是在薄型截面结构方面，当前可用的硅焊接合金为达到理想的设计强度提供了可能性，这限制了能够减轻重量、维持强度的零件的设计选择。解决上述问题的改进包括，例如，登记为4643的合金，4643合金被认为是为厚截面6061基底材料的对接焊接提供了一种解决方案。当然也可以用4643合金焊接同样存在熔池稀释不足的薄截面。4643合金是在焊接作业的熔池中产生的从20％6061和80％4043的混合合金获取的合金的一种复制品。与4043相比，4643的硅含量更低，使得流动性更小，熔化温度更高，凝固和固态收缩更大。此外，4643在焊接过程中还经受含少量硅的6xxx系列合金的稀释。当熔池的硅含量在焊接过程中降到2％或以下时，生成的合金达不到最佳焊接特性，且焊接裂缝敏感性问题恶化。因此，4643并未被视为是4043的可行替代品，仅在少数情况下使用4643解决具体问题。4643合金的产量非常少，成本是4043的七倍，没有经济可行性。

本发明所述的复合物解决了6061/4043合金组合的缺点。此复合物含有所需含量的镁，无须依赖熔池稀释达到理想的焊态及焊后热处理机械性能要求。另外，复合物能在焊接过程中经历足够的固溶和淬火速率，以便其可以随着时间的推移自然时效，并且第一年期间在室温下强度增加。复合物还为制造商提供了购买-T4回火6xxx系列合金的选择自由，-T4回火进行固溶热处理和淬火，但不作时效处理。于是，用本发明所述的复合物焊接以后，对成品焊件进行简单的时效处理即可达到接近-T6回火的强度水平。

此外，与4043相比，本发明所述的复合物能使每一种焊缝(无论类型或稀释因子)具有焊态纵向剪切强度至少自动增加17％左右，横向剪切强度至少自动增加33％，抗拉强度至少增加42％，并且焊后热处理剪切强度能提高130％左右。例如，在某些实施例中，焊缝的焊态纵向剪切强度可在16-20KSI范围内，可在17-19KSI范围内，或者大约是18KSI；焊缝的焊态拉伸强度可在30-40KSI范围内，可在32-38KSI范围内，或者大约是35KSI；焊缝的焊后横向剪切强度可在25-35KSI范围内，可在28-33KSI范围内，或者大约是31KSI；焊缝的焊后拉伸强度可在35-50KSI范围内，可在40-45KSI范围内，或者大约是42KSI。相比较焊后强度(例如，热处理剪切强度在32-43KSI范围内，在34-41KSI范围内等等，热处理拉伸强度在46-58KSI范围内，在49-55KSI范围内等等)，热处理焊缝可以使这些强度中的一个或者多个增加15-30％。应当指出某些强度被称为“焊后”强度，但是，在使用钎焊工艺将填充金属(例如，具有本文所述的特性)结合到工件的情况下，这些强度可以被称为“钎焊后”，或者，更普遍地，“后粘合(post-bonding)”强度。

另一个重要考虑因素是制造适合的焊缝所需的填充金属量。用填角的横截面焊喉尺寸及相关填充合金的所发布剪切强度计算角焊缝的剪切强度。各种纯填充金属合金的一些典型剪切强度请参见上述表1。因为填角尺寸随着焊接工艺或焊道数的增加而增加，因此焊喉尺寸的增加与所用填充金属量之间没有线性关系。如果焊喉尺寸增加一倍，则以4倍的因子增加填充填角所需的填充金属量。因为填充填角所需的焊道数量随着焊喉尺寸的增加而迅速增加，并且需要盖住下面的焊道时电焊工必须处理满焊道，因此填充填角所需的填充金属量更大。在某些情况下，如果基底材料未焊透，不存在熔融基底金属引起的熔池稀释，则设计师不得不增加角焊缝的焊喉尺寸，以达到足够的焊缝强度。结果会消耗更多昂贵的填充金属，这提高焊接结构的成本。利用本发明所述的复合物能提高强度，无须为了达到强度要求而使熔池具有足够的镁，因而无须全部焊透，可通过减小角焊缝尺寸极大地降低成本。另外，使用本发明所述的复合物以后，焊缝将在焊态条件下自然时效，时效速度将随着工作温度的升高而迅速加快。焊接接头的机械性能至少在焊后一年内随着时间的推移而持续增强。

关于硅和镁在本发明所述复合物中的绝对量和相对量，发明人意识到，可以用亚共晶复合物制作丝状硅基铝焊接填充金属合金。随着硅含量的增加，凝固区间缩小，液相线和固相线减少。这使得合金的焊接裂缝敏感性下降。硅的含量(重量百分比)降到0.5～2.0％时，铝-硅合金具有凝固裂缝敏感性。所生成的硅含量低于4.7％重量百分比的硅-铝合金限制在达到裂缝敏感区间之前的可能的基底金属的稀释总量。这一特性在基于焊接工艺熔融基底金属形成的熔池稀释量相对较大的钨极惰性气体保护焊(TIG)中尤为重要。在焊接化学品降至0.6～0.8％重量百分比的硅和0.5～1.0％重量百分比的镁时，或者换言之，硅化镁总量下降2％(重量百分比)左右时，在热处理过程中通过硅化镁的沉淀物获得机械性能的合金(诸如6xxx系列)具有裂缝敏感性。从6005系列到6061系列(包括6061)是对裂缝最敏感的6xxx系列合金。这就是镁在铝-硅填充金属合金中的最高实际上限为0.5％(重量百分比)的原因。如果4043填充合金通过熔融6xxx基底金属产生的熔池稀释而获得了0.20％(重量百分比)的最小镁含量，则4043填充合金获得的机械性能类似于6xxx基底金属通过焊后热处理和时效处理至-T6回火的机械性能。所述的X40430P复合物应当具有硅含量为5.0～6.0％重量百分比，镁含量为0.31～0.50％重量百分比。

在某些实施方式中，复合物的规定值域是5.0～6.0％重量百分比。无靶硅含量一般为5.2％重量百分比。无靶硅在华氏1292度下熔化，在合金中形成液体粘度，其内摩擦力为1.1厘泊。焊接行业早就期待ER4043具有这种流动性，50多年来，符合要求的焊接实践也记录了这种流动性。5.0～6.0％(重量百分比)硅含量的另一个优势是与焊接时熔化填充金属所需的电流密切相关。本文所述的变化将使全球焊接工艺规范及众多制造用焊接设备的预编焊接参数发生变化。

硅含量还会影响合金的热膨胀。硅含量降低时，焊珠的热膨胀系数增加。例如，复合物的硅含量为5.2％(重量百分比)时，1.0纯铝的热膨胀系数为0.94。复合物的硅含量为3.5％(重量百分比)时，热膨胀系数为0.97。铝和已知填充金属复合物之间的热膨胀差异会增加焊接变形量，使裂缝敏感性大于本发明所述的复合物。硅含量越大，凝固及固态收缩率越小。与现有复合物相比，本发明所述复合物的硅含量较大，形成较大的共晶相体积分数，能降低熔池的收缩率。本发明所述复合物的裂缝敏感性水平等同于或优于现有合金。因此，本发明所述的复合物可作为现有复合物(例如4043)的直接替代品，且无须改变焊接实践或工艺，此外，与4643(虽然4643并未被视作4043的直接替代物)相比，本发明所述复合物能带来更大的强度效益。

由于本发明所述的新型复合物的镁含量，其不仅能作为4043的直接替代品，还能为各类焊缝带来显著优势，即更大的剪切强度和抗拉强度。本发明所述的复合物能避免熔池缺乏适当的基底金属稀释量而导致的焊接金属机械性能差的问题。可以将这种新型合金的镁含量控制在裂缝敏感水平以下。镁的含量足够低，以允许在焊接6xxx系列合金时，能从熔融基底金属形成的熔池稀释中获得一些额外的镁。因此，新型复合物的最大镁含量为0.50％重量百分比。这一含量为可能的来自熔融基底金属稀释的额外的镁合铸熔池提供了安全系数。焊接强度较低的1xxx或3xxx系列合金且意外获得一些熔池稀释时，发明人的X4043P合金具有0.31的最小镁含量安全系数，能使镁保持满足要求的含量，ER4043或ER4643都没有这种特性。

铝合金基底金属从加工硬化或者从热处理、时效处理等等获得其强度，具体方式取决于合金。焊接工艺引入热循环，这造成了退火效应，该退火效应损害靠近焊缝的临界区域(被称为热影响区(HAZ))的强度机制。热影响区(HAZ)被热循环软化并且失去其强度。热影响区(HAZ)的强度流失在铝中比在铁中更显著，并且热影响区(HAZ)可以比接头中的焊接金属弱。当使用本文所描述的铝合金焊丝制作的焊缝变的更强时，这种情况会变得更显著。这会不利地影响使用本文所描述的铝合金焊丝制作的焊缝，在这些情况下，整个接头的强度由HAZ决定，而不是焊缝本身决定。为了克服这个潜在的问题，焊缝的焊缝尺寸或者横截面面积可能要被减小而保持相同的焊缝强度。更高强度的焊缝使得较小的焊缝尺寸能够在接头(例如，角接接头)获得相当的剪切强度。较小的焊缝能利用较少的热量输入熔敷焊接金属，从而，除了减少潜在的焊接生产时间之外，在较小的热影响区里提供较少的软化。另一个解决方案是采用低热量输入焊接工艺，以使用本文所描述的铝合金焊丝进行焊接。一个潜在的解决方案是使用脉冲焊接工艺、交流焊接工艺、受控短路(CSC)工艺、金属熔敷控制(RMD)工艺、活丝工艺、热丝工艺以及冷金属过渡(CMT)工艺，每一个工艺都采用先进的波形和算法在特定的时期减小电流和/或电压，从而减少热量输入和飞溅。这些焊接工艺可潜在地使用比传统CV工艺更少的热量输入来制作相同的焊缝。

本文描述的铝合金焊丝还增加对焊缝不连续性的耐受性，焊缝不连续性诸如多孔性，它会减弱整个接头的强度。铝接头设计通常包括安全余量以用于考虑在制造过程中的不连续性，诸如多孔性。例如，当在生产过程中表面氧化清洁没有被适当执行时，每单位横截面面积的较强的焊缝补偿焊缝内部潜在的不连续性。

通过控制焊接工艺形成较小的焊缝或者通过使用较低热量输入的焊接工艺获得的较低的热量输入的另一好处是，减少焊接组件的变形。铝具有大约是钢的两倍的热膨胀系数，并且焊接变形在焊接铝中比在焊接钢中为更显著的问题。使用上文描述的较低热量输入焊接工艺以及本文描述的铝合金焊丝可带来较低变形倾向。另一好处是当制作较小的焊缝带来较快的焊接循环时间。

虽然本文仅列举、介绍了本发明的某些特性，但是本领域的技术人员能想到很多修改和变化。因此，所附权利要求书意在涵盖所有落入本发明实质精神之内的所有修改和变化。

Claims (22)

1.一种形成焊接接头的方法，包括：

将至少一部分工件基底金属与填充金属电弧焊接以形成所述焊接接头，其中所述填充金属是铝-硅-镁合金，所述铝-硅-镁合金基本由以下成分组成：

5.0重量％至6.0重量％的硅；

0.31重量％至0.5重量％的镁；以及

剩余为铝和痕量元素，

其中所述痕量元素由以下成分组成：

最大允许量为0.8重量％的铁；

最大允许量为0.3重量％的铜；

最大允许量为0.05重量％的锰；

最大允许量为0.2重量％的锌；

最大允许量为0.2重量％的钛；

最大允许量为0.0003重量％的铍；以及

其他痕量元素，每种所述其他痕量元素的重量百分比不超过0.05％，所有所述其他痕量元素的总重量百分比不超过0.15％。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述焊接接头包括小于约20％的所述基底金属。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法包括：在形成所述焊接接头之后,将所述焊接接头的所述填充金属加热至高于室温的温度1小时-30小时，其中在加热之后，所述焊接接头的所述填充金属具有在约25KSI至约35KSI之间的横向剪切强度以及在约35KSI至约50KSI之间的后粘合拉伸强度。

4.如权利要求3所述的方法，其中在加热之后，所述焊接接头具有在约28KSI至约33KSI之间的横向剪切强度以及在约40KSI至约45KSI之间的拉伸强度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述铝以重量百分比在约92.5％至约95.0％之间的量存在。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述铝-硅-镁合金基本由以下成分组成：

5.0重量％至6.0重量％的硅；

0.3重量％至0.5重量％的镁；以及

剩余为铝和痕量元素。

7.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括金属惰性气体焊接工艺。

8.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括钨极惰性气体焊接工艺。

9.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括焊条焊工艺。

10.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括脉冲焊接工艺。

11.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括交流焊接工艺。

12.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括受控短路工艺。

13.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括金属熔敷控制工艺。

14.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括活丝工艺。

15.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括热丝工艺。

16.如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述焊接接头的工艺包括冷金属过渡工艺。

17.如权利要求1所述的方法，所述方法包括实施多个连续焊道，在所述多个连续焊道中，所述填充金属的先前焊道或所述基底金属被熔化，并且额外的填充金属被熔敷。

18.如权利要求17所述的方法，其中在至少一个连续焊道中，各个焊道中的基本上全部的镁由所述填充金属提供。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述焊接接头具有至少与所述基底金属相同的拉伸强度。

20.如权利要求1所述的方法，其中在所述铝-硅-镁合金的所述痕量元素中，铁的最大允许量为0.4重量％，铜的最大允许量为0.1重量％，锌的最大允许量为0.1重量％，并且钛的最大允许量为0.15重量％。

21.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在1095℉至1140℉范围内的温度下的热处理步骤。

22.如权利要求1所述的方法，其中所述其他痕量元素包括锆、钪和/或铬。

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