发明内容
本发明的第一个目的是提供一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝,解决了铝-钢复合结构制备过程中金属间化合物生成问题。
本发明的第二个目的是提供一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提供及一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝进行电弧堆焊的方法。
本发明所采用的第一个技术方案是,铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝,包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Zn粉20~30%,Mg粉20~30%,Cu粉10~20%,Ag粉10~20%,Zr粉1~3%,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,
各个药粉粉末的纯度均大于99.9%,药粉粉末的粒度均是200~300目。
焊皮为纯1060铝带,铝带厚度0.3mm,宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在20~25wt%。
本发明所采用的第二个技术方案是,铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉20~30%,Mg粉20~30%,Cu粉10~20%,Ag粉10~20%,Zr粉1~3%,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称取的合金粉末,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200~250℃,保温时间为2~4h;混粉机中混合时间为2~4h;
步骤3:焊皮为纯1060铝带,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;药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20~25wt%;
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。
本发明所采用的第三个技术方案是,铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝进行电弧堆焊的方法,采用上述的焊丝进行电弧堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为60~80mm,宽度为10~15mm;堆焊过程控制层间温度在100℃以下,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为2~4mm,宽度为10~15mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在50℃以下,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为60~80mm,宽度为10~15mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在50℃以下。
本发明的有益效果是:
(1)本发明药芯焊丝直径比较小,丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛,该药芯焊丝既可用于TIG焊,又可用于MIG焊;
(2)本发明药芯焊丝采用Al-Zn-Mg-Cu合金系,可以保证铝-钢复合结构的高强度特点。采用高Zn、Mg元素作用过渡层焊缝的主要强化元素;添加Cu元素,保证过渡层焊缝晶内析出相的强度;
(3)本发明药芯焊丝添加Ag元素,可以降低焊丝的熔点,提高与底部钢基体的润湿性和铺展性。焊丝中添加微量的Zr元素,进一步提高过渡层焊缝的强度;
(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。
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。
本发明提供一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝,包括药芯和焊皮,其中药粉按质量百分比由以下组分组成:Zn粉20~30%,Mg粉20~30%,Cu粉10~20%,Ag粉10~20%,Zr粉1~3%,余量为Al粉,以上组分质量百分比之和为100%。
各个药粉粉末的纯度均大于99.9%,药粉粉末的粒度均是200~300目。
焊皮为纯1060铝带,铝带厚度0.3mm,宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在20~25wt%。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下:
Zn和Mg元素作为药芯焊丝的主要合金元素,Zn和Mg是主要的强化元素,时效处理后可形成MgZn2强化相,具有显著的强化效果。在固溶度允许的范围内,适当提高Zn和Mg含量及调整Zn/Mg比后,可显著增加合金中时效析出相的数量,提高合金的强度,但塑韧性及耐蚀性能会受到影响;
Cu元素作为药芯焊丝的主要合金元素,在高Zn含量的合金中,Cu能提高晶内析出相在较高的时效温度下的稳定性,防止晶粒过快地长大粗化,使合金获得较好的抗沿晶腐蚀能,弥补高Zn和高Mg所带来的韧性和耐蚀性的降低。
Ag元素与Al之间的亲和力高于Zn与Al的亲和力,所以添加一定量的Ag可以防止高Zn所带来的Zn-Al脆性相的生成。此外,Ag的加入可以在一定程度上提高焊丝的熔点,增加过渡层熔池与底部钢基体之间的润湿性,提高熔池的铺展性,从而改善焊缝成形。
药芯焊丝中添加微量的Zr元素,微量的Zr对合金的性能提升有重要影响,Zr和Al相互作用形成Al3Zr,与铝基体保持共格关系。
本发明提供一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉20~30%,Mg粉20~30%,Cu粉10~20%,Ag粉10~20%,Zr粉1~3%,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称取的合金粉末,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200~250℃,保温时间为2~4h;混粉机中混合时间为2~4h;
步骤3:焊皮为纯1060铝带,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;药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20~25wt%;
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。
本发明还提供一种铝-钢复合结构制备用过渡层焊丝进行电弧堆焊的方法,采用上述的焊丝进行电弧堆焊,过程如下,如图1所示:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为60~80mm,宽度为10~15mm;堆焊过程控制层间温度在100℃以下,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为2~4mm,宽度为10~15mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在50℃以下,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为60~80mm,宽度为10~15mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在50℃以下。
实施例1
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉25%,Mg粉25%,Cu粉15%,Ag粉15%,Zr粉2%,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称取的合金粉末,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220℃,保温时间为3h;混粉机中混合时间为3h。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在20wt%。
采用实施案例1制备的铝-钢梯度复合结构过渡层焊丝在钢基体上进行堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为60mm,宽度为10mm;堆焊过程控制层间温度在100℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为2mm,宽度为10mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在45℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为60mm,宽度为10mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在45℃。
经测试,铝-钢梯度复合结构的力学性能为:抗拉强度355MPa,断后延伸率26%。
实施例2
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉20%,Mg粉20%,Cu粉10%,Ag粉10%,Zr粉1%,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称取的合金粉末,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200℃,保温时间为2h;混粉机中混合时间为2h。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在25wt%。
采用实施案例2制备的铝-钢梯度复合结构过渡层焊丝在钢基体上进行堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为80mm,宽度为15mm;堆焊过程控制层间温度在50℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为4mm,宽度为15mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在30℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为80mm,宽度为15mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在30℃。
经测试,铝-钢梯度复合结构的力学性能为:抗拉强度377MPa,断后延伸率22%。
用实施案例2制备的药芯焊丝进行铝-钢梯度复合结构制备,其中图2为电弧堆焊层的宏观形貌图,可以看出,由于较好的控制层间温度,所堆焊的直壁结构成形较好。
图3为铝基过渡层的扫描电镜低倍组织形貌图,从图中可以看出,铝基过渡层焊缝以粗大的α-Al为主。
图4为铝基过渡层焊缝的扫描电镜高倍组织形貌图,从图中可以看出,析出相在晶粒内部及沿着晶界分布。
铝-钢梯度复合结构的拉伸断裂发生在铝侧,表明所制备的铝基过渡层与钢之间结合较好。图5为断口形貌,可以看出,断口表面以轫窝形貌为主。
实施例3
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉30%,Mg粉30%,Cu粉20%,Ag粉20%,Zr粉3%,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称取的合金粉末,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250℃,保温时间为4h;混粉机中混合时间为4h。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22wt%。
采用实施案例2制备的铝-钢梯度复合结构过渡层焊丝在钢基体上进行堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为70mm,宽度为12mm;堆焊过程控制层间温度在30℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为3mm,宽度为12mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在20℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为70mm,宽度为12mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在20℃。
经测试,铝-钢梯度复合结构的力学性能为:抗拉强度332MPa,断后延伸率27%。
实施例4
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉23%,Mg粉23%,Cu粉13%,Ag粉13%,Zr粉1.5%,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称取的合金粉末,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230℃,保温时间为2.4h;混粉机中混合时间为2.4h。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在21wt%。
采用实施案例4制备的铝-钢梯度复合结构过渡层焊丝在钢基体上进行堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为68mm,宽度为13mm;堆焊过程控制层间温度在40℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为2.5mm,宽度为13mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在40℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为68mm,宽度为13mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在40℃。
经测试,铝-钢梯度复合结构的力学性能为:抗拉强度350MPa,断后延伸率22%。
实施例5
步骤1:按质量百分比分别称取Zn粉24%,Mg粉26%,Cu粉17%,Ag粉18%,Zr粉2.4%,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称取的合金粉末,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210℃,保温时间为3.7h;混粉机中混合时间为3.6h。
药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在23wt%。
采用实施案例5制备的铝-钢梯度复合结构过渡层焊丝在钢基体上进行堆焊,过程如下:
(1)用钢丝刷打磨Q345钢板,用酒精、丙酮等有机溶剂去除钢板上的油污;
(2)选择ER50-6焊丝进行钢层的电弧堆焊制造,焊接电流为180~200A,堆焊层高度为75mm,宽度为14mm;堆焊过程控制层间温度在80℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(3)采用制备的过渡层焊丝在钢层上进行电弧堆焊,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为3.5mm,宽度为14mm;堆焊过程采用CMT焊接电源,保证基体熔化较少,主要以焊丝熔化为主,从而实现熔纤焊的效果;堆焊过程控制层间温度在35℃,以保证堆焊层的尺寸精度;
(4)采用ER5356焊丝在上述过渡层上进行电弧堆焊,制备铝层,焊接电流为150~180A,堆焊层高度为75mm,宽度为14mm;由于铝的熔点较低,为了保证堆焊层的成形性,控制层间温度在45℃。
经测试,铝-钢梯度复合结构的力学性能为:抗拉强度340MPa,断后延伸率24%。