CN101380703B

CN101380703B - 一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN101380703B
Application number: CN2007101213819A
Authority: CN
Inventors: 杨福宝; 徐骏; 刘恩克; 石力开
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: CN101380703A

Abstract

本发明涉及一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝及其制备方法，其组成成分和重量百分比为：镁4.0～6.0、锌0～1.0、锰0.4～1.0、锆0.05～0.2、钪0.10～0.40、铒和/或钇0.10～0.40、铝余量。应用本发明的Al-Mg焊丝：(1)焊缝组织均匀细化成球状晶粒且具有较高的热稳定性；(2)抗热裂性能明显增强；(3)焊接接头强韧性能优良；(4)焊接接头具有优良的耐海洋大气应力腐蚀的性能；(5)焊接工艺窗口得以扩大。

Description

一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于铝-锌-镁(Al-Zn-Mg)系高强铝合金和铝-镁(Al-Mg)系铝合金熔化焊的多元微合金化含钪铝镁(Al-Mg)系合金焊丝及其制备方法。

背景技术

Al-Zn-Mg系铝合金是典型的中高强可热处理强化合金，具有良好的焊接性能、塑性和加工性能，是建筑、地面车辆、航空航天与军用设施装备的主要轻质结构材料，其用量呈逐年上升的趋势，如25mm山地高炮的大部分构件均采用Al-Zn-Mg系合金(7A52合金)制造，新式渡河桥梁装备主要采用中强可焊Al-Zn-Mg系合金(7005合金)焊接而成。

目前在铝合金熔化焊接领域，非热处理强化铝镁系合金焊丝是使用最为广泛的一种，约占整个铝合金填充材料使用量的50％以上，其典型牌号为ER5356。ER5356合金焊丝的优点是强度适中、抗热裂性能与耐腐蚀性能相对较好。但随着Al-Zn-Mg系中高强度铝合金性能的不断改善和连接部件可靠性要求的提高，传统的Al-Mg合金焊丝如ER5356已不能满足中高强度铝合金焊接接头的强度要求，尤其是对于厚板焊接和焊接以后不能进行热处理的大型部件，迫切需要抗热裂和抗应力腐蚀性能更佳的高强度铝合金焊丝，以满足更多工程部件的连接强度与可靠性需要。

在对铝合金性能提升研究中，发现钪(Sc)是迄今为止最为有效的合金元素。钪成为铝合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂，对合金的结构和性能产生明显的影响，适量钪的加入使得铝合金的强度、硬度、焊接性能、耐腐蚀性能等得到很大提高。其强化机理为：钪在铝合金中除少量固溶外，大部分以Al₃Sc颗粒形式析出，即铸造初生Al₃Sc和热加工次生Al₃Sc.前者与铝基体具有相同的晶格类型和极低的共格错配度，成为有效的非均质晶核，细化合金铸态晶粒组织，提高合金强度；后者通过位错钉扎和亚晶界的阻止进一步提高强度和抑制合金再结晶，使合金在热加工或退火处理状态均能保持稳定的非再结晶组织，从而保持其优良的强韧性能。

在铝合金中添加Sc，要想获得足够理想的晶粒细化效果，Sc含量存在一个临界浓度。要求在铝合金中必须添加Sc含量到过共晶成分(大于0.55％Sc)，才能使合金熔体结晶时析出初生Al₃Sc相，成为非均质核心。并且Al₃Sc粒子还存在着易于团聚粗化的趋势，其热稳定性尚显不足。虽然Al-Sc体系共晶成分已经很低，但由于Sc价格昂贵，合金成本将大幅度增加，因此严重影响了含钪铝合金的研究、开发和应用。

采用其他过渡族元素或稀土元素Zr，Ti等与Sc复合的实验和思想，能有效解决粗化和成本问题。钪与其它元素的复合添加不仅保持了单独加钪时的有益作用，而且能提高粒子热稳定性，Al₃Sc相可使Al₃Sc相演变形成Al₃(Sc，Zr)复合粒子，进一步降低同铝基体的错配度。含钪铝镁系合金的复合微合金化研究也得到了良好的效果。在Al-5Mg合金中对采用Sc和锆(Zr)复合微合金化进行研究，可显著提高合金的强度，其抗拉强度和规定非比例延伸强度增量分别达到84MPa和91MPa。

近年来人们发现将稀土元素铒(Er)加入到Al-Zn-Mg合金中能显著细化合金晶粒，大幅度提高合金强度，抑制再结晶；Er在铝合金中形成的细小弥散相Al₃Er与Al₃Sc结构相同，晶格常数接近，其细化、强化作用显著。

对于7系Al-Zn-Mg铝合金焊接，目前国内主要采用同质或异质焊丝。对于常见的焊丝材料Al-Mg和Al-Si来讲，应用于7系母材焊接时应避免高含量的硅存在，因而宜采用Al-Mg体系作为焊接材料。但同质焊丝和传统的Al-Mg系铝合金焊丝在焊接过程中镁和锌等元素挥发氧化烧损严重而使接头强度明显低于母材强度。对于具有越来越高的使用要求的铝合金材料，其对焊接质量的要求也在逐步提高，尤其对要求强度下的焊接热裂和应力腐蚀敏感性有较高的要求。目前可供备选的焊丝(如ER5356)明显不足以为Al-Zn-Mg系和Al-Mg系铝合金提供良好的焊接匹配性，工程上对高性能焊丝材料的需求十分迫切。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种可满足Al-Zn-Mg系高强度铝合金和Al-Mg系铝合金工程化焊接用的具有较高强度的Al-Mg合金焊丝，该焊丝合金的独特之处在于，低含量合金化元素条件下可获得更加优异的组织性能和扩大的焊接工艺窗口，可降低焊缝合金焊接热裂倾向性，焊后可获得较高的接头强度，且具有优良的耐海洋大气应力腐蚀的性能，可用于大型厚壁铝合金部件的焊接。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其组成成分和重量百分比(wt.％)为：镁(Mg)4.0～6.0、锌(Zn)0～1.0、锰(Mn)0.4～1.0、锆(Zr)0.05～0.2、钪(Sc)0.10～0.40、铒(Er)和/或钇(Yt)0.10～0.40、铝(Al)余量。

一种优选技术方案，其特征在于：所述钪的含量为0.15～0.2。

一种优选技术方案，其特征在于：所述多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝焊丝合金成分中钛的含量≤0.005重量％。

本发明成分设计依据如下：

依据多年来人们对含钪铝合金基础研究的已有成果，将对铝合金的性能的基础研究转移到面向焊接应用的新型Al-Mg系焊丝材料的开发上来，实现铝合金焊丝对铝合金焊接质量的新提升。在复合微合金化的基础上，采用钪(Sc)锆(Zr)复合添加，首先获得具有一定程度的细化组织和优良综合性能的焊丝基体合金；在此基础上，将成本低廉、具有较好细化效果和抗腐蚀性的稀土元素铒(Er)和钇(Yt)引入，形成钪(Sc)锆(Zr)铒(Er)或钇(Yt)的三元或四元复合，以期形成同铝基体更加匹配的复合粒子，增大异质形核的密度和析出强化的作用，同时也可以进一步降低同等合金化效果下的微合金化元素临界成分，降低焊丝成本，提高焊接接头的耐蚀性；考虑到钛(Ti)和铒(Er)或钇(Yt)共存时会生成粗大的非共格颗粒相，将传统焊丝中的Ti剔除出去，这样可以进一步增加复合粒子的形核能力，并释放更多的钪(Sc)、铒(Er)和钇(Yt)以产生更多的初生和次生粒子；锰(Mn)元素作为焊丝常用元素而采用，可以提高合金的强度和抗腐蚀性能；引入一定量的锌(Zn)，对于Al-Zn-Mg系母材焊接，可以起到一定的元素补充作用，使母材同焊缝合金实现化学成分上的连续过渡；通过优化的复合微合金化实现的细晶强化，提高中高含量镁(Mg)的Al-Mg系合金强度的同时，也可以避免因高含量镁的固溶强化带来的应力腐蚀倾向。通过晶粒均匀细化，细晶强化和析出强化，来实现焊接材料的低热裂倾向，低应力腐蚀倾向，高抗腐蚀性能，高焊接接头强度和塑性以及良好的表明光洁度，以克服常规Al-Mg焊丝(5356合金)的相应弱点，并进一步提升含钪铝合金焊丝的焊接性能。

本发明的另一目的是提供一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝的制备方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的，并保证含镁铝合金焊丝的成分控制精度和低氢低氧化物夹杂：

(1)原料配制：铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)以纯金属形式加入，合金元素锰(Mn)、钪(Sc)、锆(Zr)、铒(Er)和/或钇(Yt)均以Al基中间合金形式加入；

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预抽真空并充氩气保护条件下进行合金浇铸；熔炼时待金属料(纯铝及其中间合金Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-10Er和Al-10Yt)全部熔化后升至780℃后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，熔炼温度定为750℃～800℃；熔炼时间20分钟；浇注温度为730℃；

或者采用电阻炉熔炼，在覆盖剂(10％CaF₂+67％MgCl+15％CaCl₂或MgF₂)保护下进行熔化、熔体净化，经脱气和扒渣后浇铸成合金锭。

(3)加工成形：对合金铸锭切头去皮，经均匀化退火后热挤压成细径(≤φ10)盘条，加热温度420～450℃，通过多道次拉拔(含中间退火)加工成一定规格尺寸的连续盘状焊丝。

使用本发明的Sc、Zr、Er多元复合微合金化Al-Mg系合金焊丝熔化焊接Al-Zn-Mg系合金和Al-Mg系合金，焊缝合金获得了细小均一的组织，焊接接头热裂倾向明显下降，抗腐蚀性能优良，具有综合力学性能。采用本发明的多元复合微合金化Al-Mg焊丝焊接(手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接)7A52(Al-Zn-Mg系)厚板铝合金(δ＝20～60mm)，获得了各项优良的实验结果：(1)在无焊后热处理的情况下，焊接接头抗拉强度(无余高)可达340～450MPa，与同条件下采用传统Al-Mg焊丝(ER5356)的接头相比，接头抗拉强度提高80～120MPa，延伸率可提高30％～50％；(2)焊接热裂纹的产生倾向较小。按照国标采用鱼骨试样和十字试样评价，焊接裂纹倾向系数K₁＜8％，近缝区液化裂纹倾向系数K₂＝0；(3)焊缝组织显著均匀细化且具有较高的热稳定性。焊缝组织为均一细小的球状等轴晶粒，晶粒度可达20μm，熔合区向焊缝区的过渡无明显的柱状晶区存在，合金中存在大量的细小Al₃(Sc，Zr)，Al₃(Sc，Zr，Er)及Al₃(Sc，Zr，Yt)质点，这些粒子产生了很强的析出强化作用。退火状态下这些粒子和焊缝合金晶粒均具有很好的热稳定性；(4)焊接接头具有优良的耐海洋大气应力腐蚀的性能。采用模拟海水盐雾腐蚀实验和应力腐蚀对比实验，经96小时考核，9个试样中仅有3个有裂纹，低倍金相组织对比无明显变化。

本发明提供的Al-Mg焊丝，细化了焊缝熔化区的晶粒，使熔合区形成细小等轴晶层，凝固时熔池熔体具有良好的流动性和补缩能力，阻止裂纹的形核和扩展，从而显著降低焊接裂纹倾向性。固溶强化，细晶强化和析出强化作用，使焊接接头获得了较高的抗拉强度和良好的塑性。锰，钪和铒和/或钇的存在，以及其复合合金化所致的元素分布均匀和晶粒细化，是焊缝合金具有优良耐腐蚀性的原因。因此，使用本发明的Al-Mg焊丝施焊的焊接接头不仅具有高的强度而且还有高的抗应力腐蚀稳定性。

本发明为提高焊缝金属的纯净度，对焊丝的原材料以及熔炼、挤压、拉拔等工序均进行了严格控制，如采用高纯金属及其中间合金原料，优选真空、氩气保护熔铸以提高焊丝的纯净度，为有效防止焊接气孔等缺陷和脆性化合物相的产生提供下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护的限制。

了坚实的基础。因此虽然由于焊接中基体合金元素的稀释，焊缝中Sc、Zr等合金元素降低，但按照本发明所设计成分也能够保证焊缝金属的强度使之与母材相当，从而实现提高接头强韧性能的目的。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护的限制。

具体实施方式

实施例1

一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其化学成分(wt％)为：镁(Mg)4.5、锰(Mn)0.4、锌(Zn)0.5、锆(Zr)0.05、钪(Sc)0.12、铒(Er)0.10、钇(Yt)0.10、铝(Al)余量。

制备：

(1)原料配制：铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)以纯金属形式加入，合金元素锰(Mn)、钪(Sc)、锆(Zr)、铒(Er)、钇(Yt)均以Al基中间合金形式加入；

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预热炉料预抽真空并充氩保护条件下进行合金熔炼，熔炼时待金属料(纯铝及其中间合金Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-10Er和Al-10Yt)全部熔化，再升温至780℃后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，熔炼温度定为750℃；熔炼时间20分钟；浇铸温度为730℃；浇铸成φ120mm合金锭；

(3)加工成形：对合金铸锭切头去皮，经450℃均匀化退火后热挤压成细径(≤φ10)盘条，加热温度420～450℃，挤压成三根φ9.5mm细棒，再退火、拉拔为φ1.6mm的连续盘状焊丝；

(4)连续焊丝经除油、清洗、烘干、重新绕盘后用于手工焊或者自动焊。

实施例2

一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其化学成分(wt％)为：镁(Mg)5.0、锰(Mn)0.6、锌(Zn)0.8、锆(Zr)0.17、钪(Sc)0.35、铒(Er)0.20、钇(Yt)0.10、铝(Al)余量。

制备：

(2)合金熔炼：采用电阻炉熔炼，在覆盖剂(10％CaF₂+67％MgCl+15％CaCl₂或MgF₂)保护下进行熔化和熔体净化，经脱气和扒渣后浇铸成φ120mm合金锭；

实施例3

一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其化学成分(wt％)为：镁(Mg)5.5、锰(Mn)0.7、锌(Zn)1.0、锆(Zr)0.20、钪(Sc)0.4、铒(Er)0.2、钇(Yt)0.2、铝(Al)余量。

(2)合金熔炼：采用电阻炉熔炼，在覆盖剂(10％CaF₂+67％MgCl+15％CaCl₂或MgF₂)保护下进行熔化、成分调整和熔体净化，经脱气和扒渣后浇铸成合金锭；熔炼时金属镁最后添加，即待金属料全部熔化后升至某一温度后，纯镁用铝箔包覆后压入；浇铸成φ120mm合金锭；

实施例4

其化学成分(wt％)为：镁(Mg)5.5、锰(Mn)0.65、锌(Zn)0.8、锆(Zr)0.10、钪(Sc)0.20、铒(Er)0.15、钇(Yt)0.20、铝(Al)余量。

制备：

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预抽真空并充氩气保护条件下进行合金浇铸；熔炼时待金属料(纯铝及其中间合金Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-10Er和Al-10Yt)全部熔化后升至780℃后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，熔炼温度定为800℃；熔炼时间20分钟；浇铸温度为730℃；浇铸成φ120mm合金锭；

实施例5

其化学成分(wt％)为：镁(Mg)5.8、锰(Mn)0.55、锌(Zn)0.7、锆(Zr)0.12、钪(Sc)0.25、铒(Er)0.30、铝(Al)余量。

制备：

(1)原料配制：铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)以纯金属形式加入，合金元素锰(Mn)、钪(Sc)、锆(Zr)均以Al基中间合金形式加入；

(2)合金熔炼：采用电阻炉熔炼，在专用覆盖剂保护下进行熔化、成分调整和熔体净化，经脱气和扒渣后浇铸成合金锭；熔炼时金属镁最后添加，即待金属料全部熔化后升至某一温度后，纯镁用铝箔包覆后压入；浇铸成φ120mm合金锭；

实施例6

其化学成分(wt％)为：镁(Mg)6.0、锰(Mn)0.60、锌(Zn)0、锆(Zr)0.15、钪(Sc)0.30、钇(Yt)0.3、铝(Al)余量。

制备：

(1)原料配制：铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)以纯金属形式加入，合金元素锰(Mn)、钪(Sc)、锆(Zr)、钇(Yt)均以Al基中间合金形式加入；

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预抽真空并充氩气保护条件下进行合金浇铸；熔炼时待金属料(纯铝及其中间合金Al-10Mn、 Al-2Sc、Al-4Zr和Al-10Yt)全部熔化后升至780℃后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，保温温度定为750℃；熔炼时间20分钟；浇铸温度为730℃；浇铸成φ120mm合金锭；

采用上述多元复合微合金化Al-Mg焊丝焊接(手工氩弧焊和自动氩弧焊焊接)7A52(Al-Zn-Mg系)厚板铝合金(δ＝20～60mm)，获得了各项优良的实验结果：

(1)在无焊后热处理的情况下，焊接接头抗拉强度(无余高)可达340～450MPa，与同条件下采用传统Al-Mg焊丝(ER5356)的接头相比，接头抗拉强度提高80～120MPa，延伸率可提高30％～50％；

(2)焊接热裂纹的产生倾向较小。按照国标采用鱼骨试样和十字试样评价，焊接裂纹倾向系数K₁＜8％，近缝区液化裂纹倾向系数K₂＝0；

(3)焊缝组织显著均匀细化且具有较高的热稳定性。焊缝组织为均一细小的球状等轴晶粒，晶粒度可达20μm，熔合区向焊缝区的过渡无明显的柱状晶区存在。

(4)焊接接头具有优良的耐海洋大气应力腐蚀的性能。采用模拟海水盐雾腐蚀实验和应力腐蚀对比实验，经96小时考核，9个试样中仅有3个有裂纹，低倍金相组织对比无明显变化。

Claims

1.一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其组成成分和重量百分比为：镁4.0～6.0、锌0～1.0、锰0.4～1.0、锆0.05～0.2、钪0.10～0.40、铒和/或钇0.10～0.40、铝余量。

2.根据权利要求1所述的多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其特征在于：所述钪的含量为0.15～0.2。

3.一种多元微合金化含钪铝镁系合金焊丝，其组成成分和重量百分比为：镁4.0～6.0、锌0～1.0、锰0.4～1.0、锆0.05～0.2、钪0.10～0.40、铒和/或钇0.10～0.40、钛≤0.005、铝余量。

4.一种权利要求1所述的合金焊丝的制备方法，其步骤如下：

(1)原料配制：铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)以纯金属形式加入，合金元素锰(Mn)、钪(Sc)、锆(Zr)、铒(Er)和钇(Yt)均以Al基中间合金形式加入；

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预抽真空并充氩气保护条件下进行合金浇铸；熔炼时待金属料全部熔化后升至780℃，所述金属料为纯铝及其中间合金Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-10Er和Al-10Yt，然后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，熔炼温度定为750℃～800℃；熔炼时间20分钟；浇铸温度为730℃；

(3)加工成形：对合金铸锭切头去皮，经均匀化退火后热挤压成直径≤φ10的盘条，加热温度420～450℃，通过多道次拉拔，含中间退火，加工成一定规格尺寸的连续盘状焊丝。

5.一种权利要求1所述的合金焊丝的制备方法，其步骤如下：

(2)合金熔炼：采用真空感应炉、在预抽真空并充氩气保护条件下进行合金浇铸；熔炼时待金属料全部熔化后升至780℃，所述金属料为纯铝及其中间合金Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-10Yt，然后，金属镁和锌用铝箔包覆后最后压入；为充分熔解中间合金中已有的粗大金属间化合物粒子，提高除氢的效果并兼顾防止镁过度挥发，熔炼温度定为750℃～800℃；熔炼时间20分钟；浇铸温度为730℃；

6.根据权利要求4或5所述的合金焊丝的制备方法，其特征在于：所述采用真空感应炉熔炼时，预抽真空后回充氩气压力不低于0.7atm。