專利名稱：一種高強低熱裂鋁銅系合金焊絲及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接材料領(lǐng)域，具體為一種高強低熱裂鋁銅系合金焊絲及其制備方法和應(yīng)用，主要用于熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)和交流鎢極氬弧焊(TIG)，焊接鋁銅系高強鋁合金。
背景技術(shù)：
鋁銅系合金屬于析出強化型合金，可熱處理強化，具有很高的室溫強度及良好的高溫和超低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天及其它軍民用運載工具，如航天飛機和運載火箭的貯藏液氫和液氧的燃料油箱，超音速飛機和汽車的結(jié)構(gòu)件以及輕型戰(zhàn)車的裝甲等。最近研制的榴彈炮炮架也大量采用了新型鋁銅合金材料。目前常用于鋁合金連接的主要焊接方法有MIG焊和TIG焊。由于鋁銅合金屬于共晶型合金，熔化焊時焊縫金屬主要由枝晶和沿晶界分布的低熔共晶組織組成，因此焊縫金屬易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，且塑性較差，對應(yīng)力集中敏感，拉伸實驗時往往斷在焊縫部位。焊接接頭強度僅能達(dá)到焊前母材強度的50％～60％左右，這些都嚴(yán)重制約了鋁銅合金在工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用。由于焊縫金屬的組織和性能取決于所焊母材和所采用的焊接材料的化學(xué)成分，其中焊接材料的影響最顯著，因此焊接材料的化學(xué)成分直接影響了焊縫金屬的組織和性能。目前針對高強鋁銅系合金焊接的焊絲主要有國外生產(chǎn)的ER2319商品化焊絲和國內(nèi)國標(biāo)GB/T10858-1989制定的SAlCu焊絲。它們的化學(xué)成分范圍如下(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，F(xiàn)e≤0.30，Al余量。該種焊絲的焊縫組織由枝晶和沿晶界分布的粗大共晶組成，焊縫金屬的強度較低，用其焊接2219和2519高強鋁銅合金時，焊接接頭的強度只能達(dá)到母材的55％～60％左右，且弧坑裂紋較為嚴(yán)重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于焊接高強低熱裂鋁銅系合金的焊絲材料及其制備方法和應(yīng)用，由其得到的焊縫金屬具有高的強度、塑性和抗裂性能。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種高強低熱裂鋁銅系合金焊絲，焊絲的主要化學(xué)成分(重量百分比％)為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，F(xiàn)e≤0.15，Al余量。
所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，包括如下步驟1)用石墨坩堝在井式電爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750～760℃；2)用精煉除渣劑精煉，用六氯乙烷除渣脫氫，精煉后于720-740℃將合金溶液澆入預(yù)熱的鐵模中形成鑄錠；3)鑄錠經(jīng)535℃，16小時的均勻化處理后，進(jìn)行扒皮和擠壓形成盤條，然后經(jīng)過多道次拉拔和機械刮削加工成焊絲，最后再經(jīng)過超聲清洗和化學(xué)拋光制成成品焊絲。
所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V中間合金以及純Ag和高純Al配制合金。
所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，合金中Ti、Zr元素的添加，是采用K2TiF4和K2ZrF4鹽類與鋁液反應(yīng)的形式加入的。
所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的應(yīng)用，該焊絲適合于熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)和交流鎢極氬弧焊(TIG)，焊接鋁銅系高強鋁合金。
本發(fā)明焊絲化學(xué)成分的設(shè)計依據(jù)敘述如下鋁合金焊縫金屬的晶體類型宏觀上講包括柱狀晶和等軸晶兩種，其顯微組織是以α(Al)為基體在晶界分布有α(Al)-θ(CuAl2)共晶。粗大的、方向性很強的柱狀晶嚴(yán)重降低了焊縫金屬的力學(xué)性能和抗裂性能。等軸晶與柱狀晶相比，晶粒明顯細(xì)化，同時晶粒間結(jié)合緊密，沒有方向性。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，焊縫的晶粒組織越細(xì)小，焊縫的強度越高。細(xì)化晶粒在提高焊縫金屬強度的同時，還能改善焊縫的塑性，因為細(xì)小的晶?？梢允棺冃胃鶆?，因應(yīng)力集中引起開裂的機會更少，所以在斷裂前能夠承受較大的變形量，而得到高的塑性。如何使鋁合金焊縫金屬獲得等軸晶組織，提高焊縫金屬的強度和塑性，降低焊縫的熱裂紋傾向是本發(fā)明的主要目的，為此本發(fā)明焊絲的化學(xué)成分主要是根據(jù)合金元素對焊縫金屬組織和性能的影響來設(shè)計的。Ti、Zr、V作為晶粒細(xì)化元素，在焊縫金屬中分別與Al形成TiAl3、ZrAl3、VAl7等高熔點金屬間化合物，這些析出相在焊縫金屬的凝固過程中，作為非均質(zhì)形核的核心，促進(jìn)了等軸晶的形成。銅在鋁銅系合金焊絲中作為主要的強化元素，在焊縫金屬凝固和時效時，從α(Al)固溶體中析出強化相(CuAl2)，起析出強化作用。焊絲中加入金屬Mn，一方面在α(Al)基體內(nèi)形成彌散狀分布的TMn相，提高焊縫金屬的強度，另一方面Mn富集在α(Al)的晶界附近，強烈地抑制晶界的擴散，促使晶界處的低熔共晶彌散分布，提高焊縫的抗裂性能。加入金屬Ag主要是提高焊縫金屬的時效強化能力和抗應(yīng)力腐蝕性能。焊絲中的Si、Fe作為雜質(zhì)元素，降低焊縫金屬的強度和塑性，增大裂紋傾向，所以應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)本發(fā)明焊絲的焊縫金屬不僅強度高、塑性好，而且具有優(yōu)異的抗熱裂紋開裂的能力。
2)本發(fā)明焊絲的焊縫金屬具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。
3)本發(fā)明焊絲焊接時飛濺小、熔深大，焊前無需預(yù)熱，適合于中厚板鋁銅合金的焊接。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
根據(jù)本發(fā)明焊絲的化學(xué)成分范圍，對三種不同成分含量的焊絲進(jìn)行了加工和制備，制備工藝流程如下采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V等中間合金以及純Ag和高純Al配制合金，用石墨坩堝在井式電爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750～760℃；合金中Ti、Zr元素的添加，是采用K2TiF4和K2ZrF4等鹽類與鋁液反應(yīng)的形式加入的；用精煉除渣劑精煉，用六氯乙烷除渣脫氫；精煉后于720℃將合金溶液澆入預(yù)熱的鐵模中形成鑄錠，鐵模的預(yù)熱溫度為200℃。鑄錠經(jīng)535℃，16小時的均勻化處理后，進(jìn)行扒皮和擠壓形成直徑φ8mm的盤條，然后經(jīng)過多道次拉拔和機械刮削加工成直徑為φ1.2mm和φ1.6mm焊絲，最后再經(jīng)過超聲清洗和化學(xué)拋光制成成品焊絲。采用上述工藝方法制備的焊絲具有焊接工藝性能好，焊縫氣孔敏感性小的特點。采用本發(fā)明的三種焊絲和對比焊絲ER2319用MIG焊方法，焊接厚度為20mm的2219和2519母材。焊絲和母材的化學(xué)成分如表1所示，焊接接頭的力學(xué)性能如表2所示。
表1實施例焊絲、對比焊絲及母材的化學(xué)成分(重量百分比％)

表2實施例焊絲與對比焊絲焊接接頭的力學(xué)性能

由此可見，本發(fā)明焊絲焊接接頭的力學(xué)性能明顯優(yōu)于對比焊絲ER2319。同時采用本發(fā)明焊絲焊接高強鋁銅合金時，不產(chǎn)生弧坑裂紋，而用ER2319焊接時弧坑處有網(wǎng)狀的裂紋出現(xiàn)，因此本發(fā)明焊絲的抗裂性能也優(yōu)于對比焊絲ER2319。
權(quán)利要求
1.一種高強低熱裂鋁銅系合金焊絲，其特征在于按重量百分比計，它的主要化學(xué)成分為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，F(xiàn)e≤0.15，Al余量。
2.按照權(quán)利要求1所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)用石墨坩堝在井式電爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750～760℃；2)用精煉除渣劑精煉，用六氯乙烷除渣脫氫，精煉后于720-740℃將合金溶液澆入預(yù)熱的鐵模中形成鑄錠；3)鑄錠經(jīng)535℃，16小時的均勻化處理后，進(jìn)行扒皮和擠壓形成盤條，然后經(jīng)過多道次拉拔和機械刮削加工成焊絲，最后再經(jīng)過超聲清洗和化學(xué)拋光制成成品焊絲。
3.按照權(quán)利要求2所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，其特征在于采用Al-Cu、Al-Mn、Al-V中間合金以及純Ag和高純Al配制合金。
4.按照權(quán)利要求2所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的制備方法，其特征在于合金中Ti、Zr元素的添加，采用K2TiF4和K2ZrF4鹽類與鋁液反應(yīng)的形式加入。
5.按照權(quán)利要求1所述高強低熱裂鋁銅系合金焊絲的應(yīng)用，其特征在于該焊絲適合于熔化極氣體保護(hù)焊和交流鎢極氬弧焊，焊接鋁銅系高強鋁合金。
全文摘要
一種高強低熱裂鋁銅系合金焊絲，主要用于熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)和交流鎢極氬弧焊(TIG)，焊接鋁銅系高強鋁合金，其主要化學(xué)成分(重量百分比％)為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，F(xiàn)e≤0.15，Al余量。其制備方法是用石墨坩堝在井式電爐中進(jìn)行熔煉，用精煉除渣劑精煉，用六氯乙烷除渣脫氫，鑄錠經(jīng)均勻化處理后，進(jìn)行扒皮和擠壓形成盤條，然后經(jīng)過拉拔和刮削加工成焊絲，最后再經(jīng)過超聲清洗和化學(xué)拋光制成成品焊絲。由本發(fā)明焊絲焊接鋁銅合金所得到的焊縫金屬具有高的強度、塑性和抗裂性能。
文檔編號B23K9/16GK1785580SQ20041008289
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者國旭明, 楊成剛, 錢百年 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所