CN108472770A - 铝焊接填充金属 - Google Patents
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Abstract
用于焊接3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列合金的5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属合金。该合金被设计为利用焊接过程中存在的从液态到固态金属的高凝固速率，以实现其优异的机械性能。该合金利用Mg2Si弥散体的弥散强化与Mg2Si析出物的析出强化并且利用游离镁和锰的固溶强化。该合金具有高焊态机械性能和优异的耐腐蚀性。该合金受到焊后热处理的积极影响，并且无论被焊态使用或者焊后热处理，都提供超过所接合的基体金属的机械性能。合金组合物可在高达250华氏度的高温下使用。这种6xxx系列填充金属特别适合于生产用于汽车、卡车拖车、轨道车辆、船舶、航空航天和其他应用的静态和动态加载的高强度焊接结构。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2015年11月13日提交的美国临时专利申请No.62/254,814的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
本发明涉及焊接高强度铝结构的领域，并且更具体地涉及填充金属合金组合物，该填充金属合金组合物适合用于焊接工艺和优异的焊接件物理性能和机械性能。
焊接就其核心而言仅仅是将两块金属接合在一起的一种方式。有很多种用于接合金属部件的焊接工艺。这些焊接工艺中的一些包括气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、等离子电弧焊(PAW)、电子束焊接、惯性焊接、摩擦搅拌焊等。GMAW、GTAW和PAW工艺使用填充金属来完成焊接接合过程。电子束焊接和在此提到的其他工艺通常不使用填充金属来完成焊接，但它们在某些情况下可能使用填充金属。因此，本文公开的填充金属可适用于所有的焊接接合工艺。
当今，电弧焊是最常用的焊接工艺。它通过熔化一件或多件待接合的基体金属的部分并熔化填充金属(通常为焊丝的形式)以在接头处形成熔融的焊接熔池来接合金属部件。目前可用于焊接铝的填充金属在焊接过程期间可能会改变其机械性能。焊接期间存在的可变因素影响完工的焊接接头所得的机械性能和物理性能。例如，这些可变因素包括例如接头设计、基体金属截面尺寸、热量输入以及焊道对基体金属的焊透深度(由此改变基体金属稀释到填充金属熔池中的量)。现有的用于铝的填充金属的性能可能对在现代制造操作中可以一致且可靠地生产的铝结构的机械性能和物理性能造成严重限制。
也就是说，在使用中，铝结构中的焊缝可能在动态载荷或静态载荷下失效。铝结构可能因多种因素而失效，诸如冲击载荷或疲劳。焊接接头的失效由于焊接接头中经常出现的不连续性或结构缺陷而加速。因此，重要的是用于焊接结构部件的任何填充金属具有比待接合的基体金属更高的机械强度，从而如果发生失效，则失效被导向其中存在远远更少的不连续性的基体材料。现有的铝焊接填充金属通常不能提供机械强度优势，因此焊接接头成为铝焊接结构中的最薄弱环节。因此，焊接设计工程师不断寻求具有更高焊态强度的焊接填充金属，以改善其焊接结构的使用寿命并为其焊接产品提供额外的安全等级。
自从电弧焊接工艺的概念以来，铝填充金属已经得到发展。当今使用的普遍的铝填充金属被开发成仅通过略微改变待接合的基体金属的组成来焊接特定的锻造合金或铸造合金。对于5xxx系列(铝/镁)填充金属合金而言，这些改变主要是通过调整基体金属化学成分来完成，以便在焊接电弧中获得对某些合金元素(诸如镁(Mg))的熔化予以补偿的填充金属化学成分。大部分4xxx系列(铝/硅)填充金属合金通过适应性改变已有的钎焊合金而形成。所得的填充金属的严重局限性在于它们在受到焊接过程中存在的多种可变因素影响时在焊缝中提供一致且可靠的机械性能和物理性能的能力。
由焊接过程(特别是铝的电弧焊接)产生的热量一直是待解决的负面问题。热量致使焊接接头和基体金属的热影响区的机械性能(有时以及其物理性能)下降。对于可热处理和不可热处理的铝合金都是如此。现有的铝填充金属合金都没有在所有焊接条件下产生超过基体金属性能的显著的焊态机械性能和物理性能的专门制定的冶金技术。为了达到这个目的，必须设计合金的冶金技术，以利用焊接过程中发生的独特的热事件序列，即熔化、快速凝固和快速冷却速率的序列。这些冷却速率必须足够快以满足焊接中精细组分要求的时间-温度-转变限制，从而一致且可靠地产生所需的机械性能和物理性能。另一个考虑因素是以焊丝或焊条形式使用的填充金属的化学组成必须具有允许其制造成焊丝的机械性能。这已是开发较高强度5xxx系列填充金属合金的限制因素。
在铝焊接结构行业中期望的是焊接填充金属不仅产生优异的强度，而且提供优异的耐腐蚀性，并且在焊接之后进行阳极化时焊接填充金属与基体金属的阳极化颜色相匹配。还有一个考虑因素是设计具有期望的耐腐蚀性和阳极化特性的铝焊接填充金属。在生产汽车、卡车、拖车、高速列车、轨道车辆、船舶、军用车辆、火箭、导弹、卫星和许多其他产品中铝应用的快速发展要求开发新的填充金属，其具有增加的机械性能和优越的物理特性来满足这些产品的需求。本文公开的新型金属合金组合物可用作铝焊接应用中的填充金属，下文中称为填充组合物，可适用于无数的焊接接合工艺，包括但不限于本文所公开的那些焊接接合工艺。
发明内容
本发明涉及焊接高强度铝结构，并且更具体地涉及填充金属合金组合物，该组合物适合用于焊接工艺和优异的焊接件物理性能和机械性能，本发明基本上如至少一个附图所示和/或结合至少一个附图所述，如权利要求书中更完整地阐述。
根据本发明的第一方面，用于焊接工艺的金属合金组合物包含：重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅；以及重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁，其余为铝、其它合金元素和微量元素。铝的重量百分比例如可以为70.0％至98.9％之间的重量百分比。在其他方面，铝的重量百分比可以在75.0％和98.9％之间。在又一方面，按重量百分比计，铝在75.0％和96.8％之间，硅在0.20％和3.5％之间，并且镁在3.0％和11.0％之间。在某些方面，金属合金组合物还包含：重量百分比在0.05％和1.5％之间的锰；重量百分比在0.05％和0.35％之间的铬；重量百分比在0.003％和0.20％之间的钛；重量百分比在0.05％和0.40％之间的锆；重量百分比在0.001％和0.030％之间的硼；以及重量百分比最高为0.50％的磷。
根据本发明的第二方面，用于焊接工艺的金属合金组合物包含：重量百分比在约0.10％和5.0％之间的硅；重量百分比最高为0.05％的铁；重量百分比最高为0.05％的铜；重量百分比在约0.05％和1.5％之间的锰；重量百分比在约1.0％和15.0％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.35％之间的铬；重量百分比最高为0.30％的锌；重量百分比在约0.003％和0.20％之间的钛；重量百分比在约0.001％和0.030％之间的硼；重量百分比在约0.05％和0.40％之间的锆；重量百分比最高为0.001％的铍；以及重量百分比最高为0.5％的磷，其余为铝和微量元素。
根据本发明的第三方面，一种焊接件包括：第一基体金属；第二基体金属；以及填充金属合金，其中填充金属合金将第一基体金属熔合到第二基体金属，其中填充金属合金包含：重量百分比在约0.20％和3.5％之间的硅；重量百分比最高为0.05％的铁；重量百分比最高为0.05％的铜；重量百分比在约0.05％和1.5％之间的锰；重量百分比在约3.0％和11.0％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.35％之间的铬；重量百分比最高为0.30％的锌；重量百分比在约0.003％和0.20％之间的钛；重量百分比在约0.001％和0.030％之间的硼；重量百分比在约0.05％和0.40％之间的锆；重量百分比最高为0.001％的铍；以及重量百分比最高为0.5％的磷，其余为铝和微量元素。
根据本发明的第四方面，一种制造用于焊接铝材料的填充金属的方法包括：使金属合金塑性变形以形成填充金属，金属合金包含：重量百分比在70.0％和98.9％之间的铝、重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅，以及重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁。
根据本发明的第五方面，一种焊接件包括：第一基体金属；以及第二基体金属，所述第二基体金属在焊接接头处与第一基体金属接合，其中使用填充金属通过焊接工艺形成所述焊接接头，所述填充金属包含：重量百分比在70.0％和98.9％之间的铝、重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅，以及重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁。
在某些方面，按重量百分比计，硅在约0.50％和0.80％之间，锰在约0.05％和0.50％之间，镁在约5.6％和6.3％之间，铬在约0.05％和0.20％之间，锆在约0.05％和0.15％之间，钛在约0.003％和0.10％之间，硼在约0.001％和0.010％之间，并且磷最高为0.05％。
在某些方面，按重量百分比计，硅在约0.30％和0.50％之间，锰在约0.50％和1.0％之间，镁在约3.3％和3.8％之间，铬在约0.05％和0.20％之间，锆在约0.05％和0.20％之间，钛在约0.003％和0.10％之间，硼在约0.001％和0.01％之间，并且磷最高为0.05％。
在某些方面，按重量百分比计，硅在约2.50％和3.10％之间，锰在约0.20％和0.50％之间，镁在约9.0％和10.4％之间，铬在约0.05％和0.20％之间，锆在约0.05％和0.20％之间，钛在约0.003％和0.10％之间，硼在约0.001％和0.01％之间，并且磷最高为0.05％。
在某些方面，按重量百分比计，硅在约2.50％和3.10％之间，锰在约0.40％和0.70％之间，镁在约4.2％和5.2％之间，铬在约0.05％和0.20％之间，锆在约0.05％和0.20％之间，钛在约0.003％和0.10％之间，硼在约0.001％和0.01％之间，并且磷最高为0.05％。
在某些方面，金属合金组合物是用于焊接3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列铝金属的5xxx系列或6xxx系列铝填充金属合金。
在某些方面，金属合金组合物是用于高达250华氏度的高温应用的5xxx系列或6xxx系列铝填充金属合金。
在某些方面，金属合金组合物是为焊接后阳极化处理提供颜色匹配的5xxx系列或6xxx系列铝填充金属合金。
在某些方面，金属合金组合物是5xxx系列或6xxx系列铝填充金属合金，其具有匹配或超过被焊接的基体铝合金部件的防腐性能。
在某些方面，金属合金组合物是具有约20％国际退火铜标准(IACS)的电导率的5xxx系列或6xxx系列铝填充金属合金。
在某些方面，第一基体金属或第二基体金属包括以下中的至少一种：3xxx系列铝金属；5xxx系列铝金属；6xxx系列铝金属；或7xxx系列铝金属。
在某些方面，第一基体金属是硅基铝铸造合金，并且第二基体金属是锻造铝合金。
在另一方面，公开了一种化学组合物，其独特地利用焊接工艺来形成铝加Mg、Si和Mn的过热饱和液体组合物。当在焊接接头中在基体金属上从液体饱和状态骤冷至固体状态时，Mn保留在固溶体中，过量的镁保留在固溶体中，并且Mg2Si保留在固溶体、析出物和弥散体(dispersoid)中。这是一种独特的冶金转变，从饱和液态到固态。它与锻造合金中的固态转变不同，并且提供了与目前从填充合金可获得的相比改善的焊接接头的物理性能和机械性能。
在另一方面，公开了一种属于5xxx/6xxx合金类别中的化学组合物，其在被焊接或焊接后热处理时能够产生高于任何商业可得的填充金属高达20％的机械拉伸性能和剪切性能。例如，与具有38ksi(千磅每平方英寸)的拉伸性能和23ksi的剪切性能的商业5xxx填充合金(诸如5356)相比，改善的机械拉伸性能可高达57ksi，并且可实现高达33ksi的剪切性能。
在另一方面，公开了一种化学组合物，其产生高于其他商业5xxx/6xxx填充金属合金高达20％的疲劳初始强度。例如，改善的疲劳强度可为高达57ksi的初始强度，并且在500百万次循环时高达26ksi的疲劳极限。
在另一方面，公开了一种化学组合物，其具有与现有5xxx填充金属相比降低的电导率和更高的电阻率。更高的电阻率增加了电弧中填充焊丝的熔化速率。更高的熔化速率增加了焊接熔敷速率并提高了焊接生产率。例如，商业5xxx合金诸如5356具有33国际退火铜标准(IACS)的电导率，其中本申请要求保护的化学组合物具有低至25IACS的电导率。
在另一方面，公开了一种化学组合物，与任何其他商业5xxx/6xxx填充金属合金相比，所述化学组合物在熔融金属状态下产生较低的内部摩擦、较高的流动性和降低的表面张力，由此改善了焊道轮廓和接头根部浸润。例如，与利用现有商业可得的5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属可实现的相比，金属合金组合物在熔融金属状态下产生较高的流动性(在1292华氏度下至多1.0厘泊的内部摩擦)，以及降低的表面张力(在1292华氏度下低至每厘米570达因)，由此改善了焊道轮廓以及接头根部浸润。
在另一方面，公开了一种化学组合物，与任何其他铝填充金属合金相比，该化学组合物在焊接件中产生较低的排出溶体的氢气孔隙率(out of solution hydrogen gasporosity)。与5xxx合金(诸如5356或5183合金)相比，金属合金组合物在焊接件中产生较低的排出溶体的氢气孔隙率。当以类似的电弧氢含量制作焊接件时，产生孔隙率的氢含量以ml/100g测量。
在另一方面，公开了一种化学组合物，其具有受控的固体溶质或组分，以使得在负电性方面没有显著差异。组分和铝的电势伏特被控制在范围内以使得焊缝金属在盐水中具有优良的晶间腐蚀(包括应力腐蚀)性能。这种化学特性为盐水暴露提供了独特的高强度和高耐腐蚀性的性能组合。纯铝(99.95％Al)具有-0.85伏特的电势，Al+1％Mg2Si具有-0.83伏特的电势，Al+5％mg具有-0.88伏特的电势，并且Mg2Si组分具有-0.82伏特的电势。对于晶间腐蚀和应力腐蚀控制而言，这些电势伏特值被认为是相似的。组分、合金元素和铝的电势伏特值被控制在范围内以使得焊缝金属在盐水中具有优良的晶间腐蚀(包括应力腐蚀)表现，从而提供适合于盐水暴露的高强度和高耐腐蚀性的性能组合。
在另一方面，公开了一种含有Mg2Si的填充金属化学品，其Mg2Si含量和游离Mg浓度被控制为提供非凝固裂纹敏感性填充金属。低凝固裂纹敏感性化学品使Mg2Si加上过量的Mg合金(6xxx)的首次应用能够用于填充金属商业应用。
在另一方面，金属合金组合物被配置成通过控制添加硅(Si)的溶液中游离镁(游离Mg)的量而塑性变形为具有一种或多种焊丝尺寸的焊丝，由此使特定受控量的游离Mg与Si结合成硅化镁(Mg2Si)形式。换句话说，可以通过加入特定量的Si来控制处于固溶体中的游离Mg的量，该特定量的Si在凝固时将与以液态存在的部分Mg结合成金属间化合物Mg2Si，从而导致当液体已凝固时留在溶液中的受控量的游离Mg使所得合金具有其延展性以便于机械成形操作。在制造期间通过热操作将该组分控制在溶液相、析出相或弥散相中，以促进塑性变形。
在另一方面，金属合金组合物被配置成通过控制游离Mg的量(与添加的Si形成Mg2Si)而塑性变形为具有一种或多种焊丝尺寸的焊丝，其中添加的Si通过形成Mg2Si而减少溶液中游离Mg的含量，由此改进可加工性，其中金属中的Mg2Si相被热处理以使其从固溶体中作为弥散体析出，从而在制造焊丝时降低拉伸性能并改进可加工性。
附图说明
下面的描述参考附图，其中相同的附图标记在若干视图中表示相同的部件，并且其中：
图1是说明根据本发明的一方面的示例性化学组合物以及改进的铝合金1、2、3和4的图表。
图2是说明改进的铝合金1、2、3和4的镁含量和硅含量的图。
图3是说明改进的铝合金1、2、3和4的机械性能概要的图。
图4是说明焊态填充合金的典型拉伸强度和剪切强度以及焊态改进的铝合金的预测拉伸强度和剪切强度的图。
图5是说明针对变化的焊接热量输入的焊接件冷却速率的图表。
图6是说明各种铝合金的电导率的图，其电导率受合金元素硅和镁的百分比的影响。
图7是说明各种铝合金的焊态疲劳强度的图表。
图8是说明铝合金中的各种固体溶质或组分的负电势的图表。
图9是说明典型的角焊缝和对焊接头的图。
图10是说明增加合金含量对铝合金流动性的影响的图表。
图11是说明增加合金含量对铝合金表面张力的影响的图表。
图12是说明Mg2Si和游离镁浓度如何影响铝焊接件的热裂纹敏感性的图表。
具体实施方式
下面参考附图中的图来描述本发明的优选实施例。贯穿附图使用相同的附图标记来描绘相同或相似的元件。在下面的描述中，不再详细描述众所周知的功能或结构，因为这样的描述可能将本发明遮掩在不必要的细节中。
为了促进对本申请要求保护的技术的原理的理解并呈现其当前理解的最佳操作模式，现在将参考附图中示出的实施例并且将使用特定语言来描述实施例。然而应该理解，本申请要求保护的技术的范围旨在不限于在所示装置中进行这种变更和进一步修改以及对其中所示的本申请要求保护的技术的原理的其他应用，所述变更、进一步修改和其他应用被视为本申请要求保护的技术所属领域的技术人员通常可想到的。
如本文所使用的，词语“示例性”意指“用作示例、实例或举例说明”。本文描述的实施例不是限制性的，而仅是示例性的。应该理解，所描述的实施例不一定被解释为相对于其他实施例优选的或有利的。此外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。此外，通过使用对相关原理的图形表示来最好地说明本发明的一些冶金学和机械方面。已经包括几幅图来说明本发明的某些方面。
如本文所使用的，当用来修饰或描述数值(或数值范围)时，词语“约”和“大致”意味着合理地接近该数值或数值范围。因此，本文描述的实施例不应该仅限于所列举的数值和数值范围，而是应该包括合理可行的偏差，除非另有说明，该偏差可以是百分之十的偏差。
作为背景，存在用于铝合金的国际分类体系。国际分类体系使用四位数字的组别；第一位数字表示基于一种或多种主要合金元素的大组别，而其他数字表示其他特征，诸如组成。主要组别是：(1)1xxx系列(没有主要合金元素)；(2)2xxx系列(铜)；(3)3xxx系列(锰)；(4)4xxx系列(硅)；(5)5xxx系列(镁)；(6)6xxx系列(镁和硅)；(7)7xxx系列(锌)；以及(8)8xxx系列(其他合金，诸如钪(Sc)、锂(Li)、铁(Fe)等)。历史上，用于铝的焊接填充金属合金已经通过简单地适应性改进已经存在的钎焊合金的组成或通过稍微改变待焊接的铸造合金或锻造合金的化学性质而得以开发。在4xxx系列焊接合金的情况中，大多数是对已有钎焊合金的改进。在用于焊接铸造合金的填充金属合金的情况中，它们仅仅是对待焊接的铸造合金的化学组成的复制，对焊接过程中将熔化的元素进行一些改变。在5xxx系列填充金属合金的情况中，它们也是待焊接的5xxx系列锻造合金的稍微改变的化学组成。因此，焊接工程师以往努力生产焊缝，其中焊接接头的强度显著超过被焊接的基体金属的强度。由于所有焊接接头中固有存在的机械缺陷，对于动态地并且在某些情况下静态地负载结构而言，焊接接头金属的强度超过被接合的基体金属的强度是至关重要的。如图9所示，该图说明了典型的角焊缝和对焊接头，这在角焊缝和部分焊透的对焊接头焊缝中变得尤为有意义。据估计，在一般的生产操作中，所有焊缝中的大约70％最终都会部分焊透。在这些情况下，焊缝金属在使用时承受所有的应力载荷。如果焊接结构达到其设计的使用寿命，那么焊接接头具有优越的强度和韧性就变得很重要。本文公开的改进的铝合金减轻了目前可用的铝焊接填充金属合金家族的这种限制。
事实上，焊接过程中产生的热量总是带来挑战。例如，热量使热影响区中的基体金属的性能下降。到目前为止，还没有任何5xxx或6xxx合金在针对焊接的铝协会注册(或在美国焊接协会(AWS)A5.10用于铝的填充金属规范中列出)，这些合金专门设计为通过利用在气体保护金属极电弧(GMA)和气体保护钨极电弧(GTA)焊接操作中存在的热过程来优化其机械性能和物理性能。此外，尽管已经尝试生产更高强度的5xxx系列焊接填充金属，但它们已受到了限制，因为随着通过最大化添加镁和锰来增加合金的强度，合金非常快速地达到该合金的延展性降低的点，以至它们不再能被制造成焊丝或焊条。
本文公开的改进的铝合金，5xxx或6xxx系列填充金属合金，被设计为其可以经过热处理而使该合金能够被拉伸成常用尺寸的焊丝。改进的铝合金进一步被设计为在焊接接头的熔化、快速凝固和后续快速冷却至室温期间实现最大潜在机械性能。例如，除了含有过量的镁含量之外，改进的铝合金还含有磷，其改善硅化镁(Mg2Si)组分尺寸和分布以及影响析出的Mg2Si颗粒形状。以重量百分比为1.73％的Mg与1％Si结合成Mg2Si。在使用中，通过焊接电弧将Mg2Si溶解于过饱和铝溶液中，加热至约3500华氏度，在约2秒内骤冷至固态，在-W/-T1回火条件下使显著部分的Mg2Si保留在溶液中。Mg2Si在固态下在铝中的最大溶解度为1.85％。Mg2Si在溶液-T1和-T4中，作为析出物-T5和-T6以及作为精细的弥散体用于强化。焊接时或焊后热处理时的所有阶段和回火提供了对基体金属化学性能的显著附加强化。
磷有助于形成球形析出物。焊接过程(加热至约3500华氏度的温度接着快速冷却过程)，也促成了小尺寸的和精细分布的Mg2Si弥散体和析出物。此外，对于具有小于3％游离镁的合金，Mg2Si具有不同程度的溶解度，并且在焊后溶液热处理和时效处理时有助于产生不同量的析出强化。
改进的铝合金还调整了合金中的镁含量，以使得它可以用于焊接5454基体金属(一种由Alcoa开发的基体金属，在用于高温应用中时具有良好的强度和延展性)以及用于高达250华氏度的高温应用中的其他基体合金。最后，改进的铝合金，通过提供析出响应(precipitation response)或者通过弥散强化对热焊后时效处理产生积极影响，可用于焊接6xxx系列锻造合金。对焊接结构的焊后时效处理恢复了基体金属的热影响区的机械性能，从而使其接近于填充金属的机械性能。参照图5来了解铝焊接件的热输入和冷却速率。
如本文公开的，根据本发明的一方面，改进的铝合金组合物可以包含：重量百分比在约0.10％和5.0％，更优选地在0.20％和3.5％之间的硅(Si)；重量百分比在约0.05％和1.5％之间，更优选地在0.05％和1.4％之间，最优选地在0.05％和1.2％之间的锰(Mn)；重量百分比在约1.0％和15.0％之间，更优选地在3.0％和11.0％之间的镁(Mg)；重量百分比在约0.05％和0.35％之间，更优选地在0.05％和0.2％之间的铬(Cr)；重量百分比在约0.05％和0.40％之间的锆(Zr)；重量百分比在约0.003％和0.20％之间，更优选地在0.003％和0.10％之间的钛(Ti)；以及重量百分比在约0.001％和0.030％之间，更优选地在0.001％和0.01％之间的硼(B)；以及重量百分比最高为0.5％，更优选地最高为0.3％的磷(P)，合金的其余部分为铝和微量元素。在此，铝的重量百分比例如可以为在70.0％和98.746％之间，更优选地在75.0％和98.746％之间的重量百分比。
图1是示出根据本发明的各方面示例性改进的铝合金的图表，具体地，是改进的铝合金1、2、3和4。除了图1中以单一最大允许百分比注明的微量元素之外，对这种新型改进的铝合金组合物中存在的元素的平衡被有意地添加并且控制在特定百分比范围内，以便获得这种合金的期望性能。例外情形是可能有意地或无意地添加的磷。现在将针对每种元素讨论每种有意添加的合金元素的存在和百分比含量的原因。“其他”类别中的“每种”和“总计”是指铝业协会制定的商业最高限制。
硅(Si)-按重量计占合金组合物的0.1％至5.0％之间的大致硅范围允许形成Mg2Si，通过在典型焊接操作期间施加的加热和冷却速率控制Mg2Si作为弥散组分脱离固溶体的量。镁和硅形成脱离溶液的Mg2Si组分，其组成尺寸和分布受冷却速率、过量镁含量和存在的磷的重量百分比控制。合金被设计成在凝固焊接件中促进Mg2Si脱离溶液。除了脱离溶液的组分之外，还会出现来自Mg2Si的析出强化以及弥散强化。在没有过量Mg的情况下，焊态析出强化效果将最大化。当从液态骤冷时，一些Mg2Si将保留在溶液中，并且在所有过量Mg水平下可用于析出硬化。
锰(Mn)-Mn被添加到基于Mg和Mg2Si的合金中，以改善Mg添加物的强化效果。按重量计占合金组合物的0.05％至1.5％之间的大致锰范围，通过元素固溶强化增强了机械性能并且被控制以防止降低延展性和韧性。当被控制在低于锰在铝中的最大溶解度极限时，锰的添加增加了机械性能。它提供了附加的强度，而不会降低在盐水应用中的耐腐蚀性。此外，Mn对镁合金的强度增强两倍于相似镁重量百分比的强度增强。
镁(Mg)-按重量计占合金组合物的1.0％至15.0％之间的大致镁范围允许形成Mg2Si弥散体组分，其量在典型焊接操作期间提供的凝固和冷却速率下保持为精细弥散体。除了脱离溶液的弥散体之外，在没有过量Mg的情况下，焊态析出强化效应将最大化。当从液态骤冷时，一些Mg2Si将保留在溶液中，并且在所有过量Mg水平下可用于析出硬化。
此外，在更高的镁水平下，过量的焊态析出强化效应将由于留在元素固溶体中的过量Mg镁而增加，从而除了提供Mg2Si强化和组分细化之外，还提供增强的机械性能和物理性能。控制最大游离镁，以防止在盐水暴露应用中腐蚀特性降低。
铬(Cr)-按重量计占合金组合物的0.05％至0.35％的大致Cr范围被添加，以控制晶粒结构并防止重结晶。该范围提高了耐腐蚀性和韧性。高于0.35％的Cr与其他杂质或添加物(诸如Mn、Fe、Zr或Ti)形成粗糙组分。这些非常粗大的组分相降低了金属的韧性，并使得焊丝难以甚至不可能制造。
锆(Zr)-占合金组合物的大致Zr范围被控制，以便晶粒细化并改善对焊接件中凝固开裂的抗性。Zr按重量计可以在0.05％至0.40％之间，或者更优选地在0.05％至0.30％之间。
钛(Ti)和硼(B)-占合金组合物的大致Ti和B范围(其中按重量计在0.003％至0.20％之间的大致Ti范围和按重量计在0.001％至0.020％之间的大致B范围)组合使用，以控制焊接件中的晶粒结构尺寸和形状。这种铸造结构改善了应力腐蚀开裂、韧性和延展性。然而，Ti易于与Cr形成粗糙组分。在添加非常少量B的情况下，Ti添加量可以最小化，而不会损失其晶粒细化效果。
Ti、B、Cr和Zr可以以各种量或组合添加到铝中，以提供晶粒细化和晶粒结构控制。这些添加物影响强度、凝固开裂、腐蚀、韧性、导电性和其他物理性能。晶粒细化和控制不限于这些元素添加物。例如，可以使用碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)和其他不溶性组分来提供晶粒细化。
锆(Zr)+钛(Ti)-在合金组合物中，Zr具有0.40％的最大极限设定，并且Ti具有0.20％的最大极限设定。Zr、Ti、B和Mn与Cr形成粗糙组分。在粗糙Cr组分计算中，Zr和Ti是与Cr发生的组分形成的最大负面因素。因此，以最大量控制Zr加Ti。
磷(P)-P被添加到含有过量Mg2Si的轴承合金中，以细化Mg2Si弥散体的尺寸和分布。精细弥散具有提高的强度和耐腐蚀性能。在合金组合物中，P以按重量计为0.5％的最大添加量被控制，并且被控制用于Mg2Si相的组分细化。磷，以及Si、Mg，以及包括Sic和氧化铝(Al2O3)在内的组分可以在凝固和冷却过程中细化Mg2Si的尺寸和分布。由于在电极的制造过程中需要修整，所以P最初被选择用于组分细化，同时认识到其他元素和组分也提供Mg2Si细化。替代的细化添加物包括但不限于过量的Si、过量的Mg、过量的Al2O3和SiC。
铁(Fe)-Fe是商业杂质并与其他元素形成负面化合物。在合金组合物中，Fe具有0.50％的最大极限设定，更优选地为0.40％，这可以随着规则和各个冶炼矿石来源而变化。
铜(Cu)-Cu是有效的增强剂，但不会添加到过量的Mg合金中，因为Cu和Mg形成有害的析出物。因此，在合金组合物中，Cu具有0.50％的最大极限设定，更优选地为0.40％。
锌(Zn)-Zn是Mg基合金的另一种有效增强剂。在合金组合物中，Zn具有0.30％的最大极限设定，更优选地为0.25％，最优选地为0.1％。
铍(Be)-Be在铝焊接材料中被控制到非常低的水平。Be产生超过规定最大值水平的有毒焊接烟雾。因此，在合金组合物中，Be具有0.001％的最大极限设定，更优选地为0.0008％，最优选地为0.0003％。
在合金组合物的化学成分范围内，可以配制多种特定的合金，其具有改进的铝合金的基本冶金性能，但可以进行定制以满足特定性能。例如，可以选择特定的化学物质，用于高温工作，或者用于匹配所接合的铸造合金或锻造合金的耐腐蚀性能，或者用于与被焊接的合金进行良好的阳极化颜色匹配。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于焊接5xxx和7xxx铸造合金以及所有5xxx系列不可热处理的锻造合金(合金5454或用于高温工作的其它合金除外)的合金组合物。这是一种合金，包含：重量百分比在约0.50％和0.80％之间的硅；重量百分比在约0.05％和0.50％之间的锰；重量百分比在约5.6％和6.3％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Cr；重量百分比在约0.05％和0.15％之间的Zr；重量百分比在约0.003％和0.10％之间的Ti；以及重量百分比在约0.001％和0.01％之间的B；其余为铝和微量元素(完整的化学分析参见图1)。称为合金1的这种新改进的铝合金可以替代现有的焊接填充金属合金5356、5183和5556以用于所有应用。合金1提供具有显著更高的焊态机械性能的焊缝。更高的拉伸强度、屈服强度、剪切强度和疲劳强度允许铝用于新的更高强度应用中。合金1使本设计的焊接结构能够在使用中经历更少的结构失效。合金1被设计用于但不限于需要高拉伸强度和剪切强度、高抗盐水晶间腐蚀性的应用。典型应用包括但不限于造船和机械动态加载结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种合金组合物，以用于焊接相应的不含Cu的3xx、5xx和7xx铸造合金和合金5454以及预期在高达250华氏度的高温下使用的其他3xxx、5xxx或6xxx系列锻造合金。这是一种合金，包含：重量百分比在约0.30％和0.50％之间的硅；重量百分比在约0.50％和1.0％之间的锰；重量百分比在约3.3％和3.8％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Cr；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Zr；重量百分比在约0.003％和0.10％之间的Ti；重量百分比在约0.001％和0.01％之间的B；以及重量百分比最高为0.050％的P，其余为铝和微量元素(完整化学分析参见图1)。这种合金组合物将被称为合金2，并为高温应用提供较高的拉伸强度、屈服强度、剪切强度和疲劳强度。合金2被设计用于受益于拉伸强度和剪切强度、高耐腐蚀性以及耐高温腐蚀性的应用。它使在高温下使用的本设计的焊接结构能够在使用中经历更少的结构失效。这种合金能够将硅基铸造合金焊接到含有少于3％镁的锻造合金。含有高于3.2％Mg的铝/镁合金不应该用于承受超过180华氏度高温的应用中，因为这些合金可能由于AlMg阳极相在金属晶界中的长期析出而失效。然而，合金2不仅产生更高的强度，而且还可以在高达250华氏度的温度范围内使用，这有利于某些应用(诸如车轮、发动机支架、热交换器等)。然而，应该注意，长期暴露在高于250/300华氏度的温度下会降低加工硬化和析出硬化回火的强度。在复杂设计诸如汽车或卡车结构中，其中硅基铸件与含有低于3％镁的锻造合金焊接在一起，目前只有两种填充金属可供选择。选择使用低强度4xxx系列填充金属合金或5554填充金属。合金2允许将硅基铝铸件焊接至锻造6xxx和5xxx系列合金，其中在焊接接头中具有显著更高的机械性能。典型应用包括但不限于汽车发动机支架、车轮、热交换器和高温应用。合金2也适合用于焊后人工时效处理。
根据本发明的另一方面，提供了一种合金组合物，其被称为合金3。合金3包含：重量百分比在约2.50％和3.10％之间的硅；重量百分比在约0.20％和0.5％之间的锰；重量百分比在约9.0％和10.4％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Cr；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Zr；重量百分比在约0.003％和0.10％之间的Ti；重量百分比在约0.001％和0.01％之间的B；以及重量百分比最高为0.050％的P，其余为铝和微量元素(完整化学分析参见图1)。合金3被设计用于受益于最高可获得拉伸强度和剪切强度的应用，具有良好的耐腐蚀性。典型应用包括但不限于高性能结构，诸如航空航天、火车、压力容器、装甲抗剪强度部件。
根据本发明的另一方面，提供了一种合金组合物，其被称为合金4。合金4包含：重量百分比在约2.50％和3.10％之间的硅；重量百分比在约0.40％和0.7％之间的锰；重量百分比在约4.2％和5.2％之间的镁；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Cr；重量百分比在约0.05％和0.20％之间的Zr；重量百分比在约0.003％和0.10％之间的Ti；重量百分比在约0.001％和0.01％之间的B；重量百分比最高为0.050％的P，其余为铝和微量元素(完整化学分析参见图1)。合金4被设计用于受益于高拉伸强度和剪切强度具有高韧性的应用以及需要焊后热处理的应用。在Mg2Si轴承合金中，过量游离镁的量控制了Mg2Si在铝中的溶解度。合金4使用最少量的游离镁，从而允许在铝中的溶解度最大为Mg2Si重量的1.85％，以提供析出强化(完整化学分析参见图1)。作为参考，在3％游离镁下，在溶液热处理时，Mg2Si在铝中的溶解度的量降低到零。合金4被设计为利用0％游离镁和按重量计8％的Mg2Si。在这种组成下，1.85％的Mg2Si将通过析出硬化而强化，其余6.2％的Mg2Si将作为弥散颗粒组分在焊态下液体骤冷或焊后溶液热处理时进行强化。将不存在游离镁溶液强化，但添加锰作为溶液强化元素。锰不影响Mg2Si在铝中的溶解度。典型应用包括但不限于装甲、航空航天和设计用于抗冲击的区域中的汽车。游离Mg被最小化，以有利于焊后溶液热处理和人工时效处理物理性能。
合金1、2、3和4可以用于焊接3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列铝合金部件。与AWS填充金属规范中可获得的任何填充金属相比，这些合金向焊接件提供更高的焊态拉伸强度、屈服强度、剪切强度和疲劳强度。改进的合金1、2和3不可热处理，但这些合金可以经过焊后时效处理而具有积极效果。焊后时效处理对填充合金具有积极效果，并且它使得焊缝的热影响区中的基体金属的机械性能接近于其余部分的基体金属热处理性能，并接近于填充金属的焊态性能。专门设计的合金4能够对焊接件进行焊后热处理。合金4仅对焊后时效处理和完整的溶解、骤冷和时效热处理过程作出良好反应。历史上，当焊接6xxx系列合金时，只有一些4xxx系列填充金属会对焊后热处理做出反应。所得的焊缝具有非常低的断裂韧性和高裂纹生长敏感性。这种韧性的损失妨碍了6xxx系列合金在韧性和断裂特性是重要设计标准的许多焊接应用中的使用。所有4xxx合金在焊后热处理时都会经历重大的韧性损失。本发明解决了目前可用的铝焊接合金家族的这种限制。选自本发明的改进合金1、2、3和4在焊态或经适当热处理之后具有比任何4xxx填充合金显著更高的韧性。如果机械性能和断裂韧性可以大大提高，则现有结构中的焊道尺寸可能会减小，以实现焊接填充材料的成本节省和焊接速度的提高。
合金1、2、3和4仅为几种组合物，其可以由包含在这种改进的铝合金的组合物中的更宽范围的化学成分来配制。存在任何数量的合金组合物，其可以在更宽的组成限制内进行配制，以实现机械性能以及其他特性(诸如耐腐蚀性或当进行焊后阳极化时对被焊接的铝合金的颜色匹配)的最大表现，或调整冶金性能以提供高达250华氏度的优异高温性能。
除此之外，可以调整化学成分(例如比率/百分比)，以提供其他有利的焊接性能特性，诸如电极熔化速率、冷金属短弧过渡、焊接电弧中的珠滴性能、改进的焊道穿透、或者改进的流动性和焊接填充金属的降低的熔化/冷冻温度等。调整填充金属的这些焊接参数特性的能力影响实现期望的最终结果所需的保护气体并且可以导致显著的成本节省。
改进的铝合金组合物提供了铝焊接填充金属，所述铝焊接填充金属包括切割成一定长度的卷绕焊丝或线性焊丝，或待熔化并熔合到通过焊接待接合在一起的铝合金部件的任何其他电极或填充金属形状。本发明旨在覆盖所有新的焊接接合方法，其中使用填充金属或者在铝合金部件之间使用接合金属层并随后熔化该接合金属层以接合它们。
本发明的其他优点、特征和特性以及操作方法和结构的相关元件的功能以及部件的组合和制造经济性将在考虑以下参考附图的详细描述和所附权利要求时变得更加明显，后面将简要描述这些附图。
铝合金被分为两类，可热处理的和不可热处理的。6xxx系列锻造合金是可热处理的。这些合金中的主要强化机制是通过溶液热处理操作将硅和镁溶解到溶液中然后骤冷以将其在室温下锁定在溶液中实现。然后在升高的温度下对合金进行人工时效处理以使Mg2Si析出为一致均匀弥散的颗粒，从而加压并由此加强微观结构。超过3％范围的过量镁的主题合金阻碍Mg2Si的溶解和随后在锻造合金制造时析出。当从液体骤冷时，Mg2Si形成为精细组分并且通过弥散硬化提供强化，此外在更高的游离Mg含量下析出强化。在过量镁小于3％的合金中，在热处理时存在Mg2Si的溶解度，并且除了发生弥散强化和溶液强化之外，还发生增加的析出强化。不可热处理的合金(诸如3xxx、4xxx和5xxx系列合金)通过溶解合金元素的固溶强化来实现它们的机械性能，合金元素，在3xxx系列合金的情况中主要是锰、在4xxx系列合金的情况中是硅，在5xxx系列合金情况下是镁加锰。这些合金通过冷加工操作获得附加的强度。然而，在焊态条件下，3xxx、4xxx和5xxx系列填充金属仅通过其主要合金元素的固溶强化获得其强度，因为在焊接之后不进行冷加工。对于改进的铝合金，焊态条件通过Mg2Si的弥散强化和析出强化加上过量镁和锰的固溶强化来获得其强度。根据本发明的一方面，在改进的铝合金组合物中选择Mg2Si与以不同水平添加的过量镁的组合的强化机制，以实现焊接填充金属中的期望性能。
还选择不同水平的Mg2Si，不是作为析出物存在，而是以弥散体存在，从而实现期望的焊态性能。超过1.85％溶解度极限的Mg2Si的存在使其自身呈现在焊态微观结构中，作为对热处理无反应的Mg2Si的非均匀弥散体。合金的过量镁可用于对基体的固溶强化。在改进的铝合金组合物中，硅含量的极限设定为按重量计约0.10％至5.0％，锰含量的极限设定为按重量计约0.05％至1.5％，并且改进的铝合金中镁含量的极限设定为按重量计约1.0％至15.0％。对于在改进的铝合金组合物限制内配制的每种合金，Mg2Si含量设定为从1％开始，并且游离镁含量控制在0％和5.2％之间。Mg2Si中镁与硅的重量比为1.73:1，并且使用该重量比来计算合适的镁和硅的合金添加水平。改进的铝合金组合物利用Mg2Si的形成来从溶液中除去镁，从而将合金中溶液中的游离镁控制在适当限度，对于腐蚀性能控制而言按重量计小于5.2％。这对于焊接填充金属合金的腐蚀和应力腐蚀性能很重要。
改进的铝合金组合物被设计成利用焊接操作期间存在的热过程。在GMA和GTA焊接工艺中，填充金属非常快速地熔化和凝固，其中时间范围通常小于2秒，且最常见地小于1秒。这种改进的铝合金组合物被设计为利用焊接过程的快速液体到固体冷却速率，该冷却速率通常是铸造操作的一百倍。这种快速凝固速率产生最大量的精细Mg2Si弥散体，并保留一些Mg2Si在溶液中用于析出硬化。在控制Mg2Si组分和过量镁的水平时，铝合金在凝固降至室温之后经历的冷却速率对于含有Mg2Si析出物的合金也很关键。凝固冷却速率控制析出物和弥散体的尺寸和分布。对改进的铝合金组合物的冶金进行设计以便产生与焊接过程中经历的冷却速率协同的骤冷敏感度。除了冷却速率和过量镁含量之外，在合金化学成分中添加P也控制了强化Mg2Si弥散体的尺寸和分布。对合金的化学成分进一步进行控制，以优化由多道焊接引入的热能效应。Fe在任何凝固和凝固后冷却速率下特别形成负相，并且只能通过化学成分限制来控制。因此，改进的铝合金组合物具有被控制在低于大多数填充金属合金规格的Fe含量。
在图4中，将5xxx系列焊接填充金属合金的拉伸强度与合金1、2、3和4的预测拉伸强度进行比较，显示为在大多数焊接条件下可实现的一组可能的焊后拉伸强度。具体而言，图3是示出各种5xxx系列填充金属合金的拉伸强度的图，它们随着合金元素镁和锰的组合百分比增加而变化。这些图示出了特性区域受弥散强化、析出强化和溶液强化影响。这些图示出了由改进的合金以及改进合金范围内的具体化学成分代表的化学区域。在该图上包括的是一组预测性能，这些预测性能是通过选择在允许限度内选择的改进铝合金1、2、3和4可实现的，并且是焊态可实现的。改进的铝合金提供的机械性能远远超过目前类似应用可获得的机械性能。图3是示出对所选合金1、2、3和4的机械性能概要的图。
出于另一特定原因，新合金的化学组成含有最大水平的游离镁。较高水平的游离镁使合金的电阻率显著增大。铝电极的熔化速率基于在焊接设备中设置的焊接参数、保护气体、接触尖端和电极的机械伸出长度以及电极的物理性质(包括电极中金属的电阻率)。当电力通过焊丝传导时，更高的电阻率向焊丝提供了增加的热量。电极的较高电阻率增加了熔化速率。此外，在短弧过渡焊接模式中很少使用铝。电阻率太低而不能在金属过渡过程的短弧部分期间提供令人满意的熔化速率。本发明的目的是提高改进的铝合金组合物在所有金属过渡模式(包括熔滴过渡、喷射过渡和短弧过渡)下的熔化速率。图6示出了合金元素对电导率的影响。电阻率是电导率的倒数。因此，电导率随着向铝添加合金元素而改变，并直接与所得合金的电阻率相关。纯铝(诸如合金1350)具有62％IACS(国际退火铜标准)的电导率。出于参照目的，铜具有的电导率为100％IACS，而铁下降至18％IACS。对于铝，1.5％Mg2Si的合金具有49％IACS，3％镁的合金具有40％IACS，并且5％游离镁的合金具有29％IACS值。对于铝，如果电导率约为50％IACS的典型的3.0％或8.0％Mg2Si的合金添加有5％的游离镁，则改进合金的所得电导率显著降低。
图5是示出与变化的焊接热量输入相关的焊接件冷却速率的图表。说明了铝的临界冷却范围。图5示出了改进的铝合金组合物在18％至23％之间的预测值或20％IACS的典型值。电导率从29降低到20的9个点表示5％镁的合金的电导率相对降低31％，或相反，电阻率增加31％。改进的铝合金组合物接近铁的电导率，为18％IACS。铁具有良好记录的熔化速率和焊接特性。短弧过渡常用于焊接钢，利用其高电阻率。这种合金被专门设计具有促进短弧模式过渡和熔滴模式过渡的电导率。应该注意，增加的熔化速率是改进的铝合金组合物的期望和预期结果。在所有金属过渡模式包括喷射过渡中，增加的熔化速率有利于焊接，同时降低焊接设备对热量输入的需求，从而减少在热影响区中机械性能降低的负面影响。较少的热量输入也会产生较小的结构畸变。此外，具有较高熔化速率的电极可以以较高的过渡速率(transfer rate)进行焊接，提高了焊接速度，从而降低了焊接成本。通过增加电阻加热来提高改进的铝合金组合物的熔化速率，电弧等离子体中所需的热能已降低，从而减少了焊接电弧中镁熔化的量。由于电阻加热增加，来自等离子体的热输入减少，允许在喷射过渡模式下更稳定的熔滴过渡，并具有更少的金属蒸发。改进的铝合金组合物减少了电弧等离子体中镁蒸气的量，并且减少了这些蒸气以被称为污迹的蒸气冷凝物形式沿着焊缝不期望的冷凝。电弧等离子体中的镁蒸气被认为影响保护气体的电离电位，与其他合金系列(诸如硅系列)填充金属合金相比，这赋予高镁填充合金不同的电弧特性。因此，预期到改进的铝合金允许使用降低水平的所需保护气体来实现优质焊接。
改进的铝合金组合物还被开发以便控制其腐蚀特性。图8示出了铝中各种固体溶质和各个组分的负电性。待用这种填充金属焊接的基体金属合金用于汽车、卡车拖车、轨道车和造船应用等等。这些结构在恶劣的环境气氛(包括盐水的非常腐蚀性影响)中消耗寿命。对铝填充材料的腐蚀特性进行小心控制，以确保在各种工作环境中的适应性。新型合金1、2、3和4经过专门设计，具有受控的且极好的焊态耐腐蚀性。它们具有非常接近于纯铝的负电性电位。Mg2Si是一种具有与纯铝相似的电位的组分。设计在改进的铝合金组合物中的化学成分具有优异的焊态腐蚀性能。当焊接典型的造船板材和板形合金5052、5086、5083、6061、6082和6351时，该合金具有优异的盐水腐蚀表现。
图4是说明各种铝焊接填充金属合金的典型焊态剪切强度和拉伸强度以及改进的铝合金具有的预测剪切性能和拉伸性能的图表。在工业中，部分焊透的角焊缝型焊缝的数量远远超过完全焊透的对焊型焊缝。剪切强度对于所有部分焊透的焊缝而言是在设计焊缝强度时考虑的主要因素。对于铝合金，剪切强度由拉伸强度计算，并且为拉伸强度的60％。角焊缝占所有结构焊缝的70％。与当今使用的所有其他焊接填充金属合金相比，改进的铝合金组合物将提供显著提高的拉伸强度、剪切强度和疲劳强度。使用铝焊接结构的经验已表明，所有失效中的90％是由于循环载荷和焊接接头疲劳失效。由于与基体材料相比焊接接头中存在较高水平的不连续性，因此焊接接头中存在较高水平的应力冒口(stressriser)。大部分焊缝都是部分焊透的接头，诸如角焊缝。在这些接头中，每个焊缝的焊根实际上是尖锐的缺口。该缺口在循环加载过程中充当应力冒口。在角焊缝中，焊道承受循环加载的全部应力。因此，焊道填充金属合金的疲劳强度极其重要。铝合金的疲劳裂纹初始强度与其拉伸强度成正比。改进的铝合金组合物的拉伸性能高于任何现有的铝焊接填充金属合金的拉伸性能，并且因此疲劳裂纹初始性能也较高。图7中示出了针对改进的铝合金组合物的预测疲劳强度。
当用作焊接填充金属时，改进的铝合金也被设计成提供增加的流动性和熔融焊道降低的表面张力。图10中的图表示出了增加合金含量对熔融铝合金的流动性的影响。熔融焊道的流动性影响在焊接过程中熔融填充金属的浸润作用和凝固后的焊道外形。图11中的图表示出了增加合金含量对熔融铝合金的表面张力的影响。熔融焊道上的表面张力还影响凝固期间的焊道外形。熔融金属焊道的较高流动性和较低表面张力在凝固之后产生较低且较平坦的焊道外形。焊接标准控制焊道的允许轮廓。改进的铝合金的化学组合物将提供改进的浸润作用和较低的表面张力，从而改善对焊道轮廓的控制。具有降低的焊道高度和较低的焊接金属至基体材料的入射夹角的焊接接头将具有优异的疲劳寿命。不仅从材料的角度而言，而且从对焊道轮廓的改进物理控制的结果而言，改进的铝合金将具有改善的疲劳强度特性。这是改进的铝合金组合物的又一目的。铝焊接件的凝固开裂特性对填充金属合金的化学成分敏感。
图12示出了Mg2Si和游离镁浓度对焊接件的凝固开裂特性的影响。改进的铝合金专门控制Mg2Si浓度和游离镁浓度，以控制合金在焊接凝固过程中合金的开裂特性。
已经对改进的铝合金组合物进行设计以降低熔融铝焊道中的氢溶解度。具体地，镁原子比铝原子大大致25％，并且扩大了铝晶格结构，允许更多的氢保留在固溶体中并减少在凝固过程中排出的氢的量。凝固过程中排出的氢的减少使焊接件中的气体孔隙率量降低。焊接规范限制了焊缝中允许的氢气孔隙率的量，以控制机械性能。与意欲取代的焊接填充金属合金相比，改进的铝合金含有显著更大量的控制合金元素。因此，它们在焊接过程中将具有较低的氢气孔隙率污染倾向。这是本发明的具体设计目的。改进的铝合金组合物具有制造成焊丝的能力。在合金形成为焊丝的实施例中，这种焊丝(即，焊接填充金属)可以在用于GMA焊接的卷轴上制造，或者其可以被切割成用于GTA焊接的直段。这些是铝填充金属的两种最常见的形式，但它们不限于这些形式。通常，线性焊丝或定长切割的焊丝具有的直径至少为0.010英寸，且直径通常小于0.30英寸。在优选实施例中，焊丝具有一种或多种直径，诸如0.023英寸、0.030英寸、0.035英寸、0.040英寸、0.047英寸、0.062英寸、0.094英寸、0.125英寸、0.156英寸、0.187英寸和0.250英寸。改进的铝合金专门设计成能够拉伸成所有需要的焊丝尺寸，同时通过退火有意地形成和粗化Mg2Si组分相。当过量镁被限制在约5.2％，锰被限制在约0.40％，并且通过退火使Mg2Si相粗化时，所得的合金具有可接受的机械冷加工性能。
虽然本文已说明和描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化，包括许多合金组合物。因此应该理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有这些修改和变化。本文中引用的所有文件，包括期刊文章或摘要、公布的或相应的美国或外国专利申请、或者授权专利或外国专利、或任何其他文件，每篇都通过引用全文并入本文中，包括被引用文件中提供的所有的数据、表格、图示和文本。
Claims (38)
1.一种用于焊接工艺的金属合金组合物，所述金属合金包含：
重量百分比在70.0％和98.9％之间的铝；
重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅；以及
重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁。
2.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，
所述铝在75.0％和96.8％之间，
所述硅在0.20％和3.5％之间，并且
所述镁在3.0％和11.0％之间。
3.根据权利要求2所述的金属合金组合物，还包含：
重量百分比在0.05％和1.50％之间的锰；
重量百分比在0.05％和0.35％之间的铬；
重量百分比在0.003％和0.20％之间的钛；
重量百分比在0.05％和0.40％之间的锆；
重量百分比在0.001％和0.030％之间的硼；以及
重量百分比最高为0.50％的磷。
4.根据权利要求3所述的金属合金组合物，还包含重量百分比最高为0.30％的锌。
5.根据权利要求3所述的金属合金组合物，还包含重量百分比最高为0.001％的铍。
6.根据权利要求5所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，所述铍最高为0.0008％。
7.根据权利要求3所述的金属合金组合物，还包含重量百分比最高为0.50％的铁。
8.根据权利要求3所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，所述铬在0.05％和0.20％之间。
9.根据权利要求3所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，所述钛在0.003％和0.10％之间。
10.根据权利要求3所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，所述硼在0.001％和0.01％之间。
11.根据权利要求3所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，所述锆在0.05％和0.40％之间。
12.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，
所述铝在75.0％和93.9％之间，
所述硅在0.50％和0.80％之间，并且
所述镁在5.60％和6.30％之间。
13.根据权利要求12所述的金属合金组合物，还包含：
重量百分比在0.05％和0.50％之间的锰；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的铬；
重量百分比在0.003％和0.10％之间的钛；
重量百分比在0.05％和0.15％之间的锆；
重量百分比在0.001％和0.01％之间的硼；以及
重量百分比最高为0.05％的磷。
14.根据权利要求12所述的金属合金组合物，其中，所述硅和镁以重量百分比约1.70％的硅化镁(Mg2Si)和重量百分比约5.0％的游离镁的形式存在。
15.根据权利要求1所述的金属合金组合物，还包含重量百分比在0.50％和1.0％之间的锰，并且其中，按重量百分比计，所述铝在75.0％至95.9％之间，所述硅在0.30％和0.50％之间，并且所述镁在3.30％至3.80％之间。
16.根据权利要求15所述的金属合金组合物，还包含：
重量百分比在0.05％和0.20％之间的铬；
重量百分比在0.003％和0.10％之间的钛；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的锆；
重量百分比在0.001％和0.01％之间的硼；以及
重量百分比最高为0.05％的磷。
17.根据权利要求15所述的金属合金组合物，其中，所述硅和镁以重量百分比约1.1％的硅化镁(Mg2Si)和重量百分比约2.9％的游离镁的形式存在。
18.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，
所述铝在75.0％和88.5％之间，
所述硅在2.50％和3.10％之间，并且
所述镁在9.0％和10.4％之间。
19.根据权利要求18所述的金属合金组合物，还包含：
重量百分比在0.20％和0.50％之间的锰；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的铬；
重量百分比在0.003％和0.10％之间的钛；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的锆；
重量百分比在0.001％和0.01％之间的硼；以及
重量百分比最高为0.05％的磷。
20.根据权利要求18所述的金属合金组合物，其中，所述硅和镁以重量百分比约8％的硅化镁(Mg2Si)和重量百分比约5.0％的游离镁的形式存在。
21.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，按重量百分比计，
所述铝在75.0％和93.3％之间，
所述硅在2.50％和3.10％之间，并且
所述镁在4.2％和5.2％之间。
22.根据权利要求21所述的金属合金组合物，还包含：
重量百分比在0.40％和0.70％之间的锰；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的铬；
重量百分比在0.003％和0.10％之间的钛；
重量百分比在0.05％和0.20％之间的锆；
重量百分比在0.001％和0.01％之间的硼；以及
重量百分比最高为0.05％的磷。
23.根据权利要求21所述的金属合金组合物，其中，所述硅和镁以重量百分比约8.0％的硅化镁(Mg2Si)的形式存在。
24.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金是5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属。
25.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物被配置成通过焊接工艺产生处于液体饱和状态的过热饱和液体组合物，并且当通过焊接接头中的基体金属从所述液体饱和状态骤冷至固态时，过量的镁保留在固溶体中，并且硅化镁(Mg2Si)保留在固溶体、析出物和弥散体中，其中所述固溶体导致改善所述焊接接头的物理性能和机械性能。
26.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物是5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属，并且产生改善的机械拉伸性能和剪切性能，所述改善的机械拉伸性能和剪切性能高达57ksi，并且剪切性能高达33ksi。
27.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物是5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属，并且产生改善的疲劳初始强度，所述改善的疲劳初始强度为高达57ksi的初始强度并且在500百万次循环时高达26ksi的疲劳极限。
28.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物具有较低的电导率以增加在电弧中所述填充焊丝的熔化速率，从而提高焊接熔敷速率并提高焊接生产率，其中所述电导率降低至25国际退火铜标准(IACS)。
29.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物在熔融金属状态下产生较低的内部摩擦、较高的流动性，在1292华氏度下至多1.0厘泊的内部摩擦，并且在1292华氏度下降低至每厘米570达因的表面张力，以改善焊道轮廓和接头根部浸润。
30.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，与5xxx合金诸如5356或5183相比，所述金属合金组合物在焊接件中产生较低的排出溶体的氢气孔隙率，其中当以类似的电弧氢含量制作焊接件时，产生孔隙率的氢含量以ml/100g测量。
31.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物具有受控的固体溶质或组分，以使得在负电性方面没有显著差异，其中组分和铝的电势伏特被控制在范围内以使得所述焊缝金属在盐水中具有优良的晶间腐蚀性能包括应力腐蚀性能，以提供适合于盐水暴露的高强度和高耐腐蚀性的性能组合，其中纯铝(99.95％Al)具有-0.85的电势伏特，Al+1％Mg2Si具有-0.83的电势伏特，Al+5％mg具有-0.88的电势伏特，并且Mg2Si组分具有-0.82的电势伏特。
32.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物包含硅化镁(Mg2Si)和游离镁(游离Mg)，其中，Mg2Si和游离Mg浓度被控制以提供非凝固裂纹敏感性填充金属，其中低凝固裂纹敏感性化学成分允许将Mg2Si和游离Mg合金(6xxx)用于填充金属商业应用。
33.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物被配置为通过控制溶液中游离Mg的量而塑性变形为具有一种或多种焊丝尺寸的焊丝，由此使特定受控量的Si与部分的所述游离Mg结合成硅化镁(Mg2Si)形式。
34.根据权利要求33所述的金属合金组合物，其中，通过将所述合金组合物轧制和拉伸，包括特别设计的热处理，所述金属合金组合物被冷加工成具有细直径的焊丝。
35.根据权利要求1所述的金属合金组合物，其中，所述金属合金组合物被配置为通过利用与添加的Si形成Mg2Si来控制游离Mg的量而塑性变形为具有一种或多种焊丝尺寸的焊丝，其中所述添加的Si通过形成Mg2Si而降低溶液中游离Mg的含量，由此改善了可加工性，其中所述金属中的Mg2Si相被热处理以使其从固溶体中作为弥散体析出，从而在制造所述焊丝时降低拉伸性能并改善可加工性。
36.一种制造用于焊接铝材料的填充金属的方法，所述方法包括：使金属合金塑性变形以形成所述填充金属，所述金属合金包含重量百分比在70.0％和98.9％之间的铝、重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅，以及重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述塑性变形包括挤出或拉伸。
38.一种焊接件，包括：
第一基体金属；以及
第二基体金属，所述第二基体金属在焊接接头处焊接到所述第一基体金属，其中，利用填充金属通过焊接工艺形成所述焊接接头，所述填充金属包含重量百分比在70.0％和98.9％之间的铝、重量百分比在0.10％和5.0％之间的硅，以及重量百分比在1.0％和15.0％之间的镁。
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