CN114952075A

CN114952075A - 用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝及其制备方法

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Publication number: CN114952075A
Application number: CN202210504342.1A
Authority: CN
Inventors: 张天理; 陈浩欣; 方乃文; 李振华; 徐锴; 武雯; 彭净净; 杨凯钦; 葛丽; 葛坤
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2022-05-10
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-05-10
Also published as: CN114952075B

Abstract

本发明公开了用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝及其制备方法，该焊丝化学成分的重量百分比为：Mg4.0％–6.0％，Cu0.05％–0.20％，Fe0.20％–0.40％，Mn0.50％–1.0％，Cr0.05％–0.35％，Ti0.05％–0.20％，Zn0.10％–0.30％，Si0.20％–0.50％，Sc0.05％–0.10％，Zr0.10％–0.20％，Er0.05％–0.10％，V0.01％–0.10％，Y0.01％–0.10％，余量为Al及不可避免的杂质元素，对焊丝化学成分进行合理设计调控并引入表面活性元素，其应用于电弧增材制造能显著提高沉积层精度和打印件的力学性能。

Description

用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于电弧增材制造材料领域，具体涉及用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术

增材制造是具有生产革命意义的新一代制造技术，是推动制造业转型升级的驱动引擎。与传统减材制造技术相比，增材制造具有快速近净成形技术优势，材料利用率高、制造成本低、生产周期短，特别是能够实现精密复杂零件的无模具、高自由度、定制化成型。根据热源不同，金属增材制造主要分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造。由于铝合金具有激光反射率高、热膨胀系数大、液相表面张力低等特殊的物理化学特性，其激光焊接易出现气孔、成形精度差等问题，降低了接头的力学性能，在工业中的应用受到限制。其中电弧增材制造技术因具有熔覆效率高、成型尺寸大、设备成熟且可扩展性高等优势，在金属结构材料领域具有广阔应用前景。

增材制造技术是一种通过逐层沉积填充材料直接制造构件的新技术，其中又分为粉末和丝材两大类，前者由于其制备工艺复杂，设备价格昂贵，目前还未普遍使用，丝材电弧增材制造工艺是增材制造技术中一种通过数字化方式增加材料的典型工艺，与其它增材制造技术相比，电弧增材制造具有沉积效率高、制造成本低、可制造大尺寸构件等优点，以及高度柔性、技术集成度高、材料利用率高、设备成本低和生产效率高等优势。

专利申请CN201811248423X公开了一种增材制造用铝合金粉末及其制备方法，通过工艺优化，制成的铝合金增材制造用粉末球形度高，球形率大于95％，粒径在20±15μm范围内，粒径分布窄，有利于提高增材制造过程中粉末的流动性，可有效起到降低增材制造零部件成分偏析的作用，提高零部件的性能，制备过程中Al、Ti和B₄C粉末发生化学反应生成的TiB₂和TiC增强颗粒，增材制造过程中起到等轴晶形核和晶粒细化的作用，制备的合金大部分晶粒为等轴晶粒，晶粒平均尺寸为50μm，制备的增材制造用铝合金材料具有较高的抗拉强度和延伸率。专利申请CN2019105945490公开了一种通过电弧增材制造进行铝碳化硅复合材料丝材打印的方法，该方法直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，再通过送丝进行逐层打印，可以实现工件的高效快速成形，适用于大尺寸且形状较复杂的构件，其另一个优势是可以实现材料的近净成形，不仅提高原材料的使用率，还能简化复合材料的加工过程，从而节省加工成本，提高材料的利用效率，制备的复合材料具有较高的比刚度、比强度，广泛用于制备航空航天、汽车、船舶等领域的结构件。专利申请CN2019106720649公开了一种电弧增材制造用铝硅基焊丝及其制备方法，其中铝硅基焊丝的增强方式为合金补偿和合金强化，配备的制丝工序中通过去应力退火温度和时间随道次递增逐步提升，焊丝的强度硬度逐步提高，韧性也能保持，具有这种性质的焊丝能实现连续生产，与电弧丝打印匹配。

但是，上述及现有的铝合金电弧增材制造技术缺乏对熔池表面张力及其成型的研究，由于表面粗糙度高且电弧增材制造具有快速非平衡凝固效应，直接导致增材成形尺寸难以实现精确控制，铝合金倾向形成柱状枝晶组织形貌，同时受熔池内部热聚集影响，凝固收缩会产生较大热应力，从而形成热裂纹。在熔池形成的初始阶段，表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用，而电磁力的作用受到抑制，随着熔深增加，电磁力作用增强并引起涡旋，导致熔深和下表面熔宽增加。熔池内的驱动力包括表面张力引起的Marangoni流、温差引起的热浮力以及电弧电流在熔池中发散造成自磁效应而产生的电磁力，在激光等离子弧复合焊接熔池的熔化过程中电磁力的作用是增加熔深和背面熔宽，但在熔化过程的初始阶段它受到上表面张力驱动流的抑制，随着熔池深度的增加其作用开始显现。表面张力引起的Marangoni对流方向由熔池周边指向熔池中心，与电弧等离子体产生的剪切应力流动方向并不一致，这个电弧等离子体由于强大剪切力促使熔池表面由中心向四周流动。

发明内容

针对现有技术中电弧增材制造过程的不足，本发明的主要目的是提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，通过对焊丝化学成分进行合理设计和调控并引入表面活性元素，改变传统低表面张力对熔池成型的影响，形成一种高表面张力焊丝。

本发明的另一目的是提供上述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝在电弧增材制造中的应用，其打印产品具有较好的成型精度和力学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，其焊丝中元素成分的质量百分比为：Mg 4.0％–6.0％，Cu 0.05％–0.20％，Fe 0.20％–0.40％，Mn0.50％–1.0％，Cr0.05％–0.35％，Ti 0.05％–0.20％，Zn 0.10％–0.30％，Si 0.20％–0.50％，Sc 0.05％–0.10％，Zr0.10％–0.20％，Er 0.05％–0.10％，V 0.01％–0.10％，Y0.01％–0.10％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Al、Mg、Zn以铸锭的形式加入，其余元素以中间合金的形式加入熔铸，且同时满足：Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

本发明还提供上述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔铸：将铝锭、镁锭及锌锭进行熔化，在熔体中依次加入其余中间合金，添加精炼剂进行精炼和除气，再对熔体进行除渣，精炼所得的熔体静置，冷却，得到铸锭；

(2)均匀化退火：将步骤(1)中冷却后的铸锭进行均匀化退火，得到铸胚；

(3)热挤压：对步骤(2)所得的铸坯进行挤压变形，制成初线坯；

(4)中间退火：对步骤(3)所得的初线坯进行中间退火处理，制成精线坯，并立即对其进行刮削处理；

(5)拉拔与剥皮：对步骤(4)所得的精线坯进行多道次拉拔，每道拉拔的配模减径梯度小于0.08mm，制成所需规格的丝材后，进行末道刮削处理和超声波清洗，去除丝材表面的氧化膜以及有机物杂质，真空包装，即得。

优选地，步骤(1)中，还包括对所述铝锭、镁锭及锌锭表面打磨掉氧化皮后丙酮清洗去除表面油污及杂质的预处理工序，熔炼温度为700–850℃，静置时间为30–60min，除气采用惰性保护气体，更优选为纯度≥99.999％的氩气。

优选地，步骤(2)中，所述均匀化退火的温度为470–490℃，时间为12–18h。

优选地，步骤(3)中，所述挤压变形的挤压比为50–80：1，挤压速度为1–3mm/s，挤压温度为420–460℃。

优选地，步骤(4)中，每拉丝两次后进行一次去应力退火，去应力退火的温度为300–350℃，去应力退火的时间为20–60min，同时满足所述去应力退火的温度和时间随道次递增。

优选地，步骤(5)中，所述铝合金线坯拉制成直径为0.8–3.2规格的焊丝，超声波频率为20–40KHZ，超声波清洗的水温为35–45℃。

本发明还提供上述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝在电弧增材制造中的应用，包括用于电弧增材制造航空航天、机械和车辆船舶用零部件，特别是适用于电弧增材制造车辆船舶用零部件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明中用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝形成的熔池是动态且不均匀的熔化过程，高表面张力可以影响成形构件的表面粗糙度，从而方便后续材料加工。而且，熔池间较高的表面张力降低沉积层的台阶效应，提高沉积件的成型精度的同时也提高其力学性能。

二、本发明中用于电弧增材制造的的高表面张力5xxx系铝合金焊丝通过电弧增材制造得到的部件屈服强度高于350MPa，抗拉强度高于240MPa，伸长率≥10.5％，晶粒度等级为8级，具有良好的屈服强度、抗拉强度和延伸率，机器人送丝性能良好，相比较于现有的铝合金材料组织中晶粒更细小，符合轻量化制造的同时带来更好的力学性能。

具体实施方式

为了进一步明确本发明的目的及技术方案，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

以下实施例中用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，步骤如下：

上述制备方法中，步骤(1)中，还包括对铝锭、镁锭及锌锭表面打磨掉氧化皮后丙酮清洗去除表面油污及杂质的预处理工序，熔炼温度为700–850℃，优选为750℃，静置时间为30–60min，优选60min，除气采用惰性保护气体，优选为纯度≥99.999％的氩气。

上述制备方法中，步骤(2)中，均匀化退火的温度为470–490℃，优选为480℃，退火时间为12–18h，优选为12h。

上述制备方法中，步骤(3)中，挤压变形的挤压比为50–80：1，优选为60：1，挤压速度为1–3mm/s，优选为2mm/s，挤压温度为420–460℃，优选为450℃。

上述制备方法中，步骤(4)中，每拉丝两次后进行一次去应力退火，去应力退火的温度为300–350℃，优选为320℃，去应力退火的时间为20–60min，优选为30min，同时满足去应力退火的温度和时间随道次递增。

上述制备方法中，步骤(5)中，铝合金线坯拉制成直径为0.8–3.2规格的焊丝，超声波频率为20–40KHZ，优选为30KHZ；超声波清洗的水温为35–45℃，优选为40℃。

实施例1

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg5.2％，Cu0.10％，Fe0.30％，Mn0.60％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.35％，Sc0.10％，Zr0.10％，Er0.10％，V0.05％，Y0.05％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例2

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg5.0％，Cu0.10％，Fe0.30％，Mn0.55％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.40％，Sc0.10％，Zr0.10％，Er0.10％，V0.05％，Y0.05％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例3

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg4.8％，Cu0.15％，Fe0.30％，Mn0.60％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.30％，Sc0.05％，Zr0.10％，Er0.05％，V0.05％，Y0.02％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例4

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg5.4％，Cu0.10％，Fe0.30％，Mn0.60％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.30％，Sc0.10％，Zr0.10％，Er0.10％，V0.04％，Y0.01％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例5

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg4.6％，Cu0.10％，Fe0.30％，Mn0.50％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.35％，Sc0.05％，Zr0.10％，Er0.05％，V0.04％，Y0.05％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例6

本实施例提供一种用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，该焊丝中各元素成分的质量百分比为：Mg5.4％，Cu0.10％，Fe0.25％，Mn0.50％，Cr0.15％，Ti0.10％，Zn0.20％，Si0.30％，Sc0.10％，Zr0.10％，Er0.10％，V0.05％，Y0.01％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

实施例1–6制备的用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝与常规的铝合金焊丝(对比例1)和市售的铝合金焊丝ER5356(对比例2)通过GB-T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》、GB-T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》进行性能测试，结果如表1所示，其中标准晶粒度共分12级，1–4级为粗晶粒，5–8级为细晶粒，9–12级为超细晶粒度。机器人送丝性能测试：计算焊丝每分钟电弧熄灭次数，3次以下记为√，3–5次记为○，5–7次记为△，7次以上记为×。

表1

实施例	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)	晶粒度(G)	机器人送丝
						实施例1	242	362	10.8	7	√
实施例2	241	350	11.2	7	√
						实施例3	243	356	11.0	7	√
实施例4	246	360	10.9	7	○
						实施例5	240	355	11.1	7	○
实施例6	245	359	10.5	7	√
						对比例1	216	330	9.8	5	△
对比例2	210	326	10.1	5	×

由表1可知，对比例1和2中不含Sc、Y、Er、Zr等表面活性元素，其铝合金焊丝经过电弧增材制造后的制品屈服强度、抗拉强度和延伸率等性能均不如实施例1–6。实施例1–6制得的用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝经过电弧增材制造后的制品具有良好的屈服强度、抗拉强度和延伸率，其中抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥240MPa，伸长率为10.5％–11.2％，晶粒度为8G，机器人送丝性能良好，相比较于现有的铝合金材料组织中晶粒更细小，符合轻量化制造的同时带来更好的力学性能。由此证明，本发明中用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝通过对焊丝化学成分进行合理设计和调控并引入表面活性元素，改变传统低表面张力对熔池成型的影响，形成一种高表面张力焊丝，可以将其应用于电弧增材制造零部件，特别适用于电弧增材制造车辆船舶用零部件，综合性能优异。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝，其特征在于，其焊丝中元素成分的质量百分比为：Mg 4.0％–6.0％，Cu 0.05％–0.20％，Fe 0.20％–0.40％，Mn 0.50％–1.0％，Cr 0.05％–0.35％，Ti 0.05％–0.20％，Zn 0.10％–0.30％，Si 0.20％–0.50％，Sc0.05％–0.10％，Zr 0.10％–0.20％，Er 0.05％–0.10％，V 0.01％–0.10％，Y 0.01％–0.10％，余量为Al及不可避免的杂质元素；其中Al、Mg、Zn以铸锭的形式加入，其余元素以中间合金的形式加入熔铸，且同时满足：Sc、Er和Y的总质量百分比≤0.30％，Zr和V的总质量百分比≤0.20％，Sc与Er的质量比为1：1，Zr与V的质量比≥1.2。

2.权利要求1所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，还包括对所述铝锭、镁锭及锌锭表面打磨掉氧化皮后丙酮清洗去除表面油污及杂质的预处理工序。

4.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，熔炼温度为700–850℃，静置时间为30–60min，除气采用惰性保护气体。

5.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，均匀化退火的温度为470–490℃，时间为12–18h。

6.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述挤压变形的挤压比为50–80：1，挤压速度为1–3mm/s，挤压温度为420–460℃。

7.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，每拉丝两次后进行一次去应力退火，去应力退火的温度为300–350℃，去应力退火的时间为20–60min，同时满足所述去应力退火的温度和时间随道次递增。

8.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述铝合金线坯拉制成直径为0.8–3.2规格的焊丝。

9.根据权利要求2所述用于电弧增材制造的高表面张力5xxx系铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，超声波频率为20–40KHZ，超声波清洗的水温为35–45℃。

10.权利要求1所述用于电弧增材制造的的高表面张力5xxx系铝合金焊丝在电弧增材制造中的应用，包括用于电弧增材制造航空航天、机械和车辆船舶用零部件。