一种ALMGIN系焊丝及其制备方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201510779763.5

申请日:

2015.11.16

公开号:

CN105385906A

公开日:

2016.03.09

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C22C 21/08申请日:20151116|||公开

IPC分类号:

C22C21/08; C22C1/03; B23K35/40

主分类号:

C22C21/08

申请人:

广西大学

发明人:

赵艳君; 马本莉; 胡治流; 蒋长标; 李逸泰; 潘利文; 曾建民; 苏玲

地址:

530004广西壮族自治区南宁市西乡塘区大学路100号

优先权:

专利代理机构:

广西南宁公平专利事务所有限责任公司45104

代理人:

王素娥

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内容摘要

本发明公开了一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。焊丝其组成成分的重量百分数为Mg:4.0%~6.5%、In:0.15%~1.0%、Ce:0.1%~0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti:0.05%~0.15%、Si≤0.3%、Fe≤0.2%、Na≤0.0015%,余量为Al。制备方法如下:将铝锭、镁锭、铟锭、铈锭、Al-10Mn中间合金按配比在中频感应电阻炉中熔化,用Al-5Ti-B做细化剂,浇铸成铸锭;铸锭均匀退火化后切头铣面,热挤压成杆状坯料;杆状坯料经拉拔机进行拔丝,再经表面处理后盘成卷即得本发明Al-Mg-In系焊丝。本发明具有如下优点:工艺稳定易于实现,焊丝铺展性和润湿性良好,热裂敏感性小;焊丝组织细化,成型性能优良;与母材相比,焊接接头有高的强度和韧性匹配。

权利要求书

1.一种Al-Mg-In系焊丝,其特征在于,其组成成分的重量百分数为Mg:
4.0%~6.5%、In:0.15%~1.0%、Ce:0.1%~0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti:
0.05%~0.15%、Si≤0.3%、Fe≤0.2%和Na≤0.0015%,余量为Al。
2.如权利要求1所述一种Al-Mg-In系焊丝的制备方法,其特征在于,操
作步骤如下:
(1)原材料配制:
基体元素Al以纯度为99.7%的形式加入;合金元素的加入方式为:Mg和
Ce以纯度为99.9%的形式加入,In以纯度为99.99%的形式加入,Ti以Al-5Ti-B
的形式加入,Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入;按质量百分数为Mg:4.0%~
6.5%、In:0.15%~1.0%、Ce:0.1%~0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti0.05%~
0.15%、Si≤0.3%、Fe≤0.2%、Na≤0.0015%,余量为Al配制;
(2)合金熔炼:
采用中频感应电阻炉熔炼,将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼,熔
炼温度为720~760℃,熔体软塌后加覆盖剂保护,所述覆盖剂配方按重量百
分数为CaF212%,MgCl271%,MgF217%或CaCl217%,保温30min,搅拌熔
体,使熔体内部温度和成分均匀;760℃时加入Ce;700℃加入Mg和650~700℃
加入In;升温到760℃后用CCl6精炼,降温到720℃后熔体静置20min再扒渣,
加入铝钛硼中间合金,扒渣后浇铸成铸锭合金;
(3)均匀化退火:
将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为450~480℃,
保温时间为12~20小时;
(4)热挤压:
将步骤(3)得到的退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压,挤压温度
为380~450℃,挤压比为15~80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为φ10mm;
(5)拉拔:
将步骤(4)得到的φ10mm杆材毛料进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝,
拉拔配模为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊
丝;在拉拔过程中可进行多道次退火,退火温度为370~420℃,保温时间1.0~
6.0小时,然后经精刮、抛光、清洗、烘干、精绕上盘,得到高性能Al-Mg-In
系焊丝。
3.根据权利要求2所述的Al-Mg-In合金焊丝的制备方法,其特征在于:
所述步骤(2)中熔体中不能加含Na元素的溶剂,避免铝合金发生Na脆。

说明书

一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域。具体是一种Al-Mg-In系焊丝及其制
备方法。

背景技术

目前,轻轨列车、地铁列车及高速列车车厢均是以铝合金型材作为骨架的
焊接构件,焊接可减少40%的车辆制造工作量,车辆的运行性能和运行速度、
运载能力和效率取决于焊接材料性能的好坏。但是,国内车辆制造需要的铝合
金焊丝主要依赖进口,其中,美国铝业公司(ALCOA)生产的焊丝4043、5082
和5356占90%以上。我国城际轻轨和高铁行业的高速发展,使Al-Mg系合金
焊丝需求量剧增,国内铝镁合金焊丝的市场潜力巨大。如果能研制成功一种新
型焊丝替代进口焊丝,其市场价值和利润均非常可观。

美国铝业公司(ALCOA)生产的焊丝4043、5082和5356,其焊丝通用性最
好的是ER5356,该合金用途广泛的主要原因在于它具有强度适中、高抗热裂
性能与高耐腐蚀性能。但是,ER5356铝镁合金焊丝在焊接过程中Mg和Zn等
元素挥发氧化烧损严重而使接头强度明显低于母材强度,已不能满足中高强铝
合金焊接接头高强度的要求,尤其是对于厚板焊接和焊接以后不能进行热处理
的大型部件。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系合金焊丝中的Mg含量会引起耐蚀性的急
剧降低。此外,随着中高强度铝合金性能的不断改善和连接部件可靠性要求的
提高,传统的Al-Mg系合金焊丝如ER5356已不能满足中高强度铝合金焊接接
头的强度要求,迫切需要抗热裂和抗应力腐蚀性能更佳的高强度铝合金焊丝,
以满足更多工程部件的连接强度与可靠性需要。

近年来许多学者对In在铝及铝合金的作用进行了研究。In的表面能较小,
在铝合金焊料中加入In可以使其表面能降低,有利于焊料的流动,避免应力
集中和裂缝,改善合金的焊接性能;In的熔融热较小(28.6J/g),可以减小焊
接过程的热裂敏感性;然而,若加入In过量,将会造成在提高合金微细化强
度和蠕变特性的同时,焊料表面易形成坚固的氧化膜,使润湿性大大降低。In
还能提高铝合金的耐蚀性。将In加入Al-Cu-Mg中能明显提高合金的抗拉强度
和屈服强度。将In加入到Al-Mg-Si合金中,漫流面积与In含量呈正相关关
系。Al-Mg系合金中晶界游离的Na引起合金中严重的高温脆性,晶界中的In
会与杂质Na反应生成类似In8Na5化合物,降低晶界脆性,提高材料的强度。
微量In的添加使Al-Cu-Li合金的屈服强度增加25%,到达时效峰值的时间缩
短25%,时效24h后的强度值提高70%。

由于In与Al形成溶混间隙,In在Al中的固溶度很小,溶质分配系数K0<1,
凝固过程中发生溶质再分配,出现成分过冷,使α(Al)较易形核,而且凝
固时In在结晶前沿造成极大的溶质富集,促使枝晶形成缩颈,这样就有利于
枝晶熔断、游离,使晶核增殖,从而使α(Al)相细化;另一方面,Mg能固
溶到In与Al形成的溶混间隙中,生成富In且富Mg相(HCP结构,熔点为285℃),
可在大大提高Mg的固溶强化作用及减少焊接过程中Mg氧化烧损的同时,保证
焊接过程中良好的润湿性和铺展性。但是人们目前还没有开发出将In作为主
要添加元素的Al-Mg-In系焊丝。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下:

1.一种Al-Mg-In系焊丝,其组成成分的重量百分数为Mg:4.0%~6.5%、
In:0.15%~1.0%、Ce:0.1%~0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti:0.05%~0.15%、
Si≤0.3%、Fe≤0.2%、Na≤0.0015%,余量为Al。

2.一种Al-Mg-In系焊丝的制备方法,操作步骤如下:

(1)原材料配制:

基体元素Al以纯度为99.7%的形式加入;合金元素的加入方式为:Mg和
Ce以纯度为99.9%的形式加入,In以纯度为99.99%的形式加入,Ti以Al-5Ti-B
的形式加入,Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入;按质量百分数为Mg:4.0%~
6.5%、In:0.15%~1.0%、Ce:0.1%~0.4%、Mn:0.4%~1.2%、Ti0.05%~
0.15%、Si≤0.3%、Fe≤0.2%、Na≤0.0015%,余量为Al配制。

(2)合金熔炼:

采用中频感应电阻炉熔炼,将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼,熔
炼温度为720~760℃,熔体软塌后加覆盖剂保护,所述覆盖剂配方按重量百
分数为CaF212%,MgCl271%,MgF217%(或CaCl217%),保温30min,搅拌
熔体,使熔体内部温度和成分均匀;760℃时加入Ce;700℃加入Mg和650℃~
700℃加入In;升温到760℃后用CCl6精炼,降温到720℃后熔体静置20min
再扒渣,加入铝钛硼中间合金,扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火:

将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为450~480℃,
保温时间为12~20小时。

(4)热挤压:

将步骤(3)得到退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压,挤压温度为
380~450℃,挤压比为15~80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为φ10mm。

(5)拉拔:

将步骤(4)得到的φ10mm杆材毛料进行多次拉拔到规格尺寸的成品焊丝,
拉拔配模为φ10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊
丝;在拉拔过程中可进行多道次退火,退火温度为370~420℃,保温时间1.0~
6.0小时。然后经精刮、抛光、清洗、烘干、精绕上盘,得到高性能Al-Mg-In
系焊丝。

上述步骤(2)中熔体中不能加含Na元素的溶剂,避免铝合金发生Na脆。

本发明焊丝中加入合适的Mg、In、Ce、Mn和Ti等合金元素,其具体作用
为:

Mg是Al-Mg系合金中主要的强化元素,镁从1.0wt.%增至6.0wt.%时,强
度提高最明显。成分范围内,焊接接头强度与Mg含量呈正相关关系,通常高
含量的Mg通过固溶强化使焊接接头的强度提高。Mg含量太低不能使焊缝达到
需要的强度,而Mg加入量超过6.5wt.%,制造焊丝时会非常困难,且生成的
Al8Mg5相会造成焊接接头的晶间腐蚀和应力腐蚀加剧。为兼顾可制造性和强度,
优选Mg含量为4.0wt.%~6.5wt.%。

In:In的表面能较小,在铝合金焊料中加入In可以使其表面能降低,有
利于焊料的流动,改善合金的焊接性能,减小焊后产生裂纹的倾向。若加入
In过量,将会造成在提高合金微细化强度和蠕变特性的同时,焊料表面易形
成坚固的氧化膜,使润湿性大大降低。在Al-Cu-Mg中添加0.5wt.%,合金的
抗拉强度和屈服强度提高。在Al-Mg-Si合金中,W(In)<0.027wt.%,漫流面积
与In含量呈正相关关系;W(In)>0.027wt.%,漫流面积与In含量成负相关关
系,优选In添加量为0.15wt.%~1.0wt.%。

Mn是基本添加元素,与Mg相匹配,Mn可提高焊接接头的强度,通过减少
热收缩改善焊接性。且Mn能阻止铝合金的再结晶过程,提高再结晶温度,阻
碍晶粒长大,能显著细化再结晶晶粒。Mn能通过Al6Mn溶解杂质Fe,使铝合
金中针状和片状含Fe化合物改变形状,并降低脆性,减小Fe的有害影响,Mn
还能减少应力腐蚀敏感性。加Mn能使含Mg相分布均匀。低于0.4wt.%的Mn
含量不能提供足够强度的焊接接头;而Mn含量超过1.2wt.%,拉丝原料的制
造会非常困难。因此在实际使用中为了减少Al8Mg5的有害影响,加入1.2wt.%
以下的Mn起补充强化作用,比等量的Mg效果更好。为保证强度,优选Mn含
量为0.4wt.%~1.2wt.%

Ce的原子半径较大,不溶于Al,Ce与O的亲和力大于Al与O的亲和力,
可还原Al2O3,减少氧化膜夹杂;Ce与H有较强的化学亲和力,以及Ce可以大
量吸附和溶解H,当加入的Ce遇到铝液中的氢时,能迅速形成稳定的CeH2
起到消除杂质元素的作用。Ce是表面活性极强的元素,可以强烈降低液体金
属的表面张力,提高铺展性,改善焊接工艺性能。然而,在凝固过程中,当液
固界面前沿的Ce含量超过一定量时,除了生成共晶相以外,还可能与其他元
素生成粗大化合物。绝大部分Ce富集于枝晶间的第二相中,随着Ce含量的增
加,第二相逐渐增多,且合金中出现较多球状相,Ce含量进一步增加时,第
二相化合物明显增多,其形状也由长条状变为短粗骨骼状,球状相也进一步增
多。综上所述,优选Ce的添加量为0.1wt.%~0.4wt.%。

Ti与Al生成Al3Ti,阻碍晶粒长大,显著细化晶粒,提高合金的强度。

本发明的铝合金焊丝具有如下优点:

1本焊丝合金冶炼工艺易于实现,焊丝拉拔性能优良,可满足机车车厢、
化工压力容器、造船、航空等行业的焊接技术要求;

2本发明中Mg、Mn元素的添加促进了铝基体的固溶强化,形成了Al、Mn、
In和Ce等多元复合粒子,改善了焊接过程的润湿性,有效提高了焊缝金属的
强度;

3特殊工艺的控制,以降低Mg含量在熔炼过程的烧损,提高了强度和韧
性。

采用本发明的Al-Mg-In系合金,铸态性能明显提高:

(1)铸态组织明显细化,枝晶网稀疏;

(2)铸态室温抗拉强度明显提高,抗拉强度为240~290MPa。与同条件下
不含In的Al-Mg铸态合金相比,抗拉强度提高50~100MPa。

(3)与同条件下不含In的Al-Mg铸态合金相比,本发明焊丝铸态合金在抗
拉强度提高的同时,铸态合金的塑性也有很大的提高,延伸率可提高10~20%。

采用本发明的Al-Mg-In系焊丝,焊缝组织细化,焊接接头的综合性能明
显提高。采用自动TIG焊,焊接接头的抗拉强度可达到320~410MPa,且焊缝
金属的塑性与母材相当。与同条件下采用不含In的Al-Mg焊丝的接头相比,
接头抗拉强度提高60~110MPa,接头的塑性也有很大的提高,延伸率可提高
20~60%。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。本发明技术方案不局限于以下所
例举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施例1

1.Al-Mg-In系焊丝,组成成分的重量百分数为Mg:4.5%、In:0.15%、Ce:
0.1%、Mn:0.4%、Ti:0.05%、Si:0.3%、Fe:0.2%和Na:0.0015%,余量为
Al。

2.Al-Mg-In系焊丝的制备方法,其操作步骤如下:

(1)原材料的配制:基体元素Al以纯度为99.7%的形式加入;合金元素
的加入方式为:Mg和Ce以纯度为99.9%的形式加入,In以纯度为99.99%的
形式加入,Ti以Al-5Ti-B的形式加入,Mn以Al-10Mn中间合金的形式加入,
按上述1.Al-Mg-In系焊丝组成成分的重量百分数配制。

(2)合金熔炼:

采用中频感应电阻炉熔炼,将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼,熔
炼温度为760℃,熔体软塌后加覆盖剂保护,所述覆盖剂配方按重量百分数为
CaF212%,MgCl271%和MgF217%,保温30min,搅拌熔体,使熔体内部温度和
成分均匀;760℃时加入Ce;700℃加入Mg和700℃加入In;升温到760℃后
用CCl6精炼,降温到720℃后熔体静置20min再扒渣,加入铝钛硼中间合金,
扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火:

将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为450℃,保温
时间为12小时;

(4)热挤压:

将步骤(3)得到的铝合金铸锭切头、铣面后进行热挤压,挤压温度为420
℃,挤压比为65,挤压后坯料尺寸为φ10mm。

(5)拉拔:

将步骤(4)得到的杆状坯料进行多次拉拔,拉拔配模工艺为φ10mm坯料→
φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝。中间退火温度为400℃,
保温时间为5小时。

(6)焊丝经除油、清洗、烘干和重新绕盘后用于手工焊或自动焊。

实施例2

1.Al-Mg-In系焊丝,组成成分的重量百分数为Mg:5.0%、In:0.25%、
Ce:0.15%、Mn:0.5%、Ti:0.10%、Si:0.3%、Fe:0.2%和Na:0.0015%,余
量为Al。

2.Al-Mg-In系焊丝的制备方法,其操作步骤如下:

步骤(1)同实施例1。

(2)合金熔炼:

采用中频感应电阻炉熔炼,将铝锭和Al-10Mn中间合金一次入炉熔炼,熔
炼温度为720℃,熔体软塌后加覆盖剂保护,所述覆盖剂配方按重量百分数为
CaF212%,MgCl271%和CaCl217%,保温30min,搅拌熔体,使熔体内部温度
和成分均匀;760℃时加入Ce;700℃加入Mg和650℃加入In;升温到760℃
后用CCl6精炼,降温到720℃后熔体静置20min再扒渣,加入铝钛硼中间合金,
扒渣后浇铸成铸锭合金。

(3)均匀化退火:

将步骤(2)得到的铸锭合金,进行均匀化退火,退火温度为480℃,保温
时间为16小时。

(4)热挤压:

将步骤(3)得到退火后的铝合金铸锭切头铣面后进行热挤压,挤压温度为
450℃,挤压比为80,得到杆材毛料,挤压后坯料尺寸为φ10mm;

(5)拉拔:将步骤(4)得到的杆状坯料进行多次拉拔,拉拔配模工艺为φ
10mm坯料→φ8.0mm→φ5.5mm→φ3.0mm→φ1.6mm的成品焊丝。中间退火温
度为370℃,保温时间为6小时。

(6)焊丝经除油、清洗、烘干和重新绕盘后用于手工焊或自动焊。

实施例3

1.Al-Mg-In系焊丝,组成成分的重量百分数为Mg:5.5%、In:0.35%、Ce:
0.20%、Mn:0.7%、Ti:0.15%、Si:0.3%、Fe:0.2%和Na:0.0015%,余量为
Al。

2.其制备方法同实施例1,所不同的是在步骤(3)中退火温度为450℃,
保温时间为20小时;在步骤(4)中挤压温度为380℃,挤压比为15,挤压后
坯料尺寸为φ10mm;在步骤(5)中,中间退火温度为420℃,保温时间为1
小时。

实施例4

1.Al-Mg-In系焊丝,组成成分的重量百分数为Mg:4.0%、In:0.6%、Ce:
0.40%、Mn:1.2%、Ti:0.1%、Si:0.3%、Fe:0.2%和Na:0.0015%,Al余量。

2.其制备方法同实施例1,所不同的是在步骤(5)中,中间退火温度为
420℃,保温时间为5小时。

实施例5

1.Al-Mg-In系焊丝,其主要化学成分(wt.%)为Mg:6.5%、In:1.0%、Ce:
0.25%、Mn:0.9%、Ti:0.1%、Si:0.3%、Fe:0.2%、Na:0.0015%,余量为
Al。

2.其制备方法同实施例1,所不同的是在步骤(5)中,中间退火温度为
370℃,保温时间为6小时。

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本发明公开了一种Al-Mg-In系焊丝及其制备方法。焊丝其组成成分的重量百分数为Mg:4.06.5、In:0.151.0、Ce:0.10.4、Mn:0.41.2、Ti:0.050.15、Si0.3、Fe0.2、Na0.0015,余量为Al。制备方法如下:将铝锭、镁锭、铟锭、铈锭、Al-10Mn中间合金按配比在中频感应电阻炉中熔化,用Al-5Ti-B做细化剂,浇铸成铸锭;铸锭均匀退火化后切头铣面,热。

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