一种无裂纹铝合金药芯焊丝及其制备方法与应用

1.本发明属于焊接材料相关技术领域，更具体地，涉及一种无裂纹铝合金药芯焊丝及其制备方法与应用。


背景技术：

2.2系高强铝合金具有高的比强度、比刚度、较好的抗应力腐蚀性、较高的断裂韧性和优良加工性能等优点，被广泛地应用于航空航天、兵器装备和交通运输等领域，特别是在航空航天领域中占有非常重要的地位，是该领域最重要的结构材料之一。虽然这类高强铝合金具有较高的比强度，但是其焊接性能较差，熔焊过程中极易出现凝固裂纹，严重损害其力学性能而限制其工业应用。作为一种固相焊接技术，搅拌摩擦焊接技术由于焊接过程中母材不会熔化因而不会产生粗大晶粒组织、凝固裂纹缺陷，同时接头强度一般达母材强度75％以上，已成功应用于焊接这类高强铝合金。但是搅拌摩擦焊接需要相对较大的顶锻压力和向前的驱动力，设备相对复杂笨重，尤其对于复杂焊缝难以设置，从而阻碍了其在这类高强铝合金中的广泛应用。因此，熔化焊接仍然是这类高强铝合金的主要焊接方式，但如何实现凝固裂纹缺陷抑制面临严峻的挑战。
3.通过添加焊接材料改变焊缝的化学成分是解决高强铝合金凝固裂纹缺陷的常用方法。目前应用的2系铝合金焊丝，主要有er2319(al-cu)焊丝和er4043(al-si)焊丝，采用er2319焊丝虽然接头强度较高，但其有热裂倾向，无法满足航空航天领域的使用要求。er4043焊丝由于其铸造性能比较好、制丝过程比较容易，在焊接过程中易形成大量低熔点共晶物，利用其“愈合作用”降低凝固裂纹倾向，因而在实际生产过程中广泛应用，但其获得接头强度不高，难以满足对性能要求较高领域的使用需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无裂纹铝合金药芯焊丝及其制备方法与应用，其通过向α-al铝基体中加入异质形核粒子与增强相，组成铝基复合材料，使得焊缝金属晶粒细化，具有高的抗热裂性能、硬度及拉伸强度。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无裂纹铝合金药芯焊丝，所述焊丝包括管及填充于所述管内的药粉，所述药粉包括以下质量份数的组分：4～6.8份cu、0.8～1.2份mg、0.1～0.6份mn、0.05～0.4份cr、0.2～0.5份ti、0.1～0.25份zr、2～4份复合材料，大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、1～2份tic，余量为al粉；其中，所述复合材料为氧化锆与碳纳米管的混合物。
6.进一步地，所述氧化锆与所述碳纳米管的质量比为(3～5):2。
7.进一步地，所述氧化锆为钇稳定氧化锆粉末，比表面积为5m2/g，密度为6g/cm3，纯度大于99.9％，粒径为30μm～50μm。
8.进一步地，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，外径为30nm～50nm，内径为5nm～12nm，长度为10μm～15μm，比表面积为250m2/g，密度为0.01g/cm3，纯度大于99％，粒径小于25μm。
9.进一步地，所述药粉包括以下份数的组分：6.8份cu、1份mg、0.4份mn、0.2份cr、0.4份ti、0.2份zr、3份复合材料、大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、2份纳米tic，余量为al粉。
10.进一步地，所述管的壁厚为0.5mm～0.8mm、宽度为14mm～16mm的1060纯铝带制备而成。
11.进一步地，所述焊丝的填充率为45％～60％，填充率为药粉质量与药粉、铝带质量之和的比值。
12.进一步地，铜、镁、铬、锰、钛、锆的粒径均为50μm～125μm，纳米碳化钛的平均粒径为40nm。
13.本发明还提供了一种无裂纹铝合金药芯焊丝的制备方法，所述制备方法是用于制备如上所述的无裂纹铝合金药芯焊丝。
14.本发明还提供了一种如上所述的无裂纹铝合金药芯焊丝在焊接中的应用。
15.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的无裂纹铝合金药芯焊丝及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
16.1.本发明提供的焊丝通过灵活添加药粉并原位合金化，钇稳定氧化锆和纳米碳化钛的加入可作为形核核心以促使α-al生成细小等轴晶，由于细小等轴晶粒更易协调晶粒之间的变形从而抑制凝固裂纹，同时细小等轴晶组织具有较高强度；另外，碳纳米管有助于将2xxx铝合金焊缝中的孔隙减少一个数量级，促使析出相增加，增加位错密度，为位错强化提供基础，同时碳纳米管能够与周围铝基体紧密结合，改善载荷的传递过程，多壁碳纳米管的加入且弥散分布可进一步提升其对应的接头强度。
17.2.本发明解决了2系高强铝合金容易出现热裂纹、接头软化和接头强度低的问题，采用本焊丝焊接2系铝合金，焊缝的热稳定性和焊缝强度得到了显著提升，部分焊缝强度可接近固相搅拌摩擦焊接所获得的接头强度。
18.3.焊丝可以做成直径1.2mm的，用于气体保护焊或激光电弧复合焊，亦可以制作成直径3.6mm的，适用于大电流焊接，生产效率进一步提高。
19.4.焊丝可以是任意长度的，亦可层绕成盘，适用于连续自动化焊接，除了用于气体保护焊接外，还可用于激光填丝焊、激光电弧复合焊等多种焊接方法。
20.5.焊丝为其他难以焊接的材料体系，如镍基高温合金、异种金属焊接提供了一种新思路，并有望提高不同材料间的焊接，可用于进行增材制造，制备大型复杂构件。
附图说明
21.图1是本发明实施例1提供的熔敷金属扫描电镜组织图；
22.图2是本发明对比例1提供的熔敷金属扫描电镜组织图；
23.图3是本发明对比例2提供的熔敷金属扫描电镜组织图。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.本发明提供了一种无裂纹铝合金药芯焊丝，所述焊丝包括管及填充于所述管内的药粉，所述药粉包括以下质量份数的组分：4～6.8份cu、0.8～1.2份mg、0.1～0.6份mn、0.05～0.4份cr、0.2～0.5份ti、0.1～0.25份zr、2～4份复合材料，大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、1～2份tic，余量为al粉；其中，所述复合材料为氧化锆与碳纳米管的混合物。
26.本实施方式中，所述氧化锆与碳纳米管的质量比为(3～5):2，采用球磨法制备。所述氧化锆为钇稳定氧化锆粉末，比表面积为5m2/g，密度为6g/cm3，纯度大于99.9％，粒径为30μm～50μm。
27.所述碳纳米管为多壁碳纳米管，外径为30nm～50nm，内径为5nm～12nm，长度为10μm～15μm，比表面积为250m2/g，密度为0.01g/cm3，纯度大于99％，粒径小于25μm。
28.复合材料的球磨条件为：采用干磨工艺，磨球为二氧化锆(与被磨材料同质，避免杂质混入)，球料比为6:1-8:1，球磨时间为2～3小时，转速为800转/分钟～1000转/分钟；控制球料比、球磨时间和转速，使球磨后的多壁碳纳米管牢牢黏附在钇稳定氧化锆陶瓷颗粒表面，球磨后材料的粒径为5μm～8μm。
29.在一个实施方式中，所述药粉包括以下份数的组分：6.8份cu、1份mg、0.4份mn、0.2份cr、0.4份ti、0.2份zr、3份复合材料、大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、2份纳米tic，余量为al粉。
30.所述管的壁厚为0.5mm～0.8mm、宽度为14mm～16mm的1060纯铝带制备。所述焊丝的填充率为45％～60％(填充率为药粉质量与药粉、铝带质量之和的比值)。
31.所述铜粉以质量百分比计cu含量不小于99.9％，镁粉以质量百分比计mg含量不小于99.9％，铬粉以质量百分比计cr含量不小于99.5％，锰粉以质量百分比计mn含量不小于99.8％，钛粉以质量百分比计ti含量不小于99.6％，锆粉以质量百分比计zr含量不小于99.9％，钇稳定氧化锆的成分以质量百分比计不小于99.9％，zro2含量不小于99.9％；多壁碳纳米管的成分以质量百分比计，纯度不小于99％；纳米碳化钛的成分以质量百分比计tic含量不小于99.9％。
32.本实施方式的合金粉末而言，优选所述铜粉，镁粉，金属铬粉，锰粉，钛粉，锆粉粒径均为50μm～125μm，钇稳定氧化锆粒径为30μm～50μm，多壁碳纳米管的粒径小于25μm，纳米碳化钛的平均粒径为40nm。
33.本发明还提供了一种无裂纹铝合金药芯焊丝的制备方法，所述方法包括以下步骤：
34.s1，将钇稳定氧化锆、多壁碳纳米管按药粉配方称量后进行干法球磨得到复合材料；按药粉配方的配比称量组分并加入所述复合材料后进行混合以得到所述药粉。其中，采用混粉机混粉30分钟～60分钟以得到药粉。
35.所述药粉包括以下质量份数的组分：4～6.8份cu、0.8～1.2份mg、0.1～0.6份mn、0.05～0.4份cr、0.2～0.5份ti、0.1～0.25份zr、2～4份复合材料，大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、1～2份tic，余量为al粉；其中，所述复合材料为氧化锆与碳纳米管的混合物，二者的质量比为3-5:2，钇稳定氧化锆的粒径为30μm～50μm，多壁碳纳米管的粒径小于25μm，纳米碳化钛的平均粒径为40nm，其他粉末的粒径为50μm～125μm。
36.s2，将宽14mm～16mm、0.5mm～0.8mm厚的1060纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，然后用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述铝带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤s1制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为45％～60％。
37.s3，将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式(搭接部分的宽度为1mm～2mm，由现有药芯焊丝生产设备的成型辊保证)；通过拉丝模，经过15～25道次拉拔减径，每道次在250℃～400℃下进行30分钟退火，最后使其直径达到0.8mm～2.4mm。
38.s4，将所得的药芯焊丝层绕成盘，即得一种新型无裂纹高强度铝合金药芯焊丝。
39.采用以上所述的焊丝进行焊接时，推荐采用激光摆动-电弧复合焊接工艺，具体焊接工艺为：激光功率为5000w～10000w，焊接速度为20mm/s～40mm/s，振幅为1.5mm～2.5mm，摆动频率为150hz～250hz，离焦量为0mm，光丝间距为4mm～6mm，焊丝干伸长为14mm～22mm，焊接电流为175a～300a；电压为24v～38v；气体流量为15l/min～25l/min，焊丝干伸长为16mm。焊丝的工艺性能好，电弧稳定、飞溅少，抗裂性能好。
40.以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明，以下实施例中，复合材料的制备方法为：以钇稳定氧化锆、多壁碳纳米管为原料，采用干磨工艺，磨球为二氧化锆，球料比为8:1-10:1，球磨时间为2小时～3小时，转速为800转/分钟～1000转/分钟，球磨后材料的粒径为5μm～8μm。
41.实施例1
42.本发明实施例1提供的一种无裂纹铝合金药芯焊丝，该焊丝主要包括以下步骤：
43.s1：按照药粉配方配以下质量份数的组分：6.8份cu，1.0份mg，0.4份mn，0.2份cr，0.4份ti，0.2份zr，3份复合材料，大于0份且小于0.1份si，大于0份且小于0.1份fe，2份纳米tic，余量为al粉；采用3moly2o3稳定氧化锆，粒径为30μm～50μm，多壁碳纳米管的粒径小于25μm，纳米碳化钛粉的平均粒径为40nm，其他粉末的粒径为50μm～125μm。
44.s2：将宽15mm、0.5mm厚的1060纯铝带用刮刀清除上表面氧化膜，然后用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述铝带轧制成u形，再向u形糟中加入步骤s1制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为60％。
45.s3：将u形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式(搭接部分的宽度为1.5mm，由现有药芯焊丝生产设备的成型辊保证)；通过拉丝模，经过20道次拉拔减径，每道次在250℃～400℃下进行30分钟退火，最后使其直径达到1.2mm。
46.s4：将步骤s3所得的药芯焊丝层绕成盘，即得新型无裂纹高强度铝合金药芯焊丝成品。
47.上述新型无裂纹高强度铝合金药芯焊丝采用激光摆动-电弧复合焊接工艺，焊接母材为8mm厚的2024-t4态铝合金。具体焊接工艺为：激光功率为5000w，焊接速度为20mm/s，振幅为2.5mm，摆动频率为250hz，光斑直径为0.1mm，离焦量为0mm，光丝间距为4mm，焊丝干伸长为16mm，焊接电流为175a；电压为24v；气体流量为20l/min，焊丝干伸长为16mm。焊丝的工艺性能好，电弧稳定、飞溅少，焊后无凝固裂纹，如图1所示。焊缝显微硬度为155hv，接头抗拉强度为364mpa，接头强度系数为81％，与搅拌摩擦焊所获得的接头强度相当。
48.对比例1
49.采用市售er2319铝铜焊丝作为填充金属，焊丝包括以下质量分数的组分：5.8～6.8份cu，0.2～0.6份mn，0.2份si，0.3份fe，0.02份mg，0.1份zn，0.05～0.15份v，0.1～0.2
份ti，0.1～0.25份zr；焊丝的直径为1.2mm。
50.采用激光摆动-电弧复合焊接工艺，焊接母材为8mm厚的2024-t4态铝合金。具体焊接工艺为：激光功率为5000w，焊接速度为20mm/s，振幅为2.5mm，摆动频率为250hz，离焦量为0mm，光丝间距为4mm，焊丝干伸长为16mm，焊接电流为175a；电压为24v；气体流量为20l/min，焊丝干伸长为16mm。焊丝的工艺性能好，电弧稳定、飞溅少，焊后出现凝固裂纹，如图2所示。焊缝显微硬度为135hv，接头抗拉强度为320mpa，接头强度系数为71％。
51.实施例1与该对比例相比，一种新型无裂纹高强度铝合金药芯焊丝能够抑制2024高强铝合金焊接凝固裂纹，同时接头强度较er2319所获得接头强度提高了14％。
52.对比例2
53.采用市售er4043铝硅焊丝作为填充金属，焊丝包括以下质量份数的组分：4.5～6.0份si，0.8份fe，0.3份cu，0.05份mn，0.05份mg，0.1份zn及0.2份ti。焊丝的直径为1.2mm。
54.采用激光摆动-电弧复合焊接工艺，焊接母材为8mm厚的2024-t4态铝合金。具体焊接工艺为：激光功率为5000w，焊接速度为20mm/s，振幅为2.5mm，摆动频率为250hz，离焦量为0mm，光丝间距为4mm，焊丝干伸长为16mm，焊接电流为175a；电压为24v；气体流量为20l/min，焊丝干伸长为16mm。焊丝的工艺性能好，电弧稳定、飞溅少，焊后未出现凝固裂纹，如图3所示。焊缝显微硬度为120hv，接头抗拉强度为299mpa，接头强度系数为66％。
55.实施例1与该对比例相比，一种新型无裂纹高强度铝合金药芯焊丝所获得接头强度较er4043所获得接头强度提高了22％。
56.本发明还提供了一种如上所述的焊丝在焊接中的应用，具体可以为在航天航空器件焊接中的应用。
57.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝包括管及填充于所述管内的药粉，所述药粉包括以下质量份数的组分：4～6.8份cu、0.8～1.2份mg、0.1～0.6份mn、0.05～0.4份cr、0.2～0.5份ti、0.1～0.25份zr、2～4份复合材料，大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、1～2份tic，余量为al粉；其中，所述复合材料为氧化锆与碳纳米管的混合物。2.如权利要求1所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述氧化锆与所述碳纳米管的质量比为(3～5):2。3.如权利要求2所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述氧化锆为钇稳定氧化锆粉末，比表面积为5m2/g，密度为6g/cm3，纯度大于99.9％，粒径为30μm～50μm。4.如权利要求2所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管，外径为30nm～50nm，内径为5nm～12nm，长度为10μm～15μm，比表面积为250m2/g，密度为0.01g/cm3，纯度大于99％，粒径小于25μm。5.如权利要求1所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述药粉包括以下份数的组分：6.8份cu、1份mg、0.4份mn、0.2份cr、0.4份ti、0.2份zr、3份复合材料、大于0份且小于0.1份si、大于0份且小于0.1份fe、2份纳米tic，余量为al粉。6.如权利要求1-5任一项所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述管的壁厚为0.5mm～0.8mm、宽度为14mm～16mm的1060纯铝带制备而成。7.如权利要求1-5任一项所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝的填充率为45％～60％，填充率为药粉质量与药粉、铝带质量之和的比值。8.如权利要求1-5任一项所述的无裂纹铝合金药芯焊丝，其特征在于：铜、镁、铬、锰、钛、锆的粒径均为50μm～125μm，纳米碳化钛的平均粒径为40nm。9.一种无裂纹铝合金药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述制备方法是用于制备权利要求1-8任一项所述的无裂纹铝合金药芯焊丝。10.一种权利要求1-8任一项所述的无裂纹铝合金药芯焊丝在焊接中的应用。

技术总结
本发明属于焊接材料相关技术领域，其公开了一种无裂纹铝合金药芯焊丝及其制备方法与应用，所述焊丝包括管及填充于所述管内的药粉，所述药粉包括以下质量份数的组分：4～6.8份Cu、0.8～1.2份Mg、0.1～0.6份Mn、0.05～0.4份Cr、0.2～0.5份Ti、0.1～0.25份Zr、2～4份复合材料，大于0份且小于0.1份Si、大于0份且小于0.1份Fe、1～2份TiC，余量为Al粉；其中，所述复合材料为氧化锆与碳纳米管的混合物。本发明通过向α-Al铝基体中加入异质形核粒子与增强相，组成铝基复合材料，使得焊缝金属晶粒细化，具有高的抗热裂性能、硬度及拉伸强度。硬度及拉伸强度。硬度及拉伸强度。


技术研发人员：耿韶宁 靳军 蒋平 韩楚 任良原 熊锦鸿 刘畅
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/9