專利名稱：Al－Mg－Sc系焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于Al-Mg-Li系鋁鋰合金和Al-Mg系鋁合金熔化焊用Al-Mg-Sc系焊絲。
背景技術(shù)：
高強鋁鋰合金和鋁合金由于密度小，比強度高等性能優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。但往往由于可焊性差、接頭軟化、疲勞壽命低、抗腐蝕性能差等因素限制了其應(yīng)用范圍。如能解決這一系列問題，將大大推動鋁鋰合金在航空、航天的應(yīng)用，取得顯著的減重效果，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
目前在鋁合金及鋁鋰合金中添加稀土元素以提高合金的強度，并獲得較好的綜合性能是鋁合金研究的一個方向。俄羅斯就此方向做了大量研究，在對17種主要的稀土元素進(jìn)行對比實驗和綜合比較后，指出Sc是最有成效的稀土元素，并相繼開發(fā)了Al-Mg-Sc(如01515合金，其名義成分為Al-1.15Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)；01523合金，其名義成分為Al-2.1Mg-0.4Mn-0.45(Sc+Zr)；01535合金，其名義成分為Al-4.2Mg-0.4Mn-0.4(Sc+Zr)等)、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Cu-Li-Sc等系列的合金，主要用于制造飛機、火箭、艦船和高速列車(楊志強，尹志民.“俄羅斯鋁-鈧合金的研究與開發(fā)”，輕合金加工技術(shù)[J]，2003，.vol 31，No.11，P34～40)。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)開展過2090合金及焊絲中添加Ce的研究，取得了一些成效，但Ce對接頭塑性損害較大(賀勇等，2090Ce鋁鋰合金焊接接頭力學(xué)性能研究，第三屆全國鋁鋰合金研討會論文集)；中南大學(xué)曾就微量Sc對Al-Mg合金和Al-Zn-Mg合金組織與性能進(jìn)行過一些研究，如比較了Al-0.45Mg和Al-0.45Mg-0.41Sc變形合金的組織性能，指出在Al-Mg合金中加入微量Sc可形成初生Al3Sc，消除鑄態(tài)合金的枝晶組織，并且在合金鑄錠的工藝加熱過程中有次生Al3Sc粒子強化合金。對合金性能的測試結(jié)果表明，加入0.4％的Sc后，合金性能大幅提高(如熱處理后Al-0.45Mg合金的抗拉強度為282MPa，Al-0.45Mg-0.41Sc合金的抗拉強度358MPa)，但合金的塑性在不同狀態(tài)下均有不同程度的降低(如熱處理后Al-0.45Mg合金的延伸率為25.4％，Al-0.45Mg-0.41Sc合金的延伸率為18.9％)。(潘青林等，微量鈧在Al-Mg合金中的作用，金屬學(xué)報，2001，37(7)P749-753)。
目前國內(nèi)對于鋁合金的焊接，一般采用與母材同質(zhì)或成分接近的焊絲焊接。而對于國內(nèi)較成熟的Al-Mg-Li系鋁鋰合金，如5A90合金，由于暫無專用焊絲，故焊接時常采用傳統(tǒng)Al-Mg系防銹鋁合金焊絲，主要是LF6焊絲。但由于5A90合金加入合金元素Li進(jìn)行強化，合金強度較高(其中σb≥410MPa，δ5≥8％)。而其中Li元素在焊接加熱過程中極易揮發(fā)，因此焊縫內(nèi)基本不含合金元素Li，故采用合金本身切條作填充材料或采用LF6焊絲焊接，接頭強度均很低，與母材性能缺乏可匹配性，而且不可工程化焊接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可滿足Al-Mg-Li系鋁鋰合金和Al-Mg系鋁合金的工程化焊接的Al-Mg-Sc系焊絲。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，Al-Mg-Sc系焊絲的主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)4～8、錳(Mn)0.5～1.0、鋯(Zr)0.05～0.3、鈧(Sc)0.1～1.0、鈦(Ti)0.05～0.15、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
上述Al-Mg-Sc系填充材料采用如下工藝制備(1)原材料配制，基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉，采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)退火、擠壓為合金棒，或再退火、拉拔為規(guī)格尺寸的直條狀焊絲或連續(xù)盤狀焊絲，備用。
使用本發(fā)明的Al-Mg-Sc系焊絲熔化焊接Al-Mg-Li系鋁鋰合金和Al-Mg系鋁合金，焊縫金屬組織細(xì)膩、焊接接頭抗裂性好，接頭綜合力學(xué)性能良好。
采用本發(fā)明的Al-Mg-Sc焊絲，焊接接頭綜合性能明顯提高(1)鋁鋰合金焊接接頭的抗裂性明顯增強。采用5A90(Al-Mg-Li系)合金的魚骨試樣和十字試樣考察接頭的抗裂性，試驗結(jié)果是均無裂紋產(chǎn)生；(2)焊縫組織明顯細(xì)化；(3)室溫抗拉強度明顯提高。例如采用手工氬弧焊和自動氬弧焊焊接5A90合金(δ＝2.0～3.0mm)，焊接接頭抗拉強度(去除焊縫余高)可達(dá)到400～470MPa，與母材等強，且焊縫金屬塑性、沖擊韌性與母材相當(dāng)。與同條件下采用傳統(tǒng)Al-Mg焊絲的接頭相比，接頭抗拉強度提高50～100MPa；(4)與傳統(tǒng)Al-Mg焊絲的接頭相比，本發(fā)明焊絲的接頭在抗拉強度提高的同時，接頭的塑性和韌性也提高，例如延伸率和沖擊韌性均可提高20％～50％；(5)與傳統(tǒng)Al-Mg焊絲的接頭相比，本發(fā)明焊絲接頭的高頻疲勞極限可提高15～25MPa(107循環(huán))，相對提高量達(dá)到20％～40％。
為提高焊縫金屬強度，同時又不損失母材塑性，本項目借助在焊接材料中添加微量Sc，同時加入Zr、Mn、Ti等合金元素進(jìn)行多元合金化，通過焊接材料的加入，實現(xiàn)Al-Mg-Li合金熔焊焊縫的合金化，提高Al-Mg-Li合金焊縫金屬強度和焊接接頭的抗裂紋敏感性，以克服Al-Mg-Li合金熔焊中常存在的問題，推動新研制材料的工程應(yīng)用。但由于Sc的價格昂貴，因此首先利用Al3Sc在Al基體中的孕育期短和Al3Zr易依附Al3Sc長大的特性，通過多元合金元素的添加，降低Sc在Al中的極限溶解度，促進(jìn)Al3Sc在鋁基體中析出，同時加入Zr促使形成Al3Sc和Ai3Zr的復(fù)合粒子的形成長大，為熔池的非平衡結(jié)晶提供足夠的形核粒子，從而細(xì)化焊縫組織；其次，高含量Mg、Mn元素的添加形成了鋁基體的固溶強化和Al、Mg、Mn等多元復(fù)合粒子的形成，也有效地提高了焊縫金屬的強度，同時保證焊縫金屬塑性、沖擊韌性等與母材相當(dāng)；再有，本發(fā)明為提高焊縫金屬的純凈度，對焊絲的原材料以及熔煉、擠壓、拉拔等工序均進(jìn)行嚴(yán)格控制，提高焊絲的純凈度，為有效防止焊接氣孔等缺陷和脆性化合物相的產(chǎn)生提供了堅實的基礎(chǔ)。因此雖然由于焊接中焊絲合金元素的稀釋(稀釋率一般在20％～30％)，焊縫中Sc、Zr等合金元素很低(遠(yuǎn)低于上述介紹的各類合金)，也保證了焊縫金屬的強度、塑性、沖擊韌性等均于母材相當(dāng)，綜合性能良好。
具體實施例方式
本發(fā)明的Al-Mg-Sc系填充材料，其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)4～8、錳(Mn)0.5～1.0、鋯(Zr)0.05～0.3、鈧(Sc)0.1～1.0、鈦(Ti)0～0.15、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
上述Al-Mg-Sc系填充材料采用如下工藝制備(1)原材料配制，基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉，采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)退火、擠壓為合金棒，或再退火、拉拔為規(guī)格尺寸的直條狀焊絲或連續(xù)盤狀焊絲，備用。
當(dāng)需要使用時，在焊前要對其表面油污、氧化膜進(jìn)行除油和去氧化膜處理，具體如下除油磷酸鈉40g/L～60g/L、碳酸鈉40g/L～50g/L、水玻璃25g/L～30g/L的水溶液(60℃～85℃)浸泡后流動水清洗；化學(xué)清洗苛性鈉溶液50g/L～60g/L(50℃～70℃)去除表面氧化膜，流動水沖洗干凈后再入硝酸溶液250g/L～400g/L進(jìn)行光華處理，并采用流動水清洗；干燥在干燥箱內(nèi)烘干或用加熱的壓縮空氣吹干，溫度為40℃～60℃。
焊接時，根據(jù)選定的熔化焊方法及其焊接規(guī)范參數(shù)，采用手工(直條焊絲)或自動(盤狀焊絲)將焊絲送入焊接熔池進(jìn)行焊接。
實施例一其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)5、錳(Mn)0.7、鋯(Zr)0.1、鈧(Sc)0.75、鈦(Ti)0.1、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
制備(1)原材料配制 基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉 采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成φ100mm合金錠；
(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)450℃退火、單根擠壓，再退火、拉拔為φ1.6mm連續(xù)盤狀焊絲和φ2.0mm×1000mm的直條焊絲；(4)除油、清洗、堿洗、清洗、硝酸光華處理、清洗、烘干后備用。直條焊絲可直接用于手工焊，連續(xù)焊絲經(jīng)重新繞盤后用于自動焊。
實施例二其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)6、錳(Mn)0.7、鋯(Zr)0.05、鈧(Sc)0.5、鈦(Ti)0.05、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
制備(1)原材料配制 基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉 采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成φ100mm合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)450℃退火、單根擠壓，再退火、拉拔為φ1.6mm連續(xù)盤狀焊絲和φ2.0mm×1000mm的直條焊絲；(4)除油、清洗、堿洗、清洗、硝酸光華處理、清洗、烘干后備用。直條焊絲可直接用于手工焊，連續(xù)焊絲經(jīng)重新繞盤后用于自動焊。
實施例三其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)7、錳(Mn)0.6、鋯(Zr)0.25、鈧(Sc)0.4、鈦(Ti)0、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
制備(1)原材料配制 基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉 采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成φ100mm合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)450℃退火、單根擠壓，再退火、拉拔為φ1.6mm連續(xù)盤狀焊絲和φ2.0mm×1000mm的直條焊絲；(4)除油、清洗、堿洗、清洗、硝酸光華處理、清洗、烘干后備用。直條焊絲可直接用于手工焊，連續(xù)焊絲經(jīng)重新繞盤后用于自動焊實施例四其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)7.5、錳(Mn)0.65、鋯(Zr)0.2、鈧(Sc)0.2、鈦(Ti)0、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
制備(1)原材料配制 基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉 采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成φ100mm合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)450℃退火、單根擠壓，再退火、拉拔為φ1.6mm連續(xù)盤狀焊絲和φ2.0mm×1000mm的直條焊絲；(4)除油、清洗、堿洗、清洗、硝酸光華處理、清洗、烘干后備用。直條焊絲可直接用于手工焊，連續(xù)焊絲經(jīng)重新繞盤后用于自動焊實施例五其主要化學(xué)成份(wt％)為鎂(Mg)6.5、錳(Mn)0.5、鋯(Zr)0.15、鈧(Sc)1.0、鈦(Ti)0、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。
制備(1)原材料配 制基體元素鋁(Al)以純鋁(Al)形式加入，合金元素鎂(Mg)、錳(Mn)、鈧(Sc)、鋯(Zr)、鈦(Ti)均以鋁(Al)基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉 采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆注成φ100mm合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)450℃退火、單根擠壓，再退火、拉拔為φ1.6mm連續(xù)盤狀焊絲和φ2.0mm×1000mm的直條焊絲；(4)除油、清洗、堿洗、清洗、硝酸光華處理、清洗、烘干后備用。直條焊絲可直接用于手工焊，連續(xù)焊絲經(jīng)重新繞盤后用于自動焊。
權(quán)利要求
1.一種Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 4～8、Mn 0.5～1.0、Zr 0.05～0.3、Sc 0.1～1.0、Ti 0～0.15、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
2.一種制備權(quán)利要求1所述焊絲的方法，其特征是(1)原材料配制，基體元素Al以純Al形式加入，合金元素Mg、Mn、Sc、Zr、Ti均以Al基中間合金形式添加，按重量百分比配制；(2)合金熔煉，采用感應(yīng)加熱電爐，并在真空充氬保護(hù)條件下進(jìn)行合金熔煉，澆鑄成合金錠；(3)加工成型對合金錠去皮、切頭后，經(jīng)退火、擠壓為合金棒，或再退火、拉拔為規(guī)格尺寸的直條狀焊絲或連續(xù)盤狀焊絲，備用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 5、Mn 0.7、Zr 0.1、Sc 0.75、Ti 0.1、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 6、Mn 0.7、Zr 0.05、Sc 0.5、Ti 0.05、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 7、Mn 0.6、Zr 0.25、Sc 0.4、Ti 0、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 7.5、Mn 0.65、Zr 0.2、Sc 0.2、Ti 0、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al-Mg-Sc系焊絲，其主要化學(xué)成份的重量百分比為，Mg 6.5、Mn 0.5、Zr 0.15、Sc 1.0、Ti 0、Na+K≤15ppm、H≤0.4ppm、Al余量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于Al－Mg－Li系鋁鋰合金和Al－Mg系鋁合金熔化焊用Al－Mg－Sc系焊絲。主要化學(xué)成分(wt％)為鎂(Mg)4～8、錳(Mn)0.5～1.0、鋯(Zr)0.05～0.3、鈧(Sc)0.1～1.0、鈦(Ti)0.05～0.15、鈉(Na)+鉀(K)≤15ppm、氫(H)≤0.4ppm、鋁(Al)余量。采用本發(fā)明的Al－Mg－Sc焊絲，焊接接頭綜合性能明顯提高(1)鋁鋰合金焊接接頭的抗裂性明顯增強。(2)焊縫組織明顯細(xì)化；(3)室溫抗拉強度明顯提高。使用本發(fā)明的Al－Mg－Sc系焊絲熔化焊接Al－Mg－Li系鋁鋰合金和Al－Mg系鋁合金，焊縫金屬組織細(xì)膩、焊接接頭抗裂性好，接頭綜合力學(xué)性能良好。
文檔編號B23K35/00GK1954959SQ20061015212
公開日2007年5月2日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者李艷, 張學(xué)軍, 李小飛, 張文揚 申請人:中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院