CN1785580A - 一种高强低热裂铝铜系合金焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种高强低热裂铝铜系合金焊丝，主要用于熔化极气体保护焊(MIG)和交流钨极氩弧焊(TIG)，焊接铝铜系高强铝合金，其主要化学成分(重量百分比％)为：Cu 5.5～6.5，Mn 0.2～0.6，Ti 0.15～0.30，Zr 0.15～0.35，V 0.05～0.20，Ag 0.2～0.5，Si≤0.10，Fe≤0.15，Al余量。其制备方法是：用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，用精炼除渣剂精炼，用六氯乙烷除渣脱氢，铸锭经均匀化处理后，进行扒皮和挤压形成盘条，然后经过拉拔和刮削加工成焊丝，最后再经过超声清洗和化学抛光制成成品焊丝。由本发明焊丝焊接铝铜合金所得到的焊缝金属具有高的强度、塑性和抗裂性能。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，具体为一种高强低热裂铝铜系合金焊丝及其制备方法和应用，主要用于熔化极气体保护焊(MIG)和交流钨极氩弧焊(TIG)，焊接铝铜系高强铝合金。
背景技术
铝铜系合金属于析出强化型合金，可热处理强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，广泛应用于航空、航天及其它军民用运载工具，如：航天飞机和运载火箭的贮藏液氢和液氧的燃料油箱，超音速飞机和汽车的结构件以及轻型战车的装甲等。最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝铜合金材料。目前常用于铝合金连接的主要焊接方法有MIG焊和TIG焊。由于铝铜合金属于共晶型合金，熔化焊时焊缝金属主要由枝晶和沿晶界分布的低熔共晶组织组成，因此焊缝金属易产生结晶裂纹，且塑性较差，对应力集中敏感，拉伸实验时往往断在焊缝部位。焊接接头强度仅能达到焊前母材强度的50％～60％左右，这些都严重制约了铝铜合金在工业中的进一步应用。由于焊缝金属的组织和性能取决于所焊母材和所采用的焊接材料的化学成分，其中焊接材料的影响最显著，因此焊接材料的化学成分直接影响了焊缝金属的组织和性能。目前针对高强铝铜系合金焊接的焊丝主要有国外生产的ER2319商品化焊丝和国内国标GB/T10858-1989制定的SAlCu焊丝。它们的化学成分范围如下：(重量百分比)Cu 5.8～6.8，Mn0.2～0.4，Ti 0.1～0.2，Zr 0.1～0.25，V0.05～0.15，Si≤0.20，Fe≤0.30，Al余量。该种焊丝的焊缝组织由枝晶和沿晶界分布的粗大共晶组成，焊缝金属的强度较低，用其焊接2219和2519高强铝铜合金时，焊接接头的强度只能达到母材的55％～60％左右，且弧坑裂纹较为严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于焊接高强低热裂铝铜系合金的焊丝材料及其制备方法和应用，由其得到的焊缝金属具有高的强度、塑性和抗裂性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高强低热裂铝铜系合金焊丝，焊丝的主要化学成分(重量百分比％)为：Cu 5.5～6.5，Mn 0.2～0.6，Ti 0.15～0.30，Zr 0.15～0.35，V0.05～0.20，Ag 0.2～0.5，Si≤0.10，Fe≤0.15，Al余量。
所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：
1)用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，熔炼温度为750～760℃；
2)用精炼除渣剂精炼，用六氯乙烷除渣脱氢，精炼后于720-740℃将合金溶液浇入预热的铁模中形成铸锭；
3)铸锭经535℃，16小时的均匀化处理后，进行扒皮和挤压形成盘条，然后经过多道次拉拔和机械刮削加工成焊丝，最后再经过超声清洗和化学抛光制成成品焊丝。
所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金以及纯Ag和高纯Al配制合金。
所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，合金中Ti、Zr元素的添加，是采用K2TiF4和K2ZrF4盐类与铝液反应的形式加入的。
所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的应用，该焊丝适合于熔化极气体保护焊(MIG)和交流钨极氩弧焊(TIG)，焊接铝铜系高强铝合金。
本发明焊丝化学成分的设计依据叙述如下：
铝合金焊缝金属的晶体类型宏观上讲包括柱状晶和等轴晶两种，其显微组织是以α(Al)为基体在晶界分布有α(Al)-θ(CuAl2)共晶。粗大的、方向性很强的柱状晶严重降低了焊缝金属的力学性能和抗裂性能。等轴晶与柱状晶相比，晶粒明显细化，同时晶粒间结合紧密，没有方向性。根据Hall-Petch关系，焊缝的晶粒组织越细小，焊缝的强度越高。细化晶粒在提高焊缝金属强度的同时，还能改善焊缝的塑性，因为细小的晶粒可以使变形更均匀，因应力集中引起开裂的机会更少，所以在断裂前能够承受较大的变形量，而得到高的塑性。如何使铝合金焊缝金属获得等轴晶组织，提高焊缝金属的强度和塑性，降低焊缝的热裂纹倾向是本发明的主要目的，为此本发明焊丝的化学成分主要是根据合金元素对焊缝金属组织和性能的影响来设计的。Ti、Zr、V作为晶粒细化元素，在焊缝金属中分别与Al形成TiAl3、ZrAl3、VAl7等高熔点金属间化合物，这些析出相在焊缝金属的凝固过程中，作为非均质形核的核心，促进了等轴晶的形成。铜在铝铜系合金焊丝中作为主要的强化元素，在焊缝金属凝固和时效时，从α(Al)固溶体中析出强化相(CuAl2)，起析出强化作用。焊丝中加入金属Mn，一方面在α(Al)基体内形成弥散状分布的TMn相，提高焊缝金属的强度，另一方面Mn富集在α(Al)的晶界附近，强烈地抑制晶界的扩散，促使晶界处的低熔共晶弥散分布，提高焊缝的抗裂性能。加入金属Ag主要是提高焊缝金属的时效强化能力和抗应力腐蚀性能。焊丝中的Si、Fe作为杂质元素，降低焊缝金属的强度和塑性，增大裂纹倾向，所以应严格控制其含量。
本发明具有以下优点：
1)本发明焊丝的焊缝金属不仅强度高、塑性好，而且具有优异的抗热裂纹开裂的能力。
2)本发明焊丝的焊缝金属具有良好的抗应力腐蚀性能。
3)本发明焊丝焊接时飞溅小、熔深大，焊前无需预热，适合于中厚板铝铜合金的焊接。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
根据本发明焊丝的化学成分范围，对三种不同成分含量的焊丝进行了加工和制备，制备工艺流程如下：采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V等中间合金以及纯Ag和高纯Al配制合金，用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，熔炼温度为750～760℃；合金中Ti、Zr元素的添加，是采用K2TiF4和K2ZrF4等盐类与铝液反应的形式加入的；用精炼除渣剂精炼，用六氯乙烷除渣脱氢；精炼后于720℃将合金溶液浇入预热的铁模中形成铸锭，铁模的预热温度为200℃。铸锭经535℃，16小时的均匀化处理后，进行扒皮和挤压形成直径φ8mm的盘条，然后经过多道次拉拔和机械刮削加工成直径为φ1.2mm和φ1.6mm焊丝，最后再经过超声清洗和化学抛光制成成品焊丝。采用上述工艺方法制备的焊丝具有焊接工艺性能好，焊缝气孔敏感性小的特点。采用本发明的三种焊丝和对比焊丝ER2319用MIG焊方法，焊接厚度为20mm的2219和2519母材。焊丝和母材的化学成分如表1所示，焊接接头的力学性能如表2所示。
表1实施例焊丝、对比焊丝及母材的化学成分(重量百分比％)
| 序号 | Cu | Mn | Ti | Zr | Ag | V | Si | Fe | Al | |
| 本发明 | 1 | 5.57 | 0.38 | 0.26 | 0.33 | 0.41 | 0.09 | 0.03 | 0.05 | 余量 |
| 2 | 6.09 | 0.33 | 0.22 | 0.18 | 0.33 | 0.09 | 0.04 | 0.02 | 余量 | |
| 3 | 6.15 | 0.29 | 0.20 | 0.26 | 0.31 | 0.12 | 0.05 | 0.06 | 余量 | |
| ER2319 | 5.96 | 0.30 | 0.17 | 0.12 | - | 0.06 | 0.04 | 0.14 | 余量 | |
| 2219母材 | 6.28 | 0.30 | 0.048 | 0.12 | - | 0.07 | 0.08 | 0.22 | 余量 | |
| 2519母材 | 5.70 | 0.25 | 0.06 | 0.18 | Mg0.19 | 0.06 | 0.07 | 0.09 | 余量 | |
表2实施例焊丝与对比焊丝焊接接头的力学性能
| 母材 | 焊丝 | 抗拉强度σb/MPa | 延伸率δ/％ | 断面收缩率ψ/％ | 接头强度系数 | |
| 2219母材 | 本发明 | 1 | 321.3 | 4.8 | 20.8 | 0.694 |
| 2 | 317.5 | 6.2 | 20.9 | 0.686 | ||
| 3 | 308.4 | 5.0 | 25.9 | 0.667 | ||
| ER2319 | 296.4 | 4.7 | 19.7 | 0.63 | ||
| 2519母材 | 本发明 | 1 | 331.1 | 4.0 | 20.8 | 0.694 |
| 2 | 320.4 | 4.0 | 19.5 | 0.672 | ||
| ER2319 | 295.6 | 4.5 | 19.4 | 0.620 | ||
由此可见，本发明焊丝焊接接头的力学性能明显优于对比焊丝ER2319。同时采用本发明焊丝焊接高强铝铜合金时，不产生弧坑裂纹，而用ER2319焊接时弧坑处有网状的裂纹出现，因此本发明焊丝的抗裂性能也优于对比焊丝ER2319。
Claims (5)
1、一种高强低热裂铝铜系合金焊丝，其特征在于按重量百分比计，它的主要化学成分为：Cu 5.5～6.5，Mn 0.2～0.6，Ti 0.15～0.30，Zr 0.15～0.35，V 0.05～0.20，Ag 0.2～0.5，Si≤0.10，Fe≤0.15，Al余量。
2、按照权利要求1所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，熔炼温度为750～760℃；
2)用精炼除渣剂精炼，用六氯乙烷除渣脱氢，精炼后于720-740℃将合金溶液浇入预热的铁模中形成铸锭；
3)铸锭经535℃，16小时的均匀化处理后，进行扒皮和挤压形成盘条，然后经过多道次拉拔和机械刮削加工成焊丝，最后再经过超声清洗和化学抛光制成成品焊丝。
3、按照权利要求2所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，其特征在于：采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V中间合金以及纯Ag和高纯Al配制合金。
4、按照权利要求2所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的制备方法，其特征在于：合金中Ti、Zr元素的添加，采用K2TiF4和K2ZrF4盐类与铝液反应的形式加入。
5、按照权利要求1所述高强低热裂铝铜系合金焊丝的应用，其特征在于：该焊丝适合于熔化极气体保护焊和交流钨极氩弧焊，焊接铝铜系高强铝合金。
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