一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210515091.3	申请日：	2012.12.04
公开号：	CN102974955A	公开日：	2013.03.20
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):B23K 35/28申请日:20121204\|\|\|公开
IPC分类号：	B23K35/28	主分类号：	B23K35/28
申请人：	中国人民解放军装甲兵工程学院
发明人：	朱胜; 赵志浩; 王晓明; 姚巨坤; 王启伟; 崔建忠; 刘玉项
地址：	100072 北京市丰台区长辛店杜家坎21号
优先权：
专利代理机构：	北京思海天达知识产权代理有限公司 11203	代理人：	刘萍
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内容摘要

一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材属于焊件领域。该丝材是以普通Al-Mg系合金焊丝为基础，添加Sc、Zr、Er等微量元素后制备而成。丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下：Mg：6.2~6.8%、Cr：0.05~0.2%、Ti：0.02~0.05%、Sc+ Zr+Er：0.3~0.6%，其余为Al。采用磁控焊接熔覆成形技术，使用含微量元素的Al-Mg系合金焊丝，制备出具有优良组织结构，高强度、高塑性等力学性能的铝合金焊接接头。

权利要求书

权利要求书一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材，其特征在于：丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下：Mg：6.2~6.8%、Cr：0.05~0.2%、Ti：0.02~0.05%、Sc+ Zr+Er：0.3~0.6%，其余为Al。

说明书

说明书一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材
技术领域
本发明涉及一种用于磁控焊接熔敷成形技术制备高强度铝合金焊接接头的Al‑Mg丝材，主要通过在Al‑Mg系铝合金焊丝添加Sc、Zr、Er等稀有金属元素，使Al‑Mg系铝合金焊丝微合金化，改善铝合金焊接接头的组织，提高铝合金焊接接头的力学性能。
背景技术
焊接熔敷快速成形作为快速成形技术的一种新工艺，其是利用堆焊技术的原理，不但可以用于零件的表面改性，还可以对缺损零件进行修复和直接成形新零件。铝合金表面修复技术包括普通焊条电弧焊、MIG焊和等离子焊接等焊接方法，热喷涂技术和刷镀技术。焊接熔敷技术与热喷涂和电刷镀技术相比，焊接熔敷层与基体为冶金结合，其结合强度较高；与普通的焊接方法相比，焊接熔敷技术沉积率、粗糙度、热输入、敷层厚度等指标更优异。
随着材料电磁过程的不断发展，将磁场引入焊接过程已经成为一种先进的焊接技术，当外加磁场作用于电弧时，由于焊接电弧中的等离子体的良好导电性，提供了外部磁场对它的可作用性。磁场控制焊接熔敷技术的研究包括：通过电磁力搅拌熔池，强迫金属流动，使晶粒细化；通过磁场对电弧的拘束作用，提高非熔化极电弧的能量密度，可改善接头质量，提高熔敷效率。2002年由北京工业大学殷树言等人申请的公告号为CN1369347A的发明专利《磁控高熔敷率熔化极混合气体保护焊接（MAG）方法及专用设备》中磁场作用于焊接过程，有效的提高了熔敷效率。2005年由武汉理工大学罗健等人申请的公告号为CN1751834的发明专利《一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备》中采用磁场影响焊接过程，提高了焊接接头的质量。2010年由装甲兵工程学院朱胜等人申请的申请号为201010049723.2的发明专利《电磁场控制焊接熔敷快速成形方法和设备》中提到采用直流横向磁控熔覆成形设备实现零件的快速成形。
铝合金焊接丝材广泛应用于焊接领域。随着技术的进步，普通的Al‑Mg丝材不能满足生产的需求，在Al‑Mg丝材中添加具有特殊性能的元素成为改善丝材性能的重要手段。2008年由潘清林等人申请的申请号为200810143170的发明专利《一种Al‑Mg‑Mn‑Sc‑Er合金》中Sc重量百分比为0.1~0.25wt%和Er元素重量百分比为0.15~0.4wt%的合金，提高了铝合金的抗拉强度；2009年由郑志荣等人申请的申请号为200910154113的发明专利《高速列车用铝合金焊丝及制作方法》中其特征为组分和重量百分含量分别为：Si≤0.40、Fe≤0.40、Cu≤0.10、0.05≤Mn≤1.1、4.2≤Mg≤7.5、0.05≤Cr≤0.25、Zn≤0.25、Be≤0.005、0.05≤Ti≤0.20、0.0005≤Sc≤0.005，其他单个杂质≤0.05%，其他杂质合计≤0.15%，其余量是Al，焊丝的抗拉强度及延伸强度得到提高。但对于添加Sc、Zr、Er三种元素的Al‑Mg合金尚未涉及，本发明Al‑Mg焊丝通过磁控焊接熔敷成形技术，可以在铝基体表面堆敷一层或数层特殊敷层，所得敷层微观组织致密，晶粒细小，力学性能优良。
发明内容
本发明以普通Al‑Mg系合金焊丝为对象，添加Sc、Zr、Er微量稀有元素后制成焊丝。利用磁控熔敷成形技术在铝合金表面制备高强度覆层。焊丝丝材中的各组分质量百分比范围为： Mg：6.2~6.8%、Cr：0.05~0.2%、Ti：0.02~0.05%、Sc+ Zr+Er：0.3~0.6%，其余为Al。采用磁控焊接熔敷成形技术，使用上述成分的Al‑Mg系合金焊丝，制备出具有优良组织结构，高强度、高塑性等力学性能的铝合金焊接接头。
一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材，其特征在于：丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下：Mg：6.2~6.8%、Cr：0.05~0.2%、Ti：0.02~0.05%、Sc+ Zr+Er：0.3~0.6%，其余为Al。
本发明的优点：
（1）在普通Al‑Mg系合金焊丝中加入Sc、Zr、Er元素，焊丝经热挤压后横截面的微观组织晶粒细化，晶粒尺寸为普通焊丝晶粒尺寸的25%~30%。
（2）所述焊丝采用磁控焊接熔敷成形技术，得到铝合金焊接接头中，接头抗拉强度比普通焊丝抗拉强度提高3.0~5.2%；屈服强度比普通焊丝屈服强度提高2.5~4.3%；抗背弯强度和抗面弯强度比普通焊丝分别提高40~45%、65~73%；所得熔敷层的硬度比普通焊丝堆焊层的硬度提高5.0%~11%。
本发明有益的效果：在普通Al‑Mg系合金焊丝中添加Sc、Zr、Er等微量稀有元素制备焊丝，采用磁控熔敷成形技术在铝合金表面焊接熔敷制备出高强度的焊接接头。采用所述焊丝在铝合金上利用磁控熔敷成形技术得到的焊接接头微观组织致密，晶粒细小；接头抗拉强度、屈服强度、抗弯强度以及硬度等力学性能优异。
附图说明
附图1为实施例1的5183‑1和5183焊丝经热挤压后横截面金相组织。
附图2为实施例1、2的5183、5183‑1、5183‑2、5183‑3焊丝所得焊接接头的硬度对比图。
附图3为实施例4的5183、5183‑4焊丝所得焊接接头的力学性能对比图。
具体实施方式
本发明通过如下措施来实现：
实施例1：
在牌号为5183的Al‑Mg系合金焊丝中添加的Sc、Zr、Er等微量元素，其中Sc的含量为0.1%，Zr的含量为0.2%，Er的含量为0，制备5183‑1焊丝。图1（a）为5183焊丝经热挤压后的横截面的金相组织图，图1（b）为5183‑1焊丝经热挤压后的横截面的金相组织图。从图1可以看出，5183‑1焊丝的挤压组织明显细化，其晶粒直径为10μm，而5183焊丝的挤压组织晶粒直径为40μm。
实施例2：
在牌号为5183的Al‑Mg系合金焊丝中添加的Sc、Zr、Er等微量稀土元素，其中Sc的含量为0.3%，Zr的含量为0.2%，Er的含量为0，制备5183‑2焊丝；添加Sc的含量为0.3%，Zr的含量均为0，Er的含量为0.2%，制备5183‑3焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的Fronius全数字TPS‑4000直流脉冲MIG焊接熔敷成形技术，使用5183、5183‑1、5183‑2、5183‑3焊丝对7A52铝合金施焊，得到焊接接头。接头的硬度如图2所示，添加微量元素焊丝的焊接接头硬度比较普通焊丝接头硬度；比较5183‑1和5183‑2可知，Sc元的增加有利于接头硬度的提高。比较5183‑2和5183‑3可知，Zr元素比Er元素更有利于接头硬度的提高。
实施例3：
在牌号为5183的Al‑Mg系合金焊丝中添加的Sc、Zr、Er等微量稀土元素，其中Sc的含量为0，Zr的含量为0.3%，Er的含量为为 0.3%，制备5183‑4焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的Fronius全数字TPS‑4000直流脉冲MIG焊接熔敷成形技术，使用5183、5183‑4焊丝分别在7A52铝合金上制备焊接接头，对接头的力学性能进行测试。得到结果：采用5183‑4焊丝的抗拉强度327.821MPa，比5183焊丝抗拉强度提高4.8%；5183‑4焊丝的屈服强度为179.596MPa，比5183焊丝屈服强度提高4.1%；5183‑4焊丝抗背弯强度和抗面弯强度比5183焊丝分别提高42%、69%。通过对比可知，添加微量元素Zr、Er后，铝合金焊接接头的力学性能显著提高。
实施例4：
在牌号为5183的Al‑Mg系合金焊丝中添加的Sc、Zr、Er等微量稀土元素，其中Sc的含量为0.3%，Zr的含量为0.2%，Er的含量为为 0.1%，制备5183‑5焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的Fronius全数字TPS‑4000直流脉冲MIG焊接熔敷成形技术，使用5183、5183‑5焊丝在7A52铝合金上制备焊接接头，对接头的力学性能进行测试。图3为两种焊丝所得焊接接头的力学性能对比图。从图中可知，5183‑5焊丝制备所得铝合金接头的抗拉强度332.364MPa，5183焊丝制备所得铝合金接头抗拉强度为316.179 MPa；5183‑5焊丝制备所得铝合金接头的屈服强度为183.661 MPa，5183焊丝制备所得铝合金接头的屈服强度176.136 MPa，抗背弯强度和抗面弯强度5183焊丝制备所得铝合金接头比5183焊丝制备所得铝合金接头分别提高45%、73%。

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1、(10)申请公布号 CN 102974955 A (43)申请公布日 2013.03.20 CN 102974955 A *CN102974955A* (21)申请号 201210515091.3 (22)申请日 2012.12.04 B23K 35/28(2006.01) (71)申请人中国人民解放军装甲兵工程学院地址 100072 北京市丰台区长辛店杜家坎 21 号 (72)发明人朱胜赵志浩王晓明姚巨坤王启伟崔建忠刘玉项 (74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理有限公司 11203 代理人刘萍 (54) 发明名称一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝。

2、材 (57) 摘要一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材属于焊件领域。该丝材是以普通 Al-Mg 系合金焊丝为基础，添加 Sc、 Zr、 Er 等微量元素后制备而成。丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下： Mg ： 6.26.8%、 Cr ： 0.050.2%、 Ti ： 0.020.05%、 Sc+ Zr+Er ： 0.30.6%，其余为 Al。采用磁控焊接熔覆成形技术，使用含微量元素的 Al-Mg 系合金焊丝，制备出具有优良组织结构，高强度、高塑性等力学性能的铝合金焊接接头。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页。

3、 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 3 页附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材，其特征在于：丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下： Mg ： 6.26.8%、 Cr ： 0.050.2%、 Ti ： 0.020.05%、 Sc+ Zr+Er ： 0.30.6%，其余为 Al。权利要求书 CN 102974955 A 2 1/3 页 3 一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材技术领域 0001 本发明涉及一种用于磁控焊接熔敷成形技术制备高强度铝合金焊接接头。

4、的 Al-Mg 丝材，主要通过在 Al-Mg 系铝合金焊丝添加 Sc、 Zr、 Er 等稀有金属元素，使 Al-Mg 系铝合金焊丝微合金化，改善铝合金焊接接头的组织，提高铝合金焊接接头的力学性能。背景技术 0002 焊接熔敷快速成形作为快速成形技术的一种新工艺，其是利用堆焊技术的原理，不但可以用于零件的表面改性，还可以对缺损零件进行修复和直接成形新零件。铝合金表面修复技术包括普通焊条电弧焊、 MIG 焊和等离子焊接等焊接方法，热喷涂技术和刷镀技术。焊接熔敷技术与热喷涂和电刷镀技术相比，焊接熔敷层与基体为冶金结合，其结合强度较高；与普通的焊接方法相比，焊接熔。

5、敷技术沉积率、粗糙度、热输入、敷层厚度等指标更优异。 0003 随着材料电磁过程的不断发展，将磁场引入焊接过程已经成为一种先进的焊接技术，当外加磁场作用于电弧时，由于焊接电弧中的等离子体的良好导电性，提供了外部磁场对它的可作用性。磁场控制焊接熔敷技术的研究包括：通过电磁力搅拌熔池，强迫金属流动，使晶粒细化；通过磁场对电弧的拘束作用，提高非熔化极电弧的能量密度，可改善接头质量，提高熔敷效率。2002 年由北京工业大学殷树言等人申请的公告号为 CN1369347A 的发明专利磁控高熔敷率熔化极混合气体保护焊接（MAG）方法及专用设备中磁场作用于焊。

6、接过程，有效的提高了熔敷效率。2005 年由武汉理工大学罗健等人申请的公告号为 CN1751834 的发明专利一种磁控熔化极焊接方法及其拓展应用和通用设备中采用磁场影响焊接过程，提高了焊接接头的质量。2010 年由装甲兵工程学院朱胜等人申请的申请号为 201010049723.2 的发明专利电磁场控制焊接熔敷快速成形方法和设备中提到采用直流横向磁控熔覆成形设备实现零件的快速成形。 0004 铝合金焊接丝材广泛应用于焊接领域。随着技术的进步，普通的 Al-Mg 丝材不能满足生产的需求，在 Al-Mg 丝材中添加具有特殊性能的元素成为改善丝材性能的重要手段。 2008年由潘。

7、清林等人申请的申请号为200810143170的发明专利一种Al-Mg-Mn-Sc-Er 合金中 Sc 重量百分比为 0.10.25wt% 和 Er 元素重量百分比为 0.150.4wt% 的合金，提高了铝合金的抗拉强度； 2009 年由郑志荣等人申请的申请号为 200910154113 的发明专利高速列车用铝合金焊丝及制作方法中其特征为组分和重量百分含量分别为： Si 0.40、 Fe 0.40、 Cu 0.10、 0.05 Mn 1.1、 4.2 Mg 7.5、 0.05 Cr 0.25、 Zn 0.25、 Be 0.005、 0.05 Ti 0.20、 0.0005 Sc。

8、 0.005，其他单个杂质 0.05%，其他杂质合计 0.15%，其余量是 Al，焊丝的抗拉强度及延伸强度得到提高。但对于添加 Sc、 Zr、 Er 三种元素的Al-Mg合金尚未涉及，本发明Al-Mg焊丝通过磁控焊接熔敷成形技术，可以在铝基体表面堆敷一层或数层特殊敷层，所得敷层微观组织致密，晶粒细小，力学性能优良。发明内容说明书 CN 102974955 A 3 2/3 页 4 0005 本发明以普通 Al-Mg 系合金焊丝为对象，添加 Sc、 Zr、 Er 微量稀有元素后制成焊丝。利用磁控熔敷成形技术在铝合金表面制备高强度覆层。焊丝丝材中的各组分质量百分。

9、比范围为： Mg ： 6.26.8%、 Cr ： 0.050.2%、 Ti ： 0.020.05%、 Sc+ Zr+Er ： 0.30.6%，其余为 Al。采用磁控焊接熔敷成形技术，使用上述成分的 Al-Mg 系合金焊丝，制备出具有优良组织结构，高强度、高塑性等力学性能的铝合金焊接接头。 0006 一种磁控焊接熔敷成形制备高强铝合金接头的焊接丝材，其特征在于：丝材各组分含量占丝材质量的百分比范围如下： Mg ： 6.26.8%、 Cr ： 0.050.2%、 Ti ： 0.020.05%、 Sc+ Zr+Er ： 0.30.6%，其余为 Al。 0007 本发明的优点。

10、： 0008 （1）在普通 Al-Mg 系合金焊丝中加入 Sc、 Zr、 Er 元素，焊丝经热挤压后横截面的微观组织晶粒细化，晶粒尺寸为普通焊丝晶粒尺寸的 25%30%。 0009 （2）所述焊丝采用磁控焊接熔敷成形技术，得到铝合金焊接接头中，接头抗拉强度比普通焊丝抗拉强度提高 3.05.2% ；屈服强度比普通焊丝屈服强度提高 2.54.3% ；抗背弯强度和抗面弯强度比普通焊丝分别提高 4045%、 6573% ；所得熔敷层的硬度比普通焊丝堆焊层的硬度提高 5.0%11%。 0010 本发明有益的效果：在普通 Al-Mg 系合金焊丝中添加 Sc、 Zr、 Er 。

11、等微量稀有元素制备焊丝，采用磁控熔敷成形技术在铝合金表面焊接熔敷制备出高强度的焊接接头。采用所述焊丝在铝合金上利用磁控熔敷成形技术得到的焊接接头微观组织致密，晶粒细小；接头抗拉强度、屈服强度、抗弯强度以及硬度等力学性能优异。附图说明 0011 附图 1 为实施例 1 的 5183-1 和 5183 焊丝经热挤压后横截面金相组织。 0012 附图 2 为实施例 1、 2 的 5183、 5183-1、 5183-2、 5183-3 焊丝所得焊接接头的硬度对比图。 0013 附图 3 为实施例 4 的 5183、 5183-4 焊丝所得焊接接头的力学性能对比图。具体实施方式。

12、 0014 本发明通过如下措施来实现： 0015 实施例 1 ： 0016 在牌号为 5183 的 Al-Mg 系合金焊丝中添加的 Sc、 Zr、 Er 等微量元素，其中 Sc 的含量为 0.1%， Zr 的含量为 0.2%， Er 的含量为 0，制备 5183-1 焊丝。图 1（a）为 5183 焊丝经热挤压后的横截面的金相组织图，图 1（b）为 5183-1 焊丝经热挤压后的横截面的金相组织图。从图 1 可以看出， 5183-1 焊丝的挤压组织明显细化，其晶粒直径为 10m，而 5183 焊丝的挤压组织晶粒直径为 40m。 0017 实施例 2 ： 0018 在牌号。

13、为 5183 的 Al-Mg 系合金焊丝中添加的 Sc、 Zr、 Er 等微量稀土元素，其中 Sc 的含量为 0.3%， Zr 的含量为 0.2%， Er 的含量为 0，制备 5183-2 焊丝；添加 Sc 的含量为 0.3%， Zr 的含量均为 0， Er 的含量为 0.2%，制备 5183-3 焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的 Fronius 全数字 TPS-4000 直流脉冲 MIG 焊接熔敷成形技术，使用 5183、说明书 CN 102974955 A 4 3/3 页 5 5183-1、 5183-2、 5183-3 焊丝对 7A52 铝合金施焊，得。

14、到焊接接头。接头的硬度如图 2 所示，添加微量元素焊丝的焊接接头硬度比较普通焊丝接头硬度；比较5183-1和5183-2可知， Sc 元的增加有利于接头硬度的提高。比较 5183-2 和 5183-3 可知， Zr 元素比 Er 元素更有利于接头硬度的提高。 0019 实施例 3 ： 0020 在牌号为 5183 的 Al-Mg 系合金焊丝中添加的 Sc、 Zr、 Er 等微量稀土元素，其中 Sc 的含量为 0， Zr 的含量为 0.3%， Er 的含量为为 0.3%，制备 5183-4 焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的 Fronius 全数字 TPS-4000 直。

15、流脉冲 MIG 焊接熔敷成形技术，使用 5183、 5183-4 焊丝分别在 7A52 铝合金上制备焊接接头，对接头的力学性能进行测试。得到结果：采用5183-4焊丝的抗拉强度327.821MPa，比5183焊丝抗拉强度提高4.8% ； 5183-4 焊丝的屈服强度为 179.596MPa，比 5183 焊丝屈服强度提高 4.1% ； 5183-4 焊丝抗背弯强度和抗面弯强度比 5183 焊丝分别提高 42%、 69%。通过对比可知，添加微量元素 Zr、 Er 后，铝合金焊接接头的力学性能显著提高。 0021 实施例 4 ： 0022 在牌号为 5183 的 Al-Mg。

16、系合金焊丝中添加的 Sc、 Zr、 Er 等微量稀土元素，其中 Sc 的含量为 0.3%， Zr 的含量为 0.2%， Er 的含量为为 0.1%，制备 5183-5 焊丝。采用再制造国家重点实验室中外加纵向磁场的 Fronius 全数字 TPS-4000 直流脉冲 MIG 焊接熔敷成形技术，使用 5183、 5183-5 焊丝在 7A52 铝合金上制备焊接接头，对接头的力学性能进行测试。图 3 为两种焊丝所得焊接接头的力学性能对比图。从图中可知， 5183-5 焊丝制备所得铝合金接头的抗拉强度 332.364MPa， 5183 焊丝制备所得铝合金接头抗拉强度为 316.179 MPa ； 5183-5 焊丝制备所得铝合金接头的屈服强度为 183.661 MPa， 5183 焊丝制备所得铝合金接头的屈服强度 176.136 MPa，抗背弯强度和抗面弯强度 5183 焊丝制备所得铝合金接头比 5183 焊丝制备所得铝合金接头分别提高 45%、 73%。说明书 CN 102974955 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说明书附图 CN 102974955 A 6 2/2 页 7 图 3 说明书附图 CN 102974955 A 7 。

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