CN103008906B

CN103008906B - 一种磁控熔敷成形制备铝基耐磨覆层的焊接丝材

Info

Publication number: CN103008906B
Application number: CN201210515026.0A
Authority: CN
Inventors: 朱胜; 赵志浩; 王晓明; 姚巨坤; 王启伟; 崔建忠; 刘玉项
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103008906A

Abstract

一种磁控熔敷成形制备铝基耐磨覆层的焊接丝材属于焊件领域。该丝材以普通Al-Si系合金焊丝为基础，添加Mg、Sc、Zr等微量元素后制备而成。丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下：Si：4.5~6%、Fe：0~0.2%、Cu：0~0.3%、Ti：0~0.2%、Zr+Sc：0~0.45%、Mg：0.15~0.35%，其余为Al。采用所述焊丝制备覆层晶粒过渡平缓，组织未发生突变，力学性能优良；覆层耐磨性能优异，摩擦系数仅为0.32，覆层可有效减轻铝合金基体表面划伤，提高铝合金基体高温、湿热环境下的耐磨性。

Description

一种磁控熔敷成形制备铝基耐磨覆层的焊接丝材

技术领域

本发明涉及一种用于磁控焊接熔敷成形制备铝基耐磨覆层的Al-Si丝材，主要通过在Al-Si系合金焊丝中添加Mg元素及Sc、Zr等微量元素制备强度高、塑性好、耐磨性好的覆层。

背景技术

焊接熔敷快速成形作为快速成形技术的一种新工艺，其是利用堆焊技术的原理，不但可以用于零件的表面改性，还可以对缺损零件进行修复和直接成形新零件。铝合金表面修复技术包括普通焊条电弧焊、MIG焊和等离子焊接等焊接方法，热喷涂技术和刷镀技术。焊接熔敷技术与热喷涂和电刷镀技术相比，焊接熔敷层与基体为冶金结合，其结合强度较高；与普通的焊接方法相比，焊接熔敷技术沉积率、粗糙度、热输入、敷层厚度等指标更优异。

随着材料电磁过程的不断发展，将磁场引入焊接过程已经成为一种先进的焊接技术，当外加磁场作用于电弧时，由于焊接电弧中的等离子体的良好导电性，提供了外部磁场对它的可作用性。磁场控制焊接熔敷技术的研究包括：通过电磁力搅拌熔池，强迫金属流动，使晶粒细化；通过磁场对电弧的拘束作用，提高非熔化极电弧的能量密度，可改善接头质量，提高熔敷效率。2002年由北京工业大学殷树言等人申请的公告号为CN1369347A的发明专利《磁控高熔敷率熔化极混合气体保护焊接（MAG）方法及专用设备》中磁场作用于焊接过程，有效的提高了熔敷效率。2005年由武汉理工大学罗健等人申请的公告号为CN1751834的发明专利《一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备》中采用磁场影响焊接过程，提高了焊接接头的质量。2010年由装甲兵工程学院朱胜等人申请的申请号为201010049723.2的发明专利《电磁场控制焊接熔敷快速成形方法和设备》中提到采用直流横向磁控熔覆成形设备实现零件的快速成形。

铝合金焊接丝材广泛应用于焊接领域。随着技术的进步，普通的Al-Si丝材不能满足生产的需求，在Al-Si丝材中添加具有特殊性能的元素成为改善丝材性能的重要手段。2009年由***等人申请的专利号为200910244555的发明专利《一种高强度铝合金焊丝》中各元素的质量百分比为2.5~3.5%Cu，2.2~3.2%Si，0.1~0.25%Ti，0.1~0.25%Zr，0.1~0.2%Mn，其余为Al。所得焊丝强度较高。2010年由邹铁生等人申请的专利号为201010180705的发明专利《一种铝硅合金焊丝及其制备方法》中其特征为组分和重量百分含量分别为： 4.5≤Si≤6.5、0.0001≤Be≤0.0003、0.05≤Ti≤0.20、0.01≤Sr≤0.06，余量是Al，焊丝的塑性加工能力和力学性能优良。但对于在铝硅合金丝材中添加Mg、Sc、Zr三种元素的Al-Si合金涉及很少，本发明Al-Si焊丝通过磁控焊接熔敷成形技术，可以在铝基体表面堆敷一层或数层特殊丝材，提高铝基体和熔敷层的耐磨、耐蚀、耐热等性能。

发明内容

本发明以普通Al-Si系合金焊丝为对象，添加Mg、Sc、Zr等微量元素后制成焊丝。利用磁控熔敷成形技术制备铝基耐磨覆层。所述丝材中的各组分质量百分比范围为：Si：4.5~6%、Fe：0~0.2%、Cu：0~0.3%、Ti：0~0.2%、Zr+Sc：0~0.45%、Mg：0.15~0.35%，其余为Al。采用磁控焊接熔敷成形技术，使用上述成分的Al-Si系合金焊丝，可在铝合金上制备出组织结构优良、力学性能较好、耐磨性好的覆层。

本发明的优点：

（1）在Al-Si系合金焊丝中添加Mg元素含量为0.15~0.35%，其焊接接头熔合区晶粒形态为等轴晶，减少了组织突变，提高了熔敷层的力学性能。覆层的抗拉强度与屈服强度提高>15MPa，延伸率保持不变，抗正弯能力提高>10MPa。

（2）在Al-Si系合金焊丝中添加Zr+Sc元素含量为0~0.45%，使焊丝微合金化，起到对焊缝金属变质的作用，细化焊缝组织，提高接头强度。

（3）所述Al-Si焊丝磁控熔敷成形后所得覆层耐摩擦性能显著提高，与传统Al-Si系合金焊丝相比，其摩擦系数降低0.1~0.15，磨损量降低40~60%，磨损率明显减低。

本发明有益的效果：在普通Al-Si系合金焊丝中添加Mg、Sc、Zr等元素制备焊丝，采用磁控熔敷成形技术在铝合金表面制备出性能优异的覆层。采用所述焊丝制备所得覆层晶粒过渡平缓、组织未发生突变，力学性能优良；耐磨性能优异，可有效减轻铝合金基体表面划伤及高温、湿热环境下的耐磨性。

附图说明

附图1为实施例1中4043、4143-2焊丝焊接熔合区金相组织对比图

附图2为实施例3中4143-4、4143-5、4143-6焊丝焊接熔合区金相组织对比图

附图3为实施例3中4143-4、4143-5、4143-6焊丝熔敷层力学性能对比曲线

附图4为实施例1、3中4043焊丝及4143-6焊丝摩擦系数随时间的变化曲线

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：

在牌号为4043的Al-Si系合金焊丝中单独添加的Mg元素，Mg元素含量分别为0.15%、0.25%、0.35%，制成4143-1、4143-2、4143-3三种焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的Fronius全数字TPS-4000直流脉冲MIG焊接熔敷成形技术，使用4043、4143-1、4143-2、4143-3焊丝对铝合金施焊，得到焊接接头。对接头进行拉伸试验，使用4143-1、4143-2、4143-3焊丝所得接头焊缝的屈服强度σ_0.2分别为104MPa、108MPa、105MPa，抗拉强度σ_b分别为168MPa、179MPa、170 MPa；焊缝的抗弯强度分别400 MPa、426 MPa、405 MPa；对比4043、4143-1焊丝拉伸试验结果，使用4143-1焊丝所得接头焊缝的屈服强度比4043焊丝提高5.6%，拉伸强度提高8.7%，抗正弯强度提高2.06%，抗背弯强度与4043焊丝持平。表1为添加不同含量Mg元素的焊接接头焊缝区力学性能对比，分析可知，添加Mg元素的Al-Si丝材力学性能更加优异。

实施例2：

采用实施例1中4043、4143-2焊丝所得焊接接头，观察焊接各区域组织结构，熔合区是接头易断裂位置。图1（a）为4043焊丝焊接接头熔合区金相组织，图1（b）为4143-2焊丝焊接接头熔合区金相组织。分析可知：4043焊丝熔合区晶粒为柱状晶，而4143-2焊丝熔合区柱状晶生长区域变窄，方向性减弱，呈等轴晶形式生长，其晶粒形式的过渡趋于平缓，减小了组织上的突变，这使得接头的性能更加均匀。

实施例3：

在牌号为4043的Al-Si系合金焊丝中添加的Mg、Sc、Zr元素制备焊丝。当添加Mg元素含量为0.25%，Sc的含量为0.3%、Zr的含量为0时制成4143-4焊丝；但添加Mg元素含量为0.25%，Sc的含量为0、Zr的含量为0.15%时制成4143-5焊丝；当添加Mg元素含量为0.25%，Sc的含量为0.3%、Zr的含量为0.15%时制成4143-6焊丝；采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的Fronius全数字TPS-4000直流脉冲MIG焊接熔敷成形技术，使用4143-4、4143-5、4143-6焊丝对铝合金施焊，得到焊接接头。观察焊接熔合区的金相组织，图2（a）为4143-4焊丝焊接接头熔合区金相组织，图2（b）为4143-5焊丝焊接接头熔合区金相组织，图2（c）为4143-6焊丝焊接接头熔合区金相组织。对比图1（a）与图2（a）、（b）、（c）熔合区金相组织，焊丝添加Mg元素及Sc、Zr元素微合金化后所得焊接接头熔合区的柱状晶的生长区域的大小发生了变化，焊缝中心区域晶粒明显细化，熔合区柱状晶区域变小，晶粒呈等轴晶生长，其中，4143-6焊丝所得结果最优。

实施例4：

对实施例3中三种焊丝所得焊接熔敷层进行力学性能测试。所得结果如图3所示。分析可知，添加Mg元素及Sc、Zr元素微合金化后所得熔敷层的力学性能比普通Al-Si丝材显著提高，且添加Mg元素含量为0.25%，Sc的含量为0.3%、Zr的含量为0.15%时制成4143-6焊丝所得焊接熔敷层的力学性能最优。对熔敷层进行摩擦磨损试验，采用国防再制造重点实验室中MM-W1A立式摩擦磨损试验机，摩擦副直径为Ø6.5mm，焊接接头切片尺寸为20mm×20mm。设定试验力为100N，转速为200r/min，磨损时间10分钟。图4为4043焊丝及4143-6焊丝摩擦系数随时间的变化曲线。从图中可以看出，在磨损开始阶段，摩擦系数均处于较大值，之后随着磨损的进行，摩擦系数逐渐下降，大约150s之后，摩擦系数的变化趋于稳定，在一个稳定的数值范围内微变。4143-6焊丝焊接接头的摩擦系数为0.32，4043焊丝焊接接头的摩擦系数为0.43。采用精度为0.0001的精密电子天平称量试样磨损前后的质量，称量三次取平均值，测得4043焊丝及4143-6焊丝焊接接头磨损质量损失分别为0.00095g和0.00033g。可知，在Al-Si系合金焊丝中，添加Mg、Sc、Zr元素后，所得覆层的摩擦磨损性能更加优异。

表1为实施例1的添加不同含量Mg元素的焊丝焊接焊缝区力学性能对比

Claims

1.一种磁控熔敷成形制备铝基耐磨覆层的焊接丝材，丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下：Si：4.5~6%、Fe：0~0.2%、Cu：0~0.3%、Ti：0~0.2%、Zr+Sc：0~0.45%、Mg：0.15~0.35%，其余为Al。