CN115652152B - 可细化mig焊缝晶粒的5xxx铝合金、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金、其制备方法及应用。按重量百分比计，5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.0~4.9%、Mn 0.2~0.5%、Ti 0.01~0.06%、Fe 0.1~0.35%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；制备方法包括将原料进行熔铸，Ti通过Al‑5Ti‑1B中间合金在750~770℃加入，得到铸锭，进行500~520℃均匀化处理3~5h，得到均匀化铸锭进行热轧、冷轧和退火。本发明的5XXX铝合金应用于MIG焊可以有效调控焊缝区和熔合区晶粒尺寸，将焊缝区晶粒细化至30~40μm，极大提高焊缝强度。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金、其制备方法及应用。
背景技术
在众多金属材料中，铝及铝合金因其密度小、比强度高、拥有较好的耐蚀性能和焊接性能，是节能减排，实现新能源汽车轻量化的首选材料。5XXX铝合金为不可热处理强化铝合金，具有诸多优良性能，通常可通过合金化手段提高其力学性能，以减少依靠增加材料厚度提升结构件强度的情况。
退火态的5XXX系铝合金具有较高屈强比和延伸率，可采用冷冲压的加工方式生产出汽车车门和发罩机盖，之后进行零部件总成至白车身，可采用铆接、电阻点焊、MIG焊等连接工艺。MIG焊具有成本低廉、自动化程度高的特定，目前广泛应用于铝合金汽车车身上，由此，也对5XXX铝合金，尤其是板材的焊缝强度提出了更高要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金、其制备方法及应用，以解决现有技术中5XXX铝合金板材经MIG焊接后，焊缝晶粒粗大、强度低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金的制备方法，按重量百分比计，5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.0~4.9%、Mn0.2~0.5%、Ti 0.01~0.06%、Fe 0.1~0.35%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%；制备方法包括以下步骤：步骤S1，将5XXX铝合金板材的原料进行熔铸，得到铸锭，其中Ti通过Al-5Ti-1B中间合金在750~770℃加入；步骤S2，将铸锭进行均匀化处理，温度为500~520℃，时间为3~5h，得到均匀化铸锭；步骤S3，将均匀化铸锭进行热轧，得到热轧板；步骤S4，将热轧板进行冷轧，得到冷轧板；步骤S5，将冷轧板进行退火处理，得到可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金。
进一步地，按重量百分比计，5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.5~4.6%、Mn 0.2~0.3%、Ti 0.03~0.06%、Fe 0.1~0.2%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%。
进一步地，热轧包括：将均匀化铸锭进行第一热轧，得到第一热轧板，然后将第一热轧板回炉保温后进行第二热轧，得到热轧板。
进一步地，第一热轧的开轧温度为500~520℃，道次压下量为2~4mm/道次，第一热轧板的厚度为25~35mm。
进一步地，回炉保温的温度为505~515℃，时间为0.3~1h。
进一步地，优选地，第二热轧的道次压下量为2~4mm/道次，热轧板的厚度为4~6mm。
进一步地，冷轧的道次压下量为0.5~1mm/道次，冷轧板的厚度为2.5~3mm；优选地，退火处理的温度为500~520℃，时间为40~60s。
根据本发明的另一方面，提供了一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金，由本发明的制备方法得到。
根据本发明的另一方面，提供了一种铝合金的焊接方法，采用上述的5XXX铝合金作为母材，与焊丝进行MIG焊接，优选焊丝为ER4043焊丝。
根据本发明的另一方面，提供了一种焊接接头，使用上述焊接方法得到，焊接接头的焊缝晶粒尺寸为30~40μm。
本发明通过使用特定的铝合金元素配比，并采用Al-5Ti-1B中间合金在特定温度下进行添加，使得Al-5Ti-1B中间合金发挥细化剂的作用，结合特定加工制备工艺，应用于MIG焊时可以有效调控焊缝区和熔合区晶粒尺寸，将焊缝区晶粒细化至30~40μm，熔合区由原有柱状晶向等轴晶转变。而且由于本发明使用特定的铝合金成分和Al-5Ti-1B中间合金，从而可以使用低温短时间均匀化处理即可达到较好的均匀组织的效果，可以进一步降低生产成本。本发明的5XXX铝合金不含稀有贵金属，而且采用低成本的铝钛硼作为中间合金添加钛元素， 成本可控，无需改造生产线，可在常规生产线上实现加工生产，生产出的5XXX铝合金具有较好的焊接性，与ER4043焊丝应用MIG焊接工艺制备焊接接头时，可有效细化焊缝组织晶粒，提高焊缝强度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据对比例1至3和本发明实施例1至2的合金板材母材晶粒形貌图；
图2示出了根据对比例1至3和本发明实施例1至2的合金板材MIG焊接接头焊缝区晶粒形貌图；
图3示出了根据对比例1至3和本发明实施例1至2的合金板材MIG焊接接头熔合区晶粒形貌图；以及
图4示出了根据对比例1和本发明实施例1的合金板材MIG焊接接头显微硬度曲线图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
a、实施例1；b、实施例2；c、对比例1；d、对比例2；e、对比例3。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在5XXX铝合金板材经MIG焊接后，焊缝晶粒粗大、强度低的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金的制备方法，按重量百分比计，5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.0~4.9%、Mn 0.2~0.5%、Ti 0.01~0.06%、Fe 0.1~0.35%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%；制备方法包括以下步骤：步骤S1，将5XXX铝合金板材的原料进行熔铸，得到铸锭，其中Ti通过Al-5Ti-1B中间合金在750~770℃加入；步骤S2，将铸锭进行均匀化处理，温度为500~520℃，时间为3~5h，得到均匀化铸锭；步骤S3，将均匀化铸锭进行热轧，得到热轧板；步骤S4，将热轧板进行冷轧，得到冷轧板；步骤S5，将冷轧板进行退火处理，得到可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金。
本发明先将5XXX铝合金板材的原料进行熔铸，得到铸锭，其中Ti通过Al-5Ti-1B中间合金在750~770℃加入，使得Al-5Ti-1B中间合金同时发挥铝合金细化剂的作用；随后将铸锭进行均匀化处理，温度为500~520℃，时间为3~5h，得到均匀化铸锭，由于本发明使用特定的铝合金成分和Al-5Ti-1B中间合金，从而可以使用低温短时间均匀化处理即可达到较好的均匀组织的效果，可以进一步降低生产成本。然后将均匀化铸锭依次进行热轧、冷轧、退火处理，得到可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金。
本发明的5XXX铝合金通过添加Mg元素进行固溶强化，通过添加Ti、Mn进行细晶强化，并控制Fe含量在特定范围内，这是因为当上述元素含量过低时，强化效果不足，含量过高时又会产生多种金属间化合物，对铝合金整体性能产生不利影响，因此本发明限定各元素含量在上述范围，以改善金属组织，通过固溶强化和细晶强化提升焊缝强度，并达到焊缝区和熔合区晶粒细化的效果，使其更适合于使用本发明的制备方法进行5XXX铝合金的制备，从而得到焊接性能更加优异、焊缝晶粒更加细化的5XXX铝合金板材。而且本发明的5XXX铝合金不含稀有贵金属，采用低成本的铝钛硼中间合金作为Ti源和细化剂，成本可控，无需改造生产线，可在常规生产线上实现加工生产，结合特定加工制备工艺生产出的5XXX铝合金具有较好的焊接性，与ER4043焊丝应用MIG焊接工艺制备焊接接头时，可有效细化焊缝组织晶粒，提高焊缝强度。
发明人在研究中发现，在MIG焊接过程中，当5XXX铝合金的晶粒细化程度较高时，其自身强度等性能将会得到提升，在焊接时，强度较高的5XXX铝合金母材一方面可以使得焊缝强度更进一步提升。另一方面，由本发明的5XXX铝合金母材的制备过程中，钛元素通过Al-5Ti-1B中间合金加入，制备得到的铝合金中会遗留少量的B元素，其含量一般＜0.05%。在MIG焊接过程中，原有母材基体局部熔化，Al、Ti和少量B形成的TiAl3和TiB2颗粒会随着基体的熔化进入焊缝熔池中，TiB2自身熔点高不易被溶解保持颗粒状，而TiAl3在熔池中会发生溶解并向铝熔体提供溶质Ti，溶解在熔体中的Ti由于与TiB2粒子有较小的润湿角，将会向TiB2发生偏聚，并在TiB2颗粒上形成TiAl3包裹层，在焊缝凝固过程中，大量被TiAl3薄层包裹的TiB2粒子将作为有效的形核基底，促进形核。
同时，在熔池中未被彻底溶解的TiAl3相发生包晶反应，也直接起到了形核作用，焊缝凝固后在焊缝区形成均匀细小的等轴晶，在熔合区由柱状晶向等轴晶转变，焊接接头晶粒组织整体得到细化，细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内，同时细晶增加晶界面积，起到阻碍位错运动的作用，常温下细晶比粗晶材料具有更佳的力学性能，因此焊接接头焊缝区和熔合区的硬度均可以得到较大提升。
在一种优选的实施方式中，按重量百分比计，5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.5~4.6%、Mn 0.2~0.3%、Ti 0.03~0.06%、Fe 0.1~0.2 %、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%。上述成分的铝合金用于MIG焊时细化焊缝组织晶粒、提高焊缝强度的效果更佳。
更优选地，按重量百分比计，铝合金成分为：Mg 4.56%、Mn 0.23%、Ti 0.041%、Fe0.19%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；或者，铝合金成分为：Mg 4.54%、Mn 0.23%、Ti 0.058%、Fe 0.19%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；或者，铝合金成分为：Mg4.00%、Mn 0.20%、Ti 0.010%、Fe 0.10%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；或者，铝合金成分为：Mg 4.50%、Mn 0.20%、Ti 0.030%、Fe 0.10%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；或者，铝合金成分为：Mg 4.60%、Mn 0.30%、Ti 0.060%、Fe 0.20%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质；或者，铝合金成分为：Mg 4.90%、Mn 0.50%、Ti 0.060%、Fe 0.35%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质。
实际生产过程中，在一种优选的实施方式中，热轧包括：将均匀化铸锭进行第一热轧，得到第一热轧板，然后将第一热轧板回炉保温后进行第二热轧，得到热轧板。两次热轧有利于将铝合金均匀的轧制到目标厚度，材料各处组织均匀性更佳，自身晶粒也得到进一步细化，强度性能提升。
控制开轧温度有利于塑性变形以及控制材料的终轧温度，如果开轧温度过低，会降低合金的热加工性能，容易导致轧制过程中出现开裂和边裂等现象，过高又不会带来性能的提高反而导致能源浪费，鉴于此，在一种优选的实施方式中，第一热轧的开轧温度为500~520℃，道次压下量为2~4mm/道次，第一热轧板的厚度为25~35mm。在上述第一热轧工艺条件下，更有利于变形过程以及后续的热处理工艺顺利进行。
回炉保温可以降低热轧过程中对流和辐射造成的热量损耗，保证整个热轧工序中都具有设定高温，避免轧制工件内外温差大对材料质量产生不良影响。因此，在一种优选的实施方式中，回炉保温的温度为505~515℃，时间为0.3~1h，可以更好地保持材料具有成分组织均匀性，为后续母材获得细晶粒组织提供良好基础。
第二热轧与第一热轧的道次压下量保持一致，以使得材料组织更加均匀，因此，在一种优选的实施方式中，第二热轧的道次压下量为2~4mm/道次，热轧板的厚度为4~6mm。
冷轧率太大或太小都会导致板材各向异性大，降低铝合金性能，并导致晶粒粗大，因此，在一种优选的实施方式中，冷轧的道次压下量为0.5~1mm/道次，冷轧板的厚度为2.5~3mm。
退火可以控制再结晶晶粒的大小和取向，改善合金的各项异性，因此，优选地，退火处理的温度为500~520℃，时间为40~60s，能更好地使合金的晶粒达到细化要求。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金，由本发明的制备方法得到。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种铝合金的焊接方法，采用上述5XXX铝合金作为母材，与焊丝进行MIG焊接，优选焊丝为ER4043焊丝。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种焊接接头，使用上述焊接方法得到，焊接接头的焊缝晶粒尺寸为30~40μm，焊缝晶粒得到良好细化，强度得到较大提升。其中MIG焊接工艺参数使用本领域常规参数即可。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
实施例1的5XXX铝合金的组分见表1，制备方法如下：
（1）将铝合金组分原料进行熔铸，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-1B中间合金形式加入，加入温度为760℃，得到铸锭；
（2）将铸锭进行均匀化处理，均匀化制度为510℃，保温3小时，得到均匀化铸锭；
（3）将均匀化处理后的铸锭进行热轧，开轧温度为510℃，按照3mm/道次轧制至30mm后，回炉510℃保温0.5小时，继续按照3mm/道次轧制至5mm，自然冷却到室温，得到热轧板；
（4）将热轧板进行冷轧，按照1mm/道次冷轧至2.5mm，得到冷轧板；
（5）将冷轧板进行退火，退火制度为520℃，时间60s，得到5XXX铝合金的板材；
（6）将上述5XXX铝合金板材作为母材，采用ER4043焊丝，应用MIG焊，焊接参数为104A，0.8m/min进行焊接，对母材和焊接后的接头取金相进行观察，测量焊缝区晶粒度。
实施例2至6
实施例2至6与实施例1的区别在于，5XXX铝合金的组分不同，详见表1。
实施例7
实施例7的5XXX铝合金的组分同实施例1，制备方法如下：
（1）将铝合金组分原料进行熔铸，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-1B中间合金形式加入，加入温度为750℃，得到铸锭；
（2）将铸锭进行均匀化处理，均匀化制度为500℃，保温5小时，得到均匀化铸锭；
（3）将均匀化处理后的铸锭进行热轧，开轧温度为500℃，按照2mm/道次轧制至35mm后，回炉505℃保温1小时，继续按照2mm/道次轧制至6mm，自然冷却到室温，得到热轧板；
（4）将热轧板进行冷轧，按照0.5mm/道次冷轧至3mm，得到冷轧板；
（5）将冷轧板进行退火，退火制度为500℃，时间60s，得到5XXX铝合金的板材；
（6）将上述5XXX铝合金板材作为母材，采用ER4043焊丝，应用MIG焊，焊接参数为104A，0.8m/min进行焊接，对母材和焊接后的接头测量焊缝区晶粒度。
实施例8
实施例8的5XXX铝合金的组分同实施例1，制备方法如下：
（1）将铝合金组分原料进行熔铸，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-1B中间合金形式加入，加入温度为770℃，得到铸锭；
（2）将铸锭进行均匀化处理，均匀化制度为520℃，保温3小时，得到均匀化铸锭；
（3）将均匀化处理后的铸锭进行热轧，开轧温度为520℃，按照4mm/道次轧制至25mm后，回炉515℃保温0.3小时，继续按照4mm/道次轧制至4mm，自然冷却到室温，得到热轧板；
（4）将热轧板进行冷轧，按照1mm/道次冷轧至2.5mm，得到冷轧板；
（5）将冷轧板进行退火，退火制度为520℃，时间40s，得到5XXX铝合金的板材；
（6）将上述5XXX铝合金板材作为母材，采用ER4043焊丝，应用MIG焊，焊接参数为104A，0.8m/min进行焊接，对母材和焊接后的接头测量焊缝区晶粒度。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，5XXX铝合金的组分不同，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-0.2B中间合金形式加入，详见表1。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，5XXX铝合金的组分不同，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-0.2B中间合金形式加入，详见表1。
对比例3
对比例3的5XXX铝合金的组分见表1，制备方法如下：
（1）将铝合金组分原料进行熔铸，熔铸过程中Ti元素通过Al-5Ti-0.2B中间合金形式加入，加入温度为710℃，得到铸锭；
（2）将铸锭进行均匀化处理，均匀化制度为510℃，保温5小时，得到均匀化铸锭；
（3）将均匀化处理后的铸锭进行热轧，开轧温度为510℃，按照3mm/道次轧制至5mm，自然冷却到室温，得到热轧板；
（4）将热轧板进行冷轧，按照0.75mm/道次冷轧至2.5mm，得到冷轧板；
（5）将冷轧板进行退火，退火制度为500℃，时间30s，得到5XXX铝合金的板材；
（6）将上述5XXX铝合金板材作为母材，采用ER4043焊丝，应用MIG焊，焊接参数为104A，0.8m/min进行焊接，对母材和焊接后的接头取金相进行观察，测量焊缝区晶粒度。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于，5XXX铝合金的组分不同，详见表1。
参照《GB/T 3246.1-2012 变形铝及铝合金制品组织检验方法 第1部分：显微组织检验方法》对接头焊缝区晶粒度进行评级，实施例1至8和对比例1至4的母材及焊缝晶粒尺寸及晶粒度级别见表2。实施例1至2和对比例1至3的合金板材母材晶粒形貌图见图1；实施例1至2和对比例1至3的合金板材MIG焊接接头焊缝区晶粒形貌图见图2；实施例1至2和对比例1至3的合金板材MIG焊接接头熔合区晶粒形貌图见图3；实施例1和对比例1的合金板材MIG焊接接头显微硬度曲线图见图4。
由上可知，与对比例相比，本发明各实施例通过使用特定的铝合金元素配比，并采用Al-5Ti-1B中间合金在特定温度下进行添加，使得Al-5Ti-1B中间合金发挥细化剂的作用，结合特定加工制备工艺，在保证母材晶粒细化程度较高的同时，应用于MIG焊时可以有效调控焊缝区和熔合区晶粒尺寸，将焊缝区晶粒细化至30~40μm，熔合区由原有柱状晶向等轴晶转变。而且由于本发明使用特定的铝合金成分和Al-5Ti-1B中间合金，从而可以使用低温短时间均匀化处理即可达到较好的均匀组织的效果，可以进一步降低生产成本。本发明的5XXX铝合金不含稀有贵金属，而且采用低成本的铝钛硼作为中间合金添加钛元素， 成本可控，无需改造生产线，可在常规生产线上实现加工生产，生产出的5XXX铝合金具有较好的焊接性，与ER4043焊丝应用MIG焊接工艺制备焊接接头时，可有效细化焊缝组织晶粒，提高焊缝强度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.0~4.9%、Mn 0.2~0.5%、Ti 0.01~0.06%、Fe 0.1~0.35%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种所述不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%；所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1，将所述5XXX铝合金板材的原料进行熔铸，得到铸锭，其中Ti通过Al-5Ti-1B中间合金在750~770℃加入；
步骤S2，将所述铸锭进行均匀化处理，温度为500~520℃，时间为3~5h，得到均匀化铸锭；
步骤S3，将所述均匀化铸锭进行热轧，得到热轧板；
步骤S4，将所述热轧板进行冷轧，得到冷轧板；
步骤S5，将所述冷轧板进行退火处理，得到所述可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金；
其中，所述热轧包括：将所述均匀化铸锭进行第一热轧，得到第一热轧板，然后将所述第一热轧板回炉保温后进行第二热轧，得到所述热轧板；所述第一热轧的开轧温度为500~520℃，道次压下量为2~4mm/道次，所述第一热轧板的厚度为25~35mm；所述回炉保温的温度为505~515℃，时间为0.3~1h；所述第二热轧的道次压下量为2~4mm/道次，所述热轧板的厚度为4~6mm；
其中，所述冷轧的道次压下量为0.5~1mm/道次，所述冷轧板的厚度为2.5~3mm；
其中，所述退火处理的温度为500~520℃，时间为40~60s。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述5XXX铝合金由以下成分组成：Mg 4.5~4.6%、Mn 0.2~0.3%、Ti 0.03~0.06%、Fe 0.1~0.2%、B＜0.05%，余量为Al及不可避免的杂质，每种所述不可避免的杂质＜0.05%，总杂质＜0.15%。
3.一种可细化MIG焊缝晶粒的5XXX铝合金，其特征在于，由权利要求1或2所述的制备方法得到。
4.一种铝合金的焊接方法，其特征在于，采用权利要求3中所述的5XXX铝合金作为母材，与焊丝进行MIG焊接，所述焊丝为ER4043焊丝。
5.一种焊接接头，其特征在于，使用权利要求4中所述的焊接方法得到，所述焊接接头的焊缝晶粒尺寸为30~40μm。
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