CN110000488A - 一种含Ga和Nd的铝合金焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Ga和Nd的铝合金焊丝。所述的铝合金焊丝的化学成分按质量百分数包括0.01％～0.5％的Ga，0.01％～0.5％的Ga2O3，0.01％～0.5％的Nd，0.01％～0.5％的Nd2O3，4.5％～6.5％的Mg，余量为Al，并且Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3＝1∶1∶1∶1。本发明的含Ga和Nd的铝合金焊丝，具有极低的氢气含量，优异的焊缝抗气孔性能、焊缝力学性能和焊丝拉拔加工性能。

Description

一种含Ga和Nd的铝合金焊丝
技术领域
本发明涉及金属材料加工工程中的焊接技术领域，涉及一种含Ga和Nd的铝合金焊丝。
背景技术
铝合金结构在五金行业、家电行业、制冷行业、航空航天等行业一直被大量采用。近几年，在汽车、高铁、轻轨列车“轻量化制造”的需求带动下，高强铝合金的应用越来越广泛，但是，高强铝合金的焊接问题始终未能很好地解决，特别是焊缝气孔问题、焊缝裂纹问题以及焊缝强度低于母材的问题，严重地制约了高强铝合金的应用。解决高强铝合金的焊接难题，主要途径之一是选择高性能电焊机。此外，研发、生产性能优异的高性能铝合金焊丝也是解决上述难题的途径之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊缝气孔少、焊缝裂纹少、焊缝强度系数高(接近母材强度)，可用于MIG焊、TIG焊、激光焊以及复合热源焊接方法的自动或半自动焊接的高性能含Ga和Nd的铝合金焊丝。
实现本发明目的技术方案如下：
本发明的一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.01％～0.5％的Ga，0.01％～0.5％的Ga2O3，0.01％～0.5％的Nd，0.01％～0.5％的Nd2O3，4.5％～6.5％的Mg，余量为Al，且Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3＝1∶1∶1∶1。
以市售的铝锭、镁锭、金属Ga、三氧化二镓、金属Nd、三氧化二钕为原料，采用常规冶炼方式按设计成分配比，冶炼时加入经优化筛选确定的“覆盖剂”、“除气剂”冶炼、水平连铸，可得到棒(线)材。通过退火、剥皮拉拔，即得到丝材。经过清洗、上盘，即得到可用于自动焊接的焊丝。也可经过校直、切断，得到直丝。本发明产品可采用MIG焊、TIG焊、激光焊以及复合热源焊接方法，用于铝结构件的自动或半自动焊接。
本发明基于典型的Al-Mg铝焊丝(如5356铝焊丝的Mg含量在4.5～5.5％范围)在冶炼时对氢的溶解度较大，而氢含量对Al-Mg铝焊丝“拉拔加工”敏感，极易造成断丝，从而影响拉拔加工效率；在MIG焊、TIG焊、激光焊以及复合热源焊接时，Al-Mg焊丝中过高的氢含量则会容易使焊缝产生气孔，从而降低焊缝力学性能甚至焊缝开裂等难题，通过添加微量Ga和Ga2O3、Pr和Pr2O3，解决了Al-Mg铝焊丝冶炼与焊接时的氢溶解问题，大大降低了5356、5183、5556铝合金线材中氢含量，可将Al-Mg铝焊丝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属范围内。通过对焊丝成分优化，在优化后的成分范围，本发明的铝焊丝表面光洁度、焊丝清洁度、焊丝直径控制以及焊丝翘距和螺旋问题均达到要求。
具体实施方式
本发明主要解决了以下关键性问题：
1)通过添加微量Ga和Nd，解决了Al-Mg铝焊丝冶炼与焊接时的氢溶解问题，大大降低了5356、5183、5556铝合金线材中氢含量，可将Al-Mg铝焊丝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属范围内。在上述范围内，采用MIG焊、TIG焊、激光焊以及复合热源焊接时，焊缝无气孔缺陷产生，保证了焊缝质量。
2)经过12组180个合金配方试验研究发现，在常规5356、5183、5556铝合金的合金元素Al、Mg的范围内，同时加入微量的Ga2O3和Nd2O3，可以提高并保证焊丝及焊缝具有较高的抗拉强度和较高的塑性，满足了5356、5183、5556等高强铝合金焊丝的技术指标要求。
3)试验发现，本发明的一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其Ga、Ga2O3、Nd和Nd2O3的加入量(质量百分数)必须控制在0.01％～0.5％范围，且必须控制在Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3＝1∶1∶1∶1的含量水平。在上述成分范围内，本发明的含Ga和Nd的铝合金焊丝，具有最低的氢气含量，最佳的焊缝抗气孔性能(即焊缝也具有最低的氢气含量)、最佳的焊缝力学性能和焊丝拉拔加工性能。
与以往研究相比，本发明的创造性在于：
1、研究发现并证明了微量元素Ga和Nd的“除氢”能力，解决了铝合金焊丝在冶炼、焊接时的氢溶解问题，不仅可将焊丝或焊缝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属(0.4ml/100g金属，是目前国内外公认的高品质铝合金焊丝氢气含量的临界值，而本发明的焊丝或焊缝中氢气含量比临界值降低了25％，品质得到了显著提高)范围，从而确保了铝合金焊丝在冶炼后的水平连铸线材品质优良，拉拔加工时无断丝现象。采用MIG焊、TIG焊、激光焊以及复合热源焊接方法焊接时，焊缝无气孔缺陷产生。
2、揭示了稀土净化Al-Mg合金液的机制：适量稀土可在Al-Mg合金中产生明显的固氢作用，该独特作用的实质是改变了氢在Al-Mg中存在形态，使原子态氢增多、生成化合态氢。从而大大减少分子态氢，进而抑制了凝固过程中游离氢的析出及氢气孔的形成。特别是采用1∶1的Ga和Nd同时添加时，由于Ga和Nd的“协同效应”，除氢、净化Al-Mg合金液的效果更加显著。
3、研究发现了在本发明的铝合金焊丝中，其Ga、Ga2O3、Nd和Nd2O3的加入量(质量百分数)必须控制在0.01％～0.5％范围，且必须控制在Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3＝1∶1∶1∶1的含量水平。在上述成分范围内，本发明的含Ga、Nd的铝合金焊丝，具有最佳的抗气孔性能、焊缝力学性能和焊丝加工性能。本发明过程中，对12组180个合金配方的试验数据分析发现，当Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3的比例偏离1∶1∶1∶1的幅度在5％～200％的情况，不仅5356、5183、5556焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了60％以上，MIG、TIG等方法焊接时焊缝力学性能也会发生大幅度下降(下降幅度为10％～40％)，焊缝气孔发生率以及气孔数量提高50％～100％。
4、研究发现，Ga和Nd在铝合金中，均作为界面活性元素，游离在晶界。冶炼、焊接时，它们一方面会发生氧化，分别生成Ga2O3和Nd2O3，另一方面，会与氢原子发生反应，生成氢化合物，使得分子态氢大大减少，起到“固氢”、“降氢”的作用，从而达到消除氢的危害的目的。所以，本发明在添加Ga和Nd的同时，等量添加Ga2O3和Nd2O3，可以显著平衡Ga和Ga2O3、Nd和Nd2O3的“有效浓度”，减少Ga和Nd的氧化，使得Ga和Nd尽量与原子氢反应，达到“固氢”、“降氢”的目的。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.01％的Ga，0.01％的Ga2O3，0.01％的Nd，0.01％的Nd2O3，4.5％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406MPa±20MPa。
实施例2
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.5％的Ga，0.5％的Ga2O3，0.5％的Nd，0.5％的Nd2O3，6.5％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406MPa±20MPa。
实施例3
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.2％的Ga，0.2％的Ga2O3，0.2％的Nd，0.2％的Nd2O3，5.2％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406MPa±20MPa。
实施例4
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.05％的Ga，0.05％的Ga2O3，0.05％的Nd，0.05％的Nd2O3，5.5％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406MPa±20MPa。
实施例5
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.25％的Ga，0.25％的Ga2O3，0.25％的Nd，0.25％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406MPa±20MPa。
对比例1
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.3％的Ga，0.25％的Ga2O3，0.15％的Nd，0.25％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能一般。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于Ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为380MPa±20MPa。
对比例2
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.25％的Ga，0.05％的Ga2O3，0.15％的Nd，0.2％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能一般。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于Ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为365MPa±20MPa。
对比例3
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.05％的Ga，0.1％的Ga2O3，0.15％的Nd，0.05％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能一般，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了65％。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于Ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为355MPa±20MPa。
对比例4
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.15％的Ga，0.1％的Ga2O3，0.1％的Nd，0.05％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能一般，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了75％。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于Ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为245MPa±20MPa。
对比例5
一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.6％的Ga，0.6％的Ga2O3，0.6％的Nd，0.6％的Nd2O3，6.0％的Mg，余量为Al，焊丝加工性能较差，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了100％(提高一倍)。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5A06铝合金试板，焊接电流为280A、焊接电弧电压为24V、氩气气体流量为22L/min.(升/分钟)，采用TIG焊对接焊接，焊缝经过X射线探伤，达到GB/T3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的Ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于Ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为235MPa±20MPa。

Claims (1)

1.一种含Ga和Nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.01％～0.5％的Ga，0.01％～0.5％的Ga2O3，0.01％～0.5％的Nd，0.01％～0.5％的Nd2O3，4.5％～6.5％的Mg，余量为Al，且Ga∶Ga2O3∶Nd∶Nd2O3＝1∶1∶1∶1。
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