CN1272810A - 铝－镁焊料合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝基焊料合金,其成分(wt.%)如下:Mg5.0～6.5,Mn0.4～1.2,Zn0.4～< 2.0,Zr0.05～0.3,Cr最大0.3,Ti最大0.2,Fe最大0.5,Si最大0.5,Cu最大0.25,余量为铝和不可避免的杂质。本发明还涉及该铝基焊丝的制造方法和焊接结构的建造方法。

Description

铝-镁焊料合金
发明领域
本发明涉及一种铝-镁基焊料(weld filler)合金，该合金特别适合用于建造海洋和陆地运输用储存罐和船舶等大型焊接结构。例如：本发明的焊料合金可用在单船体长筏(catamarans of monohulltype)、快艇、轻型高速船舶等海运船只的焊接结构中。本发明的焊料合金也可用于建造许多其他结构，如：LNG(液化天然气)罐、储存仓库、油罐车、压力容器、桥梁和铁路货车等。另外，本发明还涉及铝基焊丝的制造方法和焊接结构的建造方法。
相关技术描述
Al-Mg基焊料合金广泛地用在陆地和海洋运输用储存罐和船舶之类的大型焊接结构中，其标准合金之一是AA5183合金，该合金名义成分(wt.％)如下：
Mg      4.3～5.2
Mn      0.5～1.0
Zn      最大0.25
Cr      0.05～0.25
Ti      最大0.15
Fe      最大0.40
Si      最大0.40
Cu      最大0.10
其他    (单个)最大0.05
        (合计)最大0.15
余量铝。
AA5183焊丝在轮船、双体船、高速舰船等海洋船只焊接结构中的应用尤其广泛，该合金用途广泛的主要原因在于它综合具有高强度、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。
下面说明现有技术文献中所公开的其他一些Al-Mg合金。
日本专利申请JP-A-05169290提出一种填料合金，该合金包含(wt.％)：
Zn    1～6
Mg    3～6(此处Zn≤Mg)
Mn    0.2～0.9
Cr    0.05～0.5
Ti    0.05～0.2
B     0.01～0.2
Zr    0.05～0.2
余量铝。
该填料合金用于凝固速度大于1～3×102℃/秒的焊接技术中，因此，Zr的加入量可以大于其固溶体中的含量。
英国专利申请GB-A-2000806提出另一种填料合金，该合金成分(wt.％)如下：
最高可达5.5％的Mg
0.2～0.5％Cu
余量基本是铝。
在实施例和从属权利要求中，又将成分限定为：
Zn    1.0～4.0，优选2.7～3.3
Mg    2.0～5.0，优选3.7～4.3
Cu    0.2～0.5，优选0.25～0.35
Mn    0.3～2.5，优选0.35～0.45
Ti    0.05～0.2
Cr    0.05～0.3
Zr    0.05～0.2
Si    低于0.2
Fe    低于0.4
余量为铝。
在实施例中，注明必须加入Cu，该专利申请公开的填料合金适合用于AlZnMg合金之间或AlZnMg合金同其他铝合金的焊接结构中。
欧洲专利申请EP-A-0799900涉及一种用于大型焊接结构的板状或挤压件形式的(extrusion)铝合金，该铝合金的性能超过标准AA5083系列，其成分(wt.％)如下：
Mg    4.5～7.0
Mn    0.4～1.2
Zn    0.5～5.0
Zr    最大0.3
Cr    最大0.3
Ti    最大0.2
Fe    最大0.5
Si    最大0.5
Cu    最大0.4
余量为铝和不可避免的杂质。
以上引用的专利申请并未指出它们作为焊料合金的用途，也不说明它们的性能优于标准AA5183填料合金。
本发明简述
本发明的目的之一是提供一种Al-Mg基焊料合金，用该焊料合金焊接铝合金时，同AA5183合金之类的标准填料合金相比，焊接接头具有更高的强度；本发明的另一目的是提供可获得的延展性、弯曲能力、耐蚀性至少与那些标准Al-Mg基焊丝，如AA5356，特别是AA5183相当的Al-Mg基焊料合金。
依据本发明，提供一种铝-镁基焊料合金，其成分(wt.％)如下：
Mg      5.0～6.5
Mn     0.4～1.2
Zn     0.4～＜2.0
Zr     0.05～0.3
Cr     最大0.3
Ti     最大0.2
Fe     最大0.5
Si     最大0.5
Cu     最大0.25
余量为铝和不可避免的杂质。
采用本发明，可以提供强度高于标准AA5183焊缝的焊接铝接头。依据本发明的焊料合金已成功地用于AlMg合金之间或AlMg合金同其他铝合金的焊接结构中。应特别指出的是：当焊接结构的AlMg合金与本发明的焊料合金处在同一化学成分范围内时，使用本发明的焊料合金进行焊接可得到很好的效果。
另外还发现，同标准AA5183填料焊丝相比，同时具有更高Mg和Zn的含量后，合金的凝固范围增大，本发明焊料合金的凝固范围为568～639℃，而标准AA5183合金的凝固范围为574～638℃，这一点对于采用本发明的焊料合金建造焊接结构时特别有利，例如：可使焊缝到基体材料的过渡圆滑，从而降低切口效应，并由此提高焊接接头的疲劳性能。另外，熔焊过程中，在焊缝同基体材料搭接的部位存在着表面氧化物，如氧化铝。本发明焊料合金的高流动性可使焊接的附着面加大，因此可降低有害的“搭接”效应。此外，也可得到相对较平整的焊缝，且焊缝表面的波纹更细或更平滑。
相信采用本发明可以得到更好的性能：由于提高了Mg和Mn的含量并加入了Zr，焊缝的强度水平尤其得以提高。在高Mg含量时的好耐蚀性得益于焊缝显微组织中均匀析出了相对较少的阳极性的含Mg和Zn金属间化合物。
依据本发明，铝基焊料合金中合金元素的含量有一定限制，其原因如下(以下所有成分的百分比均为重量％：wt.％)：
Mg：Mg是焊料合金中的主要强化元素，Mg含量低于5.0％不能使焊缝达到所需的强度，而Mg加入量超过6.5％，焊料合金制造焊丝时会非常困难。制造困难原因是在连铸或半连铸及随后的加工过程中，会产生严重的裂纹。为兼顾可制造性和强度，优选的Mg含量为5.0～6.0％。
Mn：Mn是基本添加元素，与Mg相配合，Mn可提高焊接接头的强度。低于0.6％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，为保证强度，Mn的优选最低含量为0.7％。
Zn：Zn是保证焊缝耐蚀性的重要添加元素，Zn也可在一定程度上提高焊缝的强度。Zn的加入量低于0.4％，则不能提供足以与AA5183合金的焊接接头相当的充分的耐蚀性；而由于可焊性要求，Zn含量须限制在低于2.0％，更优选的Zn含量应限制在最大0.9％，在进一步优选的实施方案中，Mg/Zn比应大于5，以得到强度和耐蚀性的良好组合。
Zr：Zr对于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无法接受的失效，所以Zr含量必须保持低于0.3％。
Ti：Ti是焊缝凝固过程中重要的晶粒细化剂，然而，Ti同Zr组合会形成不希望有的粗大初生相，这种初生相会降低焊缝的韧性和疲劳强度。为避免这种情况，Ti含量必须保持在低于0.2％，Ti优选的含量范围为0.05～0.1％。
Fe：Fe会在铸造过程中形成Al-Fe-Mn化合物，从而限制Mn的有益作用。Fe含量超过0.5％形成粗大的原生颗粒，从而降低本发明焊料合金焊接接头的疲劳寿命。因此，Fe的优选含量范围为0.10～0.30％。
Si：Si会形成几乎不能溶于Al-Mg合金(含Mg量大于4.5％)的Mg2Si，因此Si会限制Mg的有利作用，Si也会同Fe组合形成粗大的AlFeSi颗粒，从而影响焊接结构焊接接头的疲劳寿命。为避免造成主要强化元素Mg作用的损失，Si含量必须保持在低于0.5％。优选的Si含量为0.10～0.30％。
Cr：Cr可提高合金的耐蚀性，然而Cr会限制Mn和Zr的可溶性，因此，为避免形成粗大的初生相，Cr含量必须保持在低于0.3％，其优选含量范围为0～0.15％。
Cu：Cu含量应保持在低于0.25％，Cu含量超过0.25％会造成本发明焊料合金耐点蚀性的极大恶化。优选的Cu含量应低于0.10％，更优选的Cu含量应为杂质的含量水平，即低于0.05％。
余量为铝和不可避免的杂质，一般每种杂质元素最大0.05％，杂质总量最大0.15％。关于杂质范围，应优选限制铍含量为约0.00008％。
本发明的焊料合金最优选以拉拔丝材形式提供，丝材可通过下述方式制造，例如：利用多孔模将按照本发明的合金挤压成形，挤压时温度范围为200～550℃，挤压杆速度范围为1～25m/分。接着对挤压后的棒料进行多道拉拔，拉成丝材。可采用拉制铝丝时常用的挤压比，在拉丝过程中可采用250～550℃的中间退火。拉制成的丝材如果需要的话，可在250～550℃温度进行最终退火。每次退火过程均热时间为10分钟～10小时。拉制成丝材的直径通常为0.6～6.0mm。丝材也可通过下述方式制成：将合金连铸成例如圆棒形；将棒材直接盘成卷或轧制后盘成卷；接着对其拉拔，制成填料焊丝。
本发明也包括建造海洋或陆地运输用储存罐或船舶之类焊接结构的方法，该方法步骤如下：
(a)准备焊接结构的分立的各个部件；
(b)用具有以上特点的铝基焊料合金将各个部件焊在一起。
焊接结构的各个部件优选的形状为挤压件、板件、薄片件或以上的组合。
可以发现：通过使用按照本发明的焊料合金，同标准AA5183填料焊丝相比，可得到焊缝到基体材料的圆滑过渡，由此降低缺口效应从而提高焊接接头的疲劳性能。还可发现：焊料合金的凝固范围扩大后，焊接粘结面加大，因而可降低有害的“搭接”效应。另外，也可发现：同标准AA5183焊丝相比，使用按照本发明的焊料合金可以得到更平整的焊缝，而且焊缝表面的波纹更细和/或更光滑。
实施例
例1
将按照本发明焊料合金的两块DC-铸态挤制锭(其重量百分比成分见表1)挤压成直径为9.5mm的圆棒形挤压件，采用标准的直接挤压工艺生产随后丝材冷拔所用的原料。接着将每种焊料合金挤制棒的部分批料分别再拉成1.2、1.6、3.2、4.0mm直径的填料焊丝，其直径分别与MIG(金属焊条惰性气体保护焊)标准焊丝直径相一致。每种焊料合金另一部分批料分别制成与TIG(钨极惰性气体保护焊)标准焊丝直径相一致的1.5、2.0、2.5、3.2、5.0、6.0和8.0mm直径焊丝。丝材拉拔包括一系列冷拔工序及380℃中间退火。为参考起见，本例也使用了标准的焊料合金AA5183(见表1)。
采用1.2mm直径焊丝制备1000×1000×8mm(基材的长×宽×厚)标准MIG焊接的面板，所用板或基材的化学成分也列于表1，所有板材均为H321回火态，板A的化学成分相当于标准AA5083合金。
从焊接板上取拉伸试验和腐蚀试验试样。采用标准拉伸试验测定焊接板的拉伸性能，按照ASTM G66采用ASSET试验评估焊接板的耐点蚀性和耐剥落腐蚀性，而SCC抗力按照ASTM G39规程采用四点弯曲试验进行评估。
表2列出了每种组合3～4次试验后的拉伸结果，从这些结果可以看出：采用按照本发明的焊丝代替AA5183焊料合金，焊接后板的拉伸性能显著提高，当用按照本发明的焊丝焊接与本发明焊丝合金处在同样化学成分范围的板材时，获得最优结果。
表3列出了ASSET试验结果，试验结果中N表示无腐蚀断裂，P表示存在点蚀，A～D表示耐蚀程度的逐渐恶化。从表3可以看出：采用按照本发明焊丝焊接时，其焊接板的耐蚀性与采用标准焊料合金焊接时相当或更好。与所使用组合无关，从所有组合中的取样均通过了按照ASTM G39规范进行的1000小时SCC试验。由此可见：焊接板强度的提高并没有降低其应力腐蚀抗力。
例2
采用与例1同样的方式，用双面TIG方法进行焊接，为此，使用4mm直径的焊丝，拉伸性能结果列于表4。
从表4可以看出：当基体材料/焊丝组合为板B/本发明焊丝1时得到的焊接板，其强度远高于板A/AA5183焊丝组合得到的焊接板，而后者是AA5053合金与现在广泛使用的AA5183焊丝组成的对比组合。
表1
  Mg   Mn   Zn     Zr   Cu    Cr    Fe    Si    Ti   Al
 本发明焊料1本发明焊料2AA5183焊料板A板B   5.305.894.604 825.30   0.840 820.680.650.84   0.550.500.010.090.55     0.130.12-0.010.13   0.0130.010.040.030.013    0.0490.070.080.070.049    0.190.210.330.150.19    0.110.070.150.090.11    0.0150.080.010.100.015   bal.bal.bal.bal.bal.
表2
       组合 0.2％塑变强度(MPa) 极限拉伸强度(MPa) 延伸率(％)
板A  AA5183焊料     125     275     15.2
    127     282     15.4
    130     277     17.1
    128     274     14.5
板A 本发明焊料     141     297     14.6
    142     296     13.9
    140     301     14.3
    145     305     11.1
板B  AA5183焊料     160     310     15.2
    165     312     16.2
    162     317     13.3
    164     320     16.4
板B 本发明焊料1     170     319     15.7
    172     325     14.2
    174     324     11.6
    171     331     10.9
板B 本发明焊料2     180     341     16.2
    177     345     14.7
    181     340     15.9
表3
    组合   基体材料     热影响区     焊缝
板A/AA5183焊料     PB/PC     N     N
板A/本发明焊料1     PB     N     N
板B/AA5183焊料     N     N     N
板B/本发明焊料1     N     N     N
板B/本发明焊料2     N     N     N
表4
    组合   0.2％塑变强度(MPa) 极限拉伸强度(MPa) 延伸率(％)
板A/AA5183焊料     125     275     15.2
    127     282     15.4
    130     277     17.1
板B/本发明焊料1     168     330     16.2
    170     335     16.5

Claims (10)

1.一种铝基焊料合金，其组成(重量比：wt.％)如下：
   Mg       5.0～6.5
   Mn       0.4～1.2
   Zn       0.4～＜2.0
   Zr       0.05～0.3
   Cr       最大0.3
   Ti       最大0.2
   Fe       最大0.5
   Si       最大0.5
   Cu       最大0.25
余量为铝和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的铝基焊料合金，其特征在于Mn含量高于0.7wt.％。
3.根据权利要求1或2的铝基焊料合金，其特征在于Mg含量范围为5.0～6.0wt.％。
4.根据权利要求1～3中任一项的铝基焊料合金，其特征在于Cr含量不高于0.15wt.％。
5.根据权利要求1～4中任一项的铝基焊料合金，其特征在于Zn含量不高于0.9wt.％。
6.根据权利要求1～5中任一项的铝基焊料合金，其特征在于该合金以焊丝形式提供。
7.制造根据权利要求1～5中任一项的铝基焊丝的方法，其特征在于包括下列步骤：
(a)制备具有以下组成(wt.％)的铝基合金材料体
  Mg           5.0～6.5
  Mn           0.4～1.2
  Zn           0.4～＜2.0
  Zr           0.05～0.3
  Cr    最大0.3
  Ti    最大0.2
  Fe    最大0.5
  Si    最大0.5
  Cu    最大0.25
  余量为铝和不可避免的杂质；和
(b)将所述铝基合金材料体拉成焊丝。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述合金以挤压件形式提供。
9.一种建造焊接结构的方法，包括下列步骤：
(a)准备该焊接结构的各个分立部件；
(b)用依照权利要求1～5中任一项的铝基焊料合金将所述各个分立部件焊在一起。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于焊接结构的各个部件以挤压件、板件、薄片件或以上的组合形式提供。
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