CN1943962A - 高强度铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金焊丝及其制备方法，其材料组成成份和含量为：Cu 1.5～2.5wt％；Ti 0.1～0.3wt％；B 0.01～0.05wt％；Si 4～6wt％；Al余量。制备方法如下：备铝锭、铜锭、海绵钛、硼酸、结晶硅为原料，分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；再按照成分配比量将纯铝锭及AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金熔化，取样分析，合格后脱气、扒渣、出炉；中频感应炉开始倾炉时，使铝合金溶体流入中间包中，给结晶器涂好涂料漆后，开始拉铸，制成铸锭；随后将铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮，放入挤压机中，加热温度为330～380°，挤压；进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。

Description

高强度铝合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属国防工业领域，尤其涉及一种高强度铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术

铝由于具有比重小、抗腐蚀性好、导电性及导热性高等良好性能，在航空工业中大量地应用；目前，我们国家火箭箭体采用的材料是10号锻铝，这种材料虽然质轻，强度高，且价格低，但是，与现有铝合金焊丝材料焊接品质不好，所以欧美国家都没有采用。

由于对国防工业航天用的航天器的建造有着极其严格的要求，在保证强度的前提下，焊接箱体后要求焊缝与母材基本特性需保持一致，才能保证箭体注入燃料到发射后的整个过程顺利成功。所以亟需有更优质且具有符合航天器母材基本特性的焊接材料问世。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高强度的铝合金焊丝，其能够保证焊接后跟母材的融接性好及硬度一致，焊接品质佳，以满足航天用航天器箱体的焊接。

本发明的另一个目的是提供一种工艺简单的制作高强度铝合金焊丝的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种高强度铝合金焊丝，其材料组成成份和重量百分比含量为：

Cu                    1.5～2.5％

Ti                    0.1～0.3％

B                     0.01～0.05％

Si                    4～6％

Al                    余量

在本发明中关键是高强度铝合金焊丝与航天器箱体焊接后二者能牢固的结合，其结合性能优劣，在很大程度上取决于该铝合金焊丝的性能。首先铝合金焊丝与航天器箱体母材(10号锻铝)应良好匹配，而铝合金焊丝的性能首先取决于材料组成，控制铝合金焊丝的材料组成，可以保持与高强度铝合金焊丝与航天器箱体的性能相吻合。

一种制备高强度铝合金焊丝的方法，该方法包括下述步骤：

(1)以纯铝锭、铜锭、海绵钛、硼酸、结晶硅为原料，备料；

(2)将上述原料分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；

(3)按照成分配比将纯铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次按成分配比量Cu1.5～2.5％Ti0.1～0.3％B0.01～0.05％Si4～6％加入步骤2中所制得的AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金，熔化；

(4)当铝合金全部熔化后，取样分析，铝合金化学成分全部合格后脱气、扒渣、出炉；

(5)出炉过程中，中频感应炉开始倾炉时，使铝合金溶体流入中间包中，并注意中间包高度；

(6)开始拉铸，制成高强度铝合金焊丝铸锭；

(7)随后将铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮；

(8)放入挤压机中，加热温度为330～380°，挤压；

(9)进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。

要保证本发明高强度铝合金焊丝与航天器箱体焊接后的牢固结合，同时还会受处理工艺条件影响，只有通过有效的工艺控制，才能获得理想的焊丝。

本发明的优点是：

1.材质轻，性能稳定，组织细化，从而保证焊接强度高。

2.焊接强度好，耐疲劳性强，可满足与航天器箱体母材基本特性共存的要求。

3.特殊工艺的控制，以降低铝合金焊丝的杂质含量，提高了其韧性。

具体实施方式

本发明制备高强度铝合金焊丝的具体方法：

一、以铝锭、铜锭、海绵钛、硼酸、结晶硅为原料分别制备出AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金：(中间合金可多配待用)

首先要先将原料分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金，以下是这些中间合金制备的工艺规程及使用设备：

(1)Al-Cu(AlCu)中间合金的熔炼：

采用设备：150KG中频感应炉。模具：水冷板模：250×440×30mm。

配料：每炉按200KG配料。(虽然为150公斤炉子，但是对于中间合金可以配成200公斤)

操作：在粘土石墨坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，加入铜锭，充分搅拌，待铜锭全部熔清后，铸锭。

(2)Al-Ti(AlTi)中间合金的熔炼：

采用设备：15KG中频感应电炉。

模具：板模打开对齐放平总尺寸：250×880×20mm。

配料：15KG中频感应电炉：每炉按5.5～6.0KG配料。

5KG高频感应电炉：每炉按4～4.5KG配料。

操作：在粘土石墨坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化并过热后，将海绵钛分批压入铝液，加入一批待熔化后，再加入下一批。待海绵钛全部熔清后，充分搅拌，铸锭。

(3)Al-Si(AlSi)中间合金的熔炼：

采用设备：150KG中频感应炉。模具：水冷板模：250×440×30mm。

配料：每炉按120KG配料。

操作：在粘土石墨坩埚内加入铝锭后，升温。待铝锭熔化后，将结晶硅破碎，加入。加入铝液中的硅溶解非常激烈，为了阻止硅块浮于氧化膜表面上，以减少烧损，加入一批后熔化后，再加入下一批。待硅全部熔清后，铸锭。

(4)Al-B(AlB)中间合金的熔炼

采用设备：15KG中频感应电炉或5KG高频感应电炉。

模具：板模打开对齐放平总尺寸：250×880×20mm。

配料：15KG中频感应电炉：每炉加铝：5.3KG；硼酸：0.83KG。

5KG高频感应电炉：每炉加铝：3.7KG；硼酸：0.6KG。

操作：在粘土石墨坩埚内先加入硼酸，缓慢升温脱水，待硼酸全部熔化后加入铝锭，待铝锭熔化后，约需15分钟，将同型号的另一坩埚反扣在粘土石墨坩埚上，继续升温，过热后，拿去上面的坩埚，充分搅拌，注意要将块状物尽量破碎，压入铝液中，铸锭。

二、将Al与AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金合在一起熔铸、铸锭：

在完成了上述中间合金的熔炼、铸锭后，将它们与纯铝锭合在一起熔铸。

所利用设备：

1)150KG中频感应炉；2)半连续立式拉铸机；3)中间包(用碳化硅作的炉体)

4)结晶器：内径：Φ120mm；5)圆盘锯；6)车床

辅料：六氯乙烷；高纯铝箔；拉铸用油。

首先要配料计算：按各材料要求范围内的化学成分重量百分比含量计算Al与各AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金合的投料量备料，所配炉料必须清洁、干燥。

具体操作过程：

将炉料中纯铝锭轻轻放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次加入AlCu、AlSi、AlTi、AlB中间合金；当铝合金全部熔化后，取样送炉前分析(确定各铝合金化学成分重量百分比含量是否在要求范围内)，待分析合格后即可以出炉。如果分析结果部分不合格，则应该进行调炉，直至铝合金化学成分全部合格后方可出炉。出炉前，应该进行脱气和精炼，精练剂为六氯乙烷，用量为炉料的0.3～0.4％，精炼完毕，撒少许精练剂后，除去表面浮渣。

中频感应炉开始倾炉时，使铝合金溶体流入中间包中，要经常观察中间包的液面高度，防止熔体溢出。当结晶器涂好涂料漆后即可开始进行拉铸，当拉铸接近尾声时，要特别注意拉铸机的行程，直至拉铸完毕。

炉内退火，退火温度为420度，时间10小时。随后用吊车将铸锭提出，在铸锭上分头、中、尾分别取样送炉后分析。

三、将Al与AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金的铸锭进行挤压：

待分析结果合格后，即可将合格的铸锭锯成段，扒皮，转下面的挤压工序，放入挤压机中，加热温度为330～380°，挤压。

本发明制备高强度铝合金焊丝的方法中的挤压工艺规程及使用设备：

首先，将锭子放入挤压机用退火炉(RJX-72-8挤压机退火炉)进行退火，退火温度为420度，退火时间10小时。

退火完成后，将铸锭放入挤压机(800/1200吨卧式挤压机)挤压，挤压模具规格为Φ8×3mm；Φ10×2mm；材质为模具钢，辅料为润滑剂。.在挤压前，先对挤压筒保温套、挤压模及挤压垫加热，温度为330～380℃。使得在挤压过程中的铝锭温度保持在300℃以上。

四、将挤压后的铸锭拔丝：

首先，用卧罐拔丝机(Φ560卧式拉丝机)将挤压后Φ10的铝合金焊丝分三次拉拔到Φ5.0；

然后用大立罐拔丝机(MODEL-560-1型拉丝机)将Φ5.0的焊丝分三次拉拔到Φ3.0；再用小立罐拔丝机分4次将其拉拔到Φ2.0；拔丝模及半成品模具为硬质合金模

最后，用C735-Φ400立式拉丝机及压尖机分10次将其拉拔到Φ1.0成品。成品模具为金刚石聚晶模。

另，BJ380A铝焊丝在Φ6.0mm；Φ4.0mm时可退火，Φ3.2mm；Φ2.4mm时可退火(拔丝退火炉，KKW-D可控硅自动控温仪)，退火后用冷对机冷接焊丝。拔丝用润滑油为Al——1号拉拔油；

五、退火，得到高强度铝合金焊丝。

将各次制得的高强度铝合金焊丝用冷对机冷接。

由于采用先配制铝合金，再与纯铝锭合成铸锭及深加工，故可保证制得的材质杂质含量低且性能稳定，组织细化，从而可保证焊接强度高，以满足与航天器箱体母材基本特性共存的要求。

下面将结合具体配料计算的实施例对本发明高强度铝合金焊丝材料及制备方法作进一步描述。

实施例1：炉量为90公斤

先用原料制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；再准备中间合金AlCu₅₀3.24公斤，AlSi₃₀14.4公斤、AlTi₁₀1.35公斤、AlB_1.542.05公斤；将各种中间合金混合，再加入68.96公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu1.8wt％，Si4.8wt％，Ti0.15wt％，B0.035wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压；最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。

实施例2：炉量为100公斤

先用原料制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；再准备中间合金AlCu₅₀3.6公斤，AlSi₃₀16.7公斤、AlTi₁₀1.6公斤、AlB_1.542.59公斤；将各种中间合金混合，再加入75.51公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu1.8wt％，Si4.99wt％，Ti0.084wt％，B0.018wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压；最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。

实施例3：炉量为120公斤

先用原料制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；再准备中间合金AlCu₅₀4.32公斤，AlSi₃₀20公斤、AlTi₁₀2.12公斤、AlB_1.542.58公斤；将各种中间合金混合，再加90.98公斤铝进行熔炼，所得即为含Cu1.83wt％，Si4.94wt％，Ti2.12wt％，B2.58wt％的高强度铝合金焊丝铸锭，再进一步进行锯段、扒皮、挤压；最后进拔丝机中拔丝，拔至5.0或3.0、2.0、1.0的合格尺寸即可。

以上仅为几个具体实施例，依据此方法配料计算，使熔炼出炉后的熔体各铝合金材质化学成分在：Cu1.5～2.5wt％；Ti0.1～0.3wt％；B0.01～0.05wt％；Si4～6wt％；Al余量范围内。具体生产时，可根据被焊接母材的融接性及硬度要求在此范围内选定各材料成份比，并在制备过程中加以检测监控，不合格时调炉处理，以期保证铝合金焊丝材质的达标。

Claims (7)

1、一种高强度铝合金焊丝，其特征在于：其材料组成成份和含量为：

Cu           1.5～2.5wt％

Ti           0.1～0.3wt％

B            0.01～0.05wt％

Si           4～6wt％

Al           余量。

2、一种制备权利要求1所述的高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

(1)以铝锭、铜锭、海绵钛、硼酸、结晶硅为原料，备料；

(2)将上述原料分别利用中或高频感应电炉、黏土石墨坩埚熔炼、铸锭，制备出AlCu₅₀、AlTi₁₀、AlB₁、AlSi₃₀中间合金；

(3)按照成分配比量将纯铝锭放入石墨坩埚中，升温，待铝锭全部熔化后，依次按成分配比量加入步骤2中所制得的AlCu、AlTi、AlB、AlSi中间合金，熔化；

(4)当铝合金全部熔化后，取样分析，铝合金化学成分全部合格后脱气、扒渣、出炉；

(5)中频感应炉开始倾炉时，使铝合金溶体流入中间包中，并注意中间包高度；

(6)给结晶器涂好涂料漆后，开始拉铸，制成高强度铝合金焊丝铸锭；

(7)随后将铸锭提出，将合格的铸锭锯成段、扒皮；

(8)放入挤压机中，加热温度为330～380，挤压；

(9)进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中退火，达规格直径即获得高强度铝合金焊丝。

3、根据权利要求2所述的高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于该方法还包括下述步骤：拔丝退火后，将各次制得的高强度铝合金焊丝用冷对机冷接。

4、根据权利要求2所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤(4)中如分析结果部分不合格，则进行调炉，直至铝合金化学成分全部合格后出炉。

5、根据权利要求2所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤(4)中出炉前，添加精练剂进行脱气精炼，用量为炉料的0.3～0.4％，精炼完毕，撒精练剂后，除去表面浮渣。

6、根据权利要求2所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：步骤(7)中铸锭提出后，在铸锭上分头、中、尾分别取样分析，若分析结果合格后，随后将铸锭提出，在铸锭上分头、中、尾分别取样分析，待分析结果合格后，即可将铸锭锯成段，扒皮，转挤压工序。

7、根据权利要求5所述的制备高强度铝合金焊丝的方法，其特征在于：所述的精练剂为六氯乙烷。