一种稀土元素增强的铝合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金焊丝技术领域，特别涉及一种稀土元素增强的铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术

铝合金整体的焊接性能均较差，尤以7000系合金为甚。铝合金焊缝多为粗大柱状晶或枝晶组织，晶间往往存在连续的低熔点脆性共晶物，导致焊缝强度较低，甚至不足母材50%，裂纹倾向较大，耐腐蚀性能低等缺点，焊接问题制约着铝合金的应用。而铝合金焊丝是焊接必须的填充材料，是决定焊接质量的关键因素之一。目前7000系铝合金焊接通常选用5000系铝合金制成的焊丝，如ER5356、ER5183等牌号，焊丝与母材的成分差别较大，且焊丝材料本身与母材的力学性能差别亦较大，造成7000系铝合金焊缝的力学性能与母材相比降低很多，通常7000系铝合金焊缝抗拉强度仅为母材的50～60%，造成焊缝成为7000系铝合金焊接构件的薄弱区域，限制了7000系铝合金焊接构件的应用场景。且因为5000系焊丝化学成分与7000系铝合金差别较大，其焊缝存在较强的热裂纹倾向，这也限制铝7000系铝合金焊接构件的应用。

发明专利CN109955003B公开了一种含银（Ag）与稀土元素钇（Y）的铝合金焊丝材料及其制备方法。该专利采用粉末冶金的方法制备铝合金焊丝棒料，再通过挤压、拉拔、退火等工艺制成焊丝成品，但该专利所使添加的银与钇元素价格较高，且工艺成本也较高。

研究结果表明，稀土元素镧（La）、铈（Ce）在铝合金体系中可形成一类金属间化合物，如Al

发明内容

针对7000系铝合金材料焊接中存在焊接性能低的问题，本发明提供一种稀土元素增强的铝合金焊丝及其制备方法，通过添加适量低值稀土元素镧、铈改善焊缝性能，以达到提高7000系铝合金焊接系数的目的，并以短流程连铸连拉工艺制备焊丝圆杆坯料，较传统工艺减少了均匀化处理、热挤压等工序，有效控制焊丝制备成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种稀土元素增强的铝合金焊丝，其化学成分及各化学成分的质量百分数为：Mg4.0%～6.0%、Zn 0.6%～3.0%、Mn 0.3%～1.5%、Cr 0.1%～0.4%、Ti 0.05%～0.3%、Zr 0.05%～0.3%、La 0.05%～0.4%、Ce 0.05%～0.4%、Mo 0.05%～0.3%、V 0.05%～0.3%、Be 0.0001%～0.002%、Fe≤0.1%、Si≤0.1%，其他单个杂质元素含量≤0.05%，其他杂质元素总含量≤0.15%，余量为铝。

优选的，所述的稀土元素增强的铝合金焊丝其各组成元素的纯度均≥99.9%。

优选的，所述的稀土元素增强的铝合金焊丝，其化学成分及各化学成分的质量百分数为：Mg 4.5%～5.5%、Zn 0.8%～2.0%、Mn 0.6%～1.2%、Cr 0.2%～0.3%、Ti 0.1%～0.2%、Zr 0.1%～0.2%、La 0.15%～0.25%、Ce 0.15%～0.25%、Mo 0.08%～0.15%、V 0.08%～0.15%、Be 0.0001%～0.001%、Fe≤0.1%、Si≤0.1%，其他单个杂质元素含量≤0.03%，其他杂质元素总含量≤0.12%，余量为铝。

同时，本发明还提供了所述的稀土元素增强的铝合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铝锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金、铝钒中间合金、铝镧中间合金、铝铈中间合金装入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为700～760℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ；

（2）向熔体Ⅰ中依次加入铝铍中间合金、锌锭、镁锭进行熔炼，炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ；

（3）对熔体Ⅱ进行炉前成分检测，成分合格后向熔体Ⅱ通入氩气进行精炼处理，得到精炼后的熔体Ⅲ；

（4）精炼结束后扒渣，静置15～20 min，随后将熔体Ⅲ缓慢流入保温炉中进行水平连铸连拉制成直径8～10mm的圆杆，铸造出圆杆由保温炉前的收线机收集成卷，得到线材Ⅰ；

（5）将线材Ⅰ在常温下进行拉拔粗加工，期间每进行2～4次拉拔，需对线材进行一次中间退火，拉拔粗加工至线材直径为1.39～1.51mm后进行最终退火，得到线材Ⅱ；

（6）将线材Ⅱ进行剥皮与定径加工得到直径为1.18～1.21mm的线材，清洗去除表面油污并烘干表面水分后得到焊丝材料。

本发明通过合理设计铝合金焊丝成分，适量添加稀土元素镧、铈，改善7000系铝合金焊接系数较低，焊缝热裂纹倾向较高等问题，提高7000系铝合金的焊接性能。

稀土元素镧（La）、铈（Ce）在铝合金体系中可形成一类金属间化合物，如Al

优选的，步骤（2）的熔炼温度为710～740℃，可以使合金中的高熔点金属元素铬、钛、锰、钼、钒，及稀土元素镧、铈充分熔化并分散至熔体各个部位，使合金熔体达到充分的均匀，同时保证镁元素较低的烧损率。

优选的，步骤（3）的精炼温度为710～740℃，精炼时间为15～30分钟，氩气为99.99%的高纯度氩气，保证熔体内部的氧化物夹杂与其他杂质能够最大限度的去除。

优选的，步骤（4）的保温炉内熔体温度设置为670～690℃，圆杆的铸造速度为250～400mm/min。

优选的，步骤（5）的中间退火与最终退火温度均设置为360～440℃，保温2.5～4小时，因添加稀土元素后材料的强度较高，故需要提高退火温度以达到软化线材与目的，有利于后续拉拔工艺的进行。

优选的，步骤（6）的剥皮加工道次为2道次，第一道次剥皮后线材直径减小0.03mm，第二道次剥皮后线材直径减小0.02mm。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1.本发明的通过增加稀土元素镧、铈以增强的铝合金焊丝，稀土元素镧和铈具有细化7000系铝合金焊缝区域组织结构的作用，提高焊缝区力学性能，提高焊接系数，降低焊缝热裂纹倾向。

2.本发明采用连铸连拉工艺制备焊丝圆杆坯料，可直接进行拉拔加工处理，缩短了焊丝制备工艺流程，有利于控制焊丝成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种稀土元素增强的铝合金焊丝，其化学成分及各化学成分的质量百分数为：Mg5.1%、Zn 1.2%、Mn 0.8%、Cr 0.22%、Ti 0.11%、Zr 0.12%、La 0.21%、Ce 0.24%、Mo 0.10%、V0.13%、Be 0.0003%、Fe 0.08%、Si 0.05%，其他单个杂质元素含量≤0.03%，其他杂质元素总含量≤0.12%，余量为铝。

所述的稀土元素增强的铝合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：

（1）按化学成分配比计算各原料用量并称量；

（2）将铝锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金、铝钒中间合金、铝镧中间合金、铝铈中间合金装入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为700℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ；

（3）向熔体Ⅰ中依次加入铝铍中间合金、锌锭、镁锭进行熔炼，熔炼温度为710℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ；

（4）对熔体Ⅱ进行炉前成分检测，成分合格后向熔体Ⅱ通入高纯氩气进行精炼处理，得到精炼后的熔体Ⅲ；精炼温度设置为710℃，精炼时间为15分钟，氩气为99.99%的高纯度氩气；

（5）精炼结束后扒渣，静置15min，随后将熔体Ⅲ缓慢流入保温炉中进行水平连铸连拉制成直径8mm的圆杆，保温炉温度保持在670℃，圆杆的铸造速度为250mm/分钟，铸造出圆杆由保温炉前的收线机收集成卷，得到线材Ⅰ；

（6）将圆杆线材Ⅰ在常温下进行拉拔粗加工，拉拔所经历的模具直径与工艺过程为：Ф6.5、Ф5.0、400℃中间退火3.5小时、Ф4.0、Ф3.5、400℃中间退火3小时、Ф3.0、Ф2.7、Ф2.4、400℃中间退火3小时、Ф2.1Ф、Ф1.95、Ф1.80、400℃中间退火3小时、Ф1.65、Ф1.51、Ф1.39、400℃最终退火2.5小时，得到Ф1.39的线材Ⅱ；

（7）将线材Ⅱ进行剥皮与定径加工得到直径为1.18~1.21mm的线材，所经历的模具直径为Ф1.27、Ф1.24（剥皮）、Ф1.22（剥皮）、Ф1.20，将线材经清洗去除表面油污并烘干表面水分后得到Ф1.20的焊丝材料。

实施例2

一种稀土元素增强的铝合金焊丝，其化学成分及各化学成分的质量百分数为：Mg4.9%、Zn 0.8%、Mn 0.6%、Cr 0.20%、Ti 0.12%、Zr 0.11%、La 0.22%、Ce 0.20%、Mo 0.11%、V0.11%、Be 0.0003%、Fe 0.08%、Si 0.05%，其他单个杂质元素含量≤0.03%，其他杂质元素总含量≤0.12%，余量为铝。

其制备方法，包括以下步骤：

（1）按化学成分配比计算各原料用量并称量；

（2）将铝锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金、铝钒中间合金、铝镧中间合金、铝铈中间合金装入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为730℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ；

（3）向熔体Ⅰ中依次加入铝铍中间合金、锌锭、镁锭进行熔炼，熔炼温度为720℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ；

（4）对熔体Ⅱ进行炉前成分检测，成分合格后向熔体Ⅱ通入高纯氩气进行精炼处理，得到精炼后的熔体Ⅲ；精炼温度设置为720℃，精炼时间为20分钟，氩气为99.99%的高纯度氩气。

（5）精炼结束后扒渣，静置15-20 min，随后将熔体Ⅲ缓慢流入保温炉中进行水平连铸连拉制成直径9mm的圆杆，保温炉温度保持在680℃，圆杆的铸造速度为300mm/分钟，铸造出圆杆由保温炉前的收线机收集成卷，得到线材Ⅰ；

（6）将圆杆线材Ⅰ在常温下进行拉拔粗加工，拉拔所经历的模具直径与工艺过程为：Ф6.5、Ф5.0、400℃中间退火4小时、Ф4.0、Ф3.5、Ф3.0、400℃中间退火3小时、Ф2.7、Ф2.4、Ф2.1Ф、Ф1.95、400℃中间退火3小时、Ф1.80、Ф1.65、Ф1.51、Ф1.39、400℃最终退火2.5小时，得到Ф1.39的线材Ⅱ；

（7）将线材Ⅱ进行剥皮与定径加工得到直径为1.18~1.21mm的线材，所经历的模具直径为Ф1.27、Ф1.24（剥皮）、Ф1.22（剥皮）、Ф1.20，将线材经清洗去除表面油污并烘干表面水分后得到Ф1.20的焊丝材料。

实施例3

一种稀土元素增强的铝合金焊丝，其化学成分及各化学成分的质量百分数为：Mg5.3%、Zn 1.8%、Mn 1.0%、Cr 0.25%、Ti 0.15%、Zr 0.14%、La 0.24%、Ce 0.23%、Mo 0.13%、V0.09%、Be 0.0003%、Fe 0.06%、Si 0.04%，其他单个杂质元素含量≤0.03%，其他杂质元素总含量≤0.12%，余量为铝。

其制备方法，包括以下步骤：

（1）按化学成分配比计算各原料用量并称量；

（2）将铝锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钼中间合金、铝钒中间合金、铝镧中间合金、铝铈中间合金装入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为760℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅰ；

（3）向熔体Ⅰ中依次加入铝铍中间合金、锌锭、镁锭进行熔炼，熔炼温度为740℃，炉料完全熔化后得到熔体Ⅱ；

（4）对熔体Ⅱ进行炉前成分检测，成分合格后向熔体Ⅱ通入高纯氩气进行精炼处理，得到精炼后的熔体Ⅲ；精炼温度设置为740℃，精炼时间为30分钟，氩气为99.99%的高纯度氩气；

（5）精炼结束后扒渣，静置15-20 min，随后将熔体Ⅲ缓慢流入保温炉中进行水平连铸连拉制成直径10mm的圆杆，保温炉温度保持在690℃，圆杆的铸造速度为400mm/分钟，铸造出圆杆由保温炉前的收线机收集成卷，得到线材Ⅰ；

（6）将圆杆线材Ⅰ在常温下进行拉拔粗加工，拉拔所经历的模具直径与工艺过程为：Ф6.5、Ф5.0、420℃中间退火3小时、Ф4.0、Ф3.5、420℃中间退火3小时、Ф3.0、Ф2.7、Ф2.4、420℃中间退火3小时、Ф2.1Ф、Ф1.95、Ф1.80、Ф1.65、420℃中间退火3小时、Ф1.51、Ф1.39、400℃最终退火2.5小时，得到Ф1.39的线材Ⅱ；

（7）将线材Ⅱ进行剥皮与定径加工得到直径为1.18~1.21mm的线材，所经历的模具直径为Ф1.27、Ф1.24（剥皮）、Ф1.22（剥皮）、Ф1.20，将线材经清洗去除表面油污并烘干表面水分后得到Ф1.20的焊丝材料。

对比实施例1

采用商用SAl5356铝合金焊丝作为对比实例，该焊丝符合GBT 10858-2008标准中SAl5356牌号要求，直径为Ф1.20mm，其主要化学成分质量百分数为：Mg 5.2%、Zn 0.10%、Mn0.15%、Cr 0.20%、Cu 0.10%、Ti 0.16%、Be 0.0003%、Si 0.21%、Fe 0.30%，其他单个杂质元素含量≤0.05%，其他杂质元素总含量≤0.15%，余量为铝。

对比实施例2

采用商用SAl5083铝合金焊丝作为对比实例，该焊丝符合GBT 10858-2008标准中SAl5087牌号要求，直径为Ф1.20mm，其主要化学成分质量百分数为：Mg 4.8%、Zn 0.25%、Mn0.9%、Cr 0.20%、Cu 0.04%、Ti 0.13%、Zr 0.15%、Be 0.0003%、Si 0.20%、Fe 0.30%，其他单个杂质元素含量≤0.05%，其他杂质元素总含量≤0.15%，余量为铝。

性能测试

对上述实施例1～2制备的稀土元素增强的铝合金焊丝和对比实施例1～2进行如下测试：

1、焊接测试

使用实施例1～2制备的稀土元素增强的铝合金焊丝和对比实施例1～2用于5083、7075铝合金板材焊接，随后对焊缝进行力学性能测试，考察各焊丝焊接后焊缝的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率。结果如表1和表2所示。

表1 5083铝合金板材焊缝力学性能

表2 7075铝合金板材焊缝力学性能

由表1、2可以看出，本发明实例1、2对5083与7075铝合金的焊接性能优于SAl5356与SAl5087。根据以上分析，可以得到：本发明的一种稀土元素增强的铝合金焊丝可提高5000系与7000系铝合金焊缝力学性能，具有较高的焊接系数。

再用实施例3对5083、7075铝合金进行焊接，得到的效果与实施例1～2得到的效果相近，说明本发明配方及方法得到一种稀土元素增强的铝合金焊丝具有良好的重现性。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。