CN101716704B - 一种Al-Mg-Er系焊丝及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Al-Mg-Er系焊丝及其制备工艺，其主要化学成分及质量百分比(％)组成为：Mg：4.3-6.5，Mn：0.4-1.2，Zr：0.05-0.3，Er：0.1-0.6，余量为Al及其它不可避免的夹杂；制备方法如下：备纯铝锭、纯镁锭、Al-10.0Mn、Al-6.0Er、Al-4.5Zr中间合金；按配比将合金在中频感应电阻炉熔化，浇铸成铸锭；将均匀化后的铸锭切头、铣面，然后进行热挤；中间退火后进拔丝机中拔丝，在拉拔过程中进行道次退火，经表面处理后盘成卷即得本发明Al-Mg-Er焊丝。本发明焊丝具有如下优点：冶炼工艺稳定易于实现，焊丝拉拔性能优良；焊丝组织明显细化成型性能良好，保证焊缝金属的强度，同时保证焊缝金属塑性与母材相当；r焊丝中杂质的含量低，提高了其韧性，促进了铝基体的固溶强化，有效提高了焊缝金属的强度。

Description

一种Al-Mg-Er系焊丝及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种焊接用铝合金焊丝，尤其涉及一种用于Al-Mg系合金熔化焊用的焊丝及其制备工艺。

背景技术

目前铝合金研究的一个方向是在铝合金中添加微量稀土元素以提高合金的强度，并获得较好的综合性能。近年来许多学者对稀土元素Er在铝及铝合金的作用进行了的研究，徐国富等发现，将Er加入Al-Zn-Mg合金中能明显细化铸态合金晶粒，Er能通过弥散析出的方式提高合金的强度，Er还能抑制合金的再结晶行为(XU Guo-fu，MOU Shen-zhou，NIE Zuo-ren and YINZhi-min，Effect of trace rare earth element Er on Al-Zn-Mg alloy[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2006，16(1)：598-603)。杨军军等将微量Er加入纯铝中，也发现弥散分布的细小Al₃Er质点对位错和亚晶界具有钉扎作用，Er可以有效抑制再结晶，能将高纯铝的再结晶温度提高50℃左右(YANGJun-jun，NIE Zuo-ren，JIN Tou-nan，et al.Effect of trace rare-earth element Eron Rectystallization behavior of high pure aluminum[J].Rare-earth Rare MetalMaterials and Engineering，2003，32(1)：37-40)。

Al-Mg基焊料合金广泛地用在陆地、海洋运输用存储罐和海洋运输类的大型焊接结构中，其标准合金之一是AA5183，该合金用途广泛是主要原因在于它具有较高的强度、高耐蚀性、高弯曲能力和高可焊性。AA5183合金的焊缝强度可通过提高合金中的Mg含量而得以提高，同时延展性的损失也不大。然而，提高Al-Mg基焊料合金中的Mg含量会引起耐蚀性的急剧降低。但是，对于含Er的Al-Mg合金用于制备焊丝材料的研究，国内外没有相关报道。因此结合我国丰富的稀土资源以及对铝材焊接性能的进一步要求，本发明是将稀土Er加入到Al-Mg合金焊丝中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊接性能稳定、强度高、可满足Al-Mg系合金的工程化焊接的Al-Mg-Er系焊丝。

本发明的另一目的是提供一种工艺简单的制备Al-Mg-Er系焊丝的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种Al-Mg-Er系焊丝，其特征在于：其化学成分及质量百分比(％)组成为：Mg：4.3-6.5，Mn：0.4-1.2，Zr：0.05-0.3，Er：0.1-0.6，余量为Al及其它不可避免的夹杂。

上述Al-Mg-Er系焊丝采用如下工艺制备：

(1)原材料配制，基体元素铝以A₀₀纯铝、镁以1#纯镁形式加入，Mn、Zr、Er均以Al基中间合金的形式加入，按质量百分比配制；

(2)采用中频感应电阻炉、黏土石墨坩埚熔炼，待合金完全熔化后，用C₂Cl₆精炼除气，加覆盖剂(NaCl 8％，CaF₂ 10％，MgCl₂ 67％，MgF₂/CaCl₂15％，用量为炉料的3％-5％)保护，然后进行二次精炼、静置、扒渣，浇铸成铸锭；

(3)对铸锭合金切头、铣面后，进行均匀化退火、退火温度为450-520℃，时间为5-20小时；

(4)退火后进行热挤压，铸锭加热温度为420-500℃，保温1-3小时，挤压比10-100；

(5)热挤后对杆材进行中间退火，退火温度为380-480℃，保温时间为0.5-4小时；

(6)将挤压后铝合金杆材进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝，累计截面直径减小60-95％，在拉拔过程中可进行多道次退火，退火温度为350-420℃，保温时间为0.5-4小时。

本发明焊丝中加入合适的Mg、Mn、Zr、Er等合金元素，其具体作用为：

1.Mg：Mg是焊丝合金中的主要强化元素，Mg含量太低不能使焊缝达到所需的强度，而Mg加入量超过6.5％，制造焊丝时会非常困难，且生成的Al₈Mg₅相会造成焊接接头的晶间腐蚀和应力腐蚀加剧。为兼顾可制造性和强度，优选的Mg含量为4.3-6.5％。

2.Mn：Mn是基本添加元素，与Mg相匹配，Mn可提高焊接接头的强度。且Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，能显著细化再结晶晶粒，并通过Al₆Mn溶解杂质Fe，减小Fe的有害影响。低于0.4％的Mn含量不能提供足够强度的焊接接头；而Mn含量超过1.2％，拉丝原料的制造会非常困难。因此在实际使用中为了减少Al₈Mg₅的有害影响，常加入1％以下的Mn起补充强化作用，比等量的Mg效果更好。为保证强度，Mn的优选最低量为0.4％。

3.Zr：Zr对提高焊缝强度有重要意义，也对防止焊接过程中裂纹的产生意义重大。Zr的含量超过0.3％会形成非常粗大的针状初生颗粒，从而在拉丝过程中造成失效，所以Zr的含量必须控制在0.3％以下。

4.Er：Er与Al形成LI2型的Al₃Er，这些直接从熔体中形成的初生Al₃Er具有良好的异质形核作用，作为形核核心而起到显著细化晶粒的作用。同时加入的微量Zr促使形成Al₃(Zr、Er)的复合粒子长大，为熔池的非平衡结晶提供足够的形核粒子，从而细化焊缝组织。

本发明铝合金焊丝具有如下优点：

1.本焊丝合金冶炼工艺稳定易于实现，焊丝拉拔性能优良，满足机车车厢、化工压力容器、造船、航空等行业的焊接技术要求。

2.本发明Al-Mg-Er焊丝合金组织明显细化，成型性能良好，从而保证焊缝金属的强度，同时保证焊缝金属塑性与母材相当。

3.特殊工艺的控制，以降低Al-Mg-Er焊丝中杂质的含量，提高了其韧性。

4.本发明中高含量Mg、Mn元素的添加促进了铝基体的固溶强化和Al、Mn、Zr、Er等多元复合粒子的形成，有效提高了焊缝金属的强度。

采用本发明的Al-Mg-Er焊丝，焊接接头的综合性能明显提高：(1)对该焊接试样进行100％目测、X射线探伤。目测检查试样表面成形良好；(2)焊缝组织明显细化；(3)拉室温抗拉强度明显提高。例如采用自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到350-400MPa，且焊缝金属塑性与母材相当。与同条件下采用不含Er的Al-Mg焊丝的接头相比，接头抗拉强度提高55-100MPa；(3)与同条件下采用不含Er的Al-Mg焊丝的接头相比，本发明焊丝的接头在抗拉强度提高的同时，接头的塑性和韧性也有很大的提高，例如延伸率可提高20-60％。

具体实施方式：

下面结合具体配料时各合金元素百分比优化的实施例对本发明的Al-Mg-Er焊丝成分及制备工艺进行描述。

实施例1

Al-Mg-Er系焊丝，其主要化学成分(％)为：Mg：4.3，Mn：1.2，Zr：0.05，Er：0.6，Al余量。

其制备工艺：

(1)原材料配制，基体元素铝以A₀₀纯铝、镁以1#纯镁形式加入，Mn、Zr、Er均以Al基中间合金的形式加入，按质量百分比配制；

(2)采用中频感应电阻炉、黏土石墨坩埚熔炼，待合金完全熔化后，用C₂Cl₆精炼除气，加覆盖剂(NaCl 8％，CaF₂ 10％，MgCl₂ 67％，MgF₂/CaCl₂ 15％，用量为炉料的3％-5％)保护，然后进行二次精炼、静置、扒渣，浇铸成铸锭；

(3)对铸锭合金切头、铣面后，进行均匀化退火、退火温度为450-520℃，时间为5-20小时；

(4)退火后进行热挤压，铸锭加热温度为420-500℃，保温1-3小时，挤压比10-100；

(5)热挤后对杆材进行中间退火，退火温度为380-480℃，保温时间为0.5-4小时；

(6)将挤压后铝合金杆材进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝，累计截面直径减小60-95％，在拉拔过程中可进行多道次退火，退火温度为350-420℃，保温时间为0.5-4小时。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到435MPa，延伸率达到15％；焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到340MPa，延伸率可达8％。

实施例2

Al-Mg-Er系焊丝，其主要化学成分(％)为：Mg：4.7，Mn：1，Zr：0.1，Er：0.5，Al余量。

其制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到440MPa，延伸率达到14％；将焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到340MPa，延伸率可达9％。

实施例3

Al-Mg-Er系焊丝其主要化学成分(％)为：Mg：5.1，Mn：0.8，Zr：0.15，Er：0.4，Al余量。

其制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到450MPa，延伸率达到13％；将焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到355MPa，延伸率可达10％。

实施例4

其主要化学成分(％)为：Mg：5.6，Mn：0.7，Zr：0.2，Er：0.3，Al余量。

其制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到455MPa，延伸率达到17％，将焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到360MPa，延伸率可达12％。

实施例5

Al-Mg-Er系焊丝，其主要化学成分(％)为：Mg：6.0，Mn：0.6，Zr：0.25，Er：0.2，Al余量。

其制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到460MPa，延伸率达到17.5％；将焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到360MPa，延伸率可达13％。

实施例6

Al-Mg-Er系焊丝，其主要化学成分(％)为：Mg：6.5，Mn：0.4，Zr：0.3，Er：0.1，Al余量。

其制备工艺同实施例1。

本实施例中焊丝的抗拉强度达到455MPa，延伸率达到19.5％；将焊丝进行自动TIG焊，焊接接头的抗拉强度可达到360MPa，延伸率可达13％。

Claims (2)

1.一种制备焊接用铝合金焊丝的工艺，其特征是：焊接用铝合金焊丝化学成分及质量百分比(％)组成为：Mg：4.7-6.5，Mn：0.8-1.2，Zr：0.15-0.3，Er：0.1-0.3，余量为Al及其它不可避免的夹杂；具体包括以下步骤：

(1)原材料配制，基体元素铝以A₀₀纯铝、镁以1#纯镁形式加入，Mn、Zr、Er均以Al基中间合金的形式加入，按质量百分比配制；

(2)采用中频感应电阻炉、黏土石墨坩埚熔炼，待合金完全熔化后，用C₂Cl₆精炼除气，加覆盖剂保护，其中覆盖剂为：NaCl 8％，CaF₂10％，MgCl₂67％，MgF₂/CaCl₂15％，用量为炉料的3％-5％，然后进行二次精炼、静置、扒渣，浇铸成铸锭；

(3)对铸锭合金切头、铣面后，进行均匀化退火、退火温度为450-520℃，时间为5-20小时；

(4)退火后进行热挤压，铸锭加热温度为420-500℃，保温1-3小时，挤压比10-100；

(5)热挤后对杆材进行中间退火，退火温度为380-480℃，保温时间为0.5-4小时；

(6)将挤压后铝合金杆材进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝，累计截面直径减小60-95％，在拉拔过程中可进行多道次退火，退火温度为350-420℃，保温时间为0.5-4小时。

2.根据权利要求1的工艺制备的一种焊接用铝合金焊丝。