一种高强度铝合金焊接接头的制备方法
阅读：574发布：2023-03-03
专利汇可以提供一种高强度铝合金焊接接头的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高强度的 铝 合金 焊接 接头制备方法属于高强度 铝合金 加工技术领域。本 发明 采用Al?7.83Zn?2.87Mg?0.67Cu?0.50Mn?0.23Zr?0.14Er 母材 和Al?4.70Mg?0.70Mn?0.10Zr?0.30Er 焊丝 ，经全自动TIG填丝焊接和适当的焊后 热处理 ，微合金化元素Er、Zr形成的 纳米级 二次析出相在熔池中作为有效的形核核心，细化 焊缝 晶粒，在热影响区钉扎位错和亚 晶界 ，有效抑制热影响区再结晶，减少热影响区的 软化 。本技术制备出的焊接接头的具有高的 抗拉强度 、焊缝成形良好、无明显 缺陷 等特点，具有工业应用的潜 力 。，下面是一种高强度铝合金焊接接头的制备方法专利的具体信息内容。
一种高强度铝合金焊接接头的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于高强度铝合金加工技术领域，涉及Al-Zn-Mg-Cu型合金(中国国标中命名为7XXX系铝合金)的焊接，更具体地，涉及一种Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Zr-Er变形铝合金板材的焊接接头制备。
背景技术
[0002] 文献调查结果表明，在航空航天、交通运输等领域，随着轻量化、高性能的发展趋势，高强度铝合金已成为这些领域重要的结构材料，其中最具代表性的为Al-Zn-Mg-Cu型合金，其屈服强度基本在500MPa以上，是铝合金体系中强度最高的一类。大量的该型合金板材和管材需要连接后使用，其连接工艺目前主要为铆接和螺栓连接。焊接相对于铆接和螺栓连接具有节省材料、降低自重、密封性好、生产效率高等优点，但应用成熟的该型合金如7075、7050、7055等，由于主合金元素含量较高，且在铝基体中的平衡分配系数k0<1，焊接熔池结晶时，在晶界处偏聚形成含Cu的复合析出相，该相共晶温度较低，结晶温度区间较大，在拉伸应力作用下极易产生焊接热裂纹，同时，焊接接头强度损失严重，难以应用于焊接结构，长期以来该型合金被认为是不可焊接材料。Cu是导致该型合金焊接热裂纹敏感性大的主要元素，但Cu元素在该型合金中可以提高沉淀相的弥散度，且自身具有固溶强化效果，另外Cu原子溶入沉淀相η′和η相中，降低晶内和晶界的电位差，抑制沿晶开裂的趋势，从而提高合金的耐腐蚀性能，所以不含Cu的Al-Zn-Mg合金虽然具有较好的焊接性能，但是难以满足高强度、良好耐腐蚀性的要求。目前，一些研究者通过适度降低Cu元素含量、调控Zn、Mg元素含量平衡合金的焊接性、强度、耐腐蚀性，同时，微量Er、Zr元素在铝合金中的有益作用也已被证实，包括细化铸态晶粒、抑制再结晶、促进时效析出等，主要原因是Al、Er、Zr元素能够形成与Al基体共格的纳米级二次析出相。基于上述调查，本专利选择黄晖等人发明的Al-
7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14E合金作为母材，该合金T6状态下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别达到631.7MPa、675.9Mpa、8.8％，力学性能优于或相当于目前应用成熟的7075、7050、7055等合金。在焊丝选择上，目前中国国标中有5种焊丝成分：1系纯Al、2系Al-Cu、3系Al-Mn、4系Al-Si、5系Al-Mg，其中1系、3系、4系焊丝中未含有母材主合金元素，难以保证接头的力学性能，2系焊丝中Cu元素显著增加热裂纹敏感性，5系焊丝可以较好的抑制热裂纹和接头软化，同时基于Er、Zr元素在铝合金中的有益作用，本专利选择一种Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er合金作为焊丝，其主合金元素成分与目前广泛应用的ER5356焊丝相当。
7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14E合金作为母材，该合金T6状态下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率分别达到631.7MPa、675.9Mpa、8.8％，力学性能优于或相当于目前应用成熟的7075、7050、7055等合金。在焊丝选择上，目前中国国标中有5种焊丝成分：1系纯Al、2系Al-Cu、3系Al-Mn、4系Al-Si、5系Al-Mg，其中1系、3系、4系焊丝中未含有母材主合金元素，难以保证接头的力学性能，2系焊丝中Cu元素显著增加热裂纹敏感性，5系焊丝可以较好的抑制热裂纹和接头软化，同时基于Er、Zr元素在铝合金中的有益作用，本专利选择一种Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er合金作为焊丝，其主合金元素成分与目前广泛应用的ER5356焊丝相当。
[0003] 采用上述母材和焊丝，选择适当的焊接工艺和焊后热处理制备焊接接头，其具有高的抗拉强度、焊缝成形良好、无明显缺陷等特点，以期取代目前7075、7050、7055等合金的铆接和螺栓连接结构，具备工业应用的潜力。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种高强度铝合金焊接接头的制备方法，采用Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er母材和Al-4.70Mg-0.70Mn-0.10Zr-0.30Er焊丝，选择适当的焊接工艺参数，使焊缝成形良好，无明显宏观和微观缺陷，微合金化元素Er、Zr在焊缝和热影响区的有益作用及适当的焊后热处理工艺，使接头具有优异的力学性能。
[0005] 本发明采用的焊接方法为全自动TIG填丝焊接，母材厚度为2mm，状态分别为热轧和T6(固溶+单级时效)，焊后对接头进行显微硬度测试和拉伸力学性能试验，并观察不同区域的金相组织。
[0006] 焊接工艺为：电流类型为正弦波交流，焊丝直径1.6mm，钨极直径3mm，钨极到母材的距离3mm，焊接电流125A，焊接速度27cm/min，送丝速度40cm/min，保护气体为Ar，正面和背面气体流量分别为20L/min和10L/min。焊后对热轧状态母材的焊接接头进行热处理，工艺为：470℃保温2h→室温水中淬火→120℃保温24h。
[0007] 在上述焊接工艺条件下，焊缝成形良好，未出现明显的宏观和微观缺陷，如咬边、未焊透、下塌、错边、热裂纹等。微合金化元素Er、Zr在母材和焊丝中形成纳米级二次析出相，其为L12型结构，面心立方晶格，晶格常数与Al基体相近，且回熔温度较高，在熔池结晶时作为有效的形核核心，提高形核率，细化焊缝晶粒；同时，微合金化元素Er、Zr的纳米级二次析出相与Al基体共格，强烈钉扎位错和亚晶界，稳定合金的亚结构，有效抑制热影响区的再结晶，减少热影响区在焊接热循环作用下的软化。T6状态母材的焊接接头抗拉强度达到436.2MPa，为T6状态母材的64.5％，热轧状态母材的焊接接头抗拉强度达到380.4MPa，为热轧状态母材的59.5％，对其热处理之后达到589.2MPa，为T6状态母材的87.2％。
[0009] 图1：实施例1后T6状态母材的焊接接头焊缝区金相组织；
[0010] 图2：实施例1后T6状态母材的焊接接头热影响区金相组织；
[0011] 图3：实施例1后T6状态母材的焊接接头母材区金相组织；
[0012] 图4：实施例1和例2后接头横截面的显微硬度分布，其中a是T6状态母材的焊接接头，b是热轧状态母材的焊接接头，c是经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头；
具体实施方式
[0013] 2mm厚Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Zr-Er变形铝合金板材制备工艺：
[0014] (1)根据合金名义成分Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er，计算并配制熔炼所需原材料，包括纯Al、纯Zn、纯Mg、Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Er中间合金，Zn、Mg烧损率分别为10％和14％。
[0015] (2)使用熔炼炉将铝锭加热至710-720℃，待其充分熔化之后加入Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Er中间合金，完全熔化之后依次加入纯Zn、纯Mg，待所有原料充分熔化之后，使用C2Cl6精炼除杂并进行扒渣，最后将熔体浇注到水冷模中，浇注温度控制在690-710℃。
[0016] (3)铸锭进行均匀化处理，温度为460℃，保温20h，随炉冷却到室温。
[0019] (6)对热轧板材进行单级峰值时效(T6)处理，工艺为470℃保温1h→室温水中淬火→135℃保温20h。
[0020] 实施例1：对2mm厚Al-7.83Zn-2.87Mg-0.67Cu-0.50Mn-0.23Zr-0.14Er热轧和T6状态板材进行全自动TIG填丝焊接。
[0022] (2)焊接采用全自动TIG焊机，焊接方向垂直于母材轧制方向，电流类型为正弦波交流，焊丝直径1.6mm，钨极直径3mm，钨极到母材的距离3mm，焊接电流125A，焊接速度27cm/min，送丝速度40cm/min，保护气体为Ar，正面和背面气体流量分别为20L/min和10L/min。焊后进行宏观检查和X射线无损探伤，检验合格之后进行后续测试。
[0023] (3)对热轧状态母材的焊接接头进行焊后热处理，工艺为：470℃保温2h→室温水中淬火→120℃保温24h。
[0024] 实施例2：对例1得到的焊接接头进行金相组织分析和力学性能测试。
[0025] (1)对T6状态母材的焊接接头，垂直于焊缝截取金相试样，经机械打磨并抛光之后分别使用Keller试剂(1mlHF+1.5mlHCL+2.5mlHNO3+95mlH2O)和电化学侵蚀的方法(电解液为40mlH3PO4+38mlC2H5OH+20mlH2O)侵蚀接头，然后在OLYMPUS-BX51M型金相显微镜下观察接头各区域金相组织，图1为焊缝区金相组织形貌，其形态为较小的等轴树枝晶，晶粒尺寸约为40μm，图2、3分别为热影响区和母材的晶粒形貌，均为轧制拉长并部分再结晶的组织，晶粒度大小不均匀，但热影响区相对于母材没有发生明显的晶粒长大。微合金化元素Er、Zr对晶粒形貌有一定影响，主要是Er、Zr在母材和焊丝中形成纳米级二次析出相，其为L12型结构，面心立方晶格，晶格常数与Al基体相近，且回熔温度较高，在熔池结晶时作为有效的形核核心，提高形核率，细化焊缝晶粒；同时，微合金化元素Er、Zr的纳米级二次析出相与Al基体共格，强烈钉扎位错和亚晶界，稳定合金的亚结构，有效抑制热影响区的再结晶和晶粒长大。
[0026] (2)分别对a(T6状态母材的焊接接头)、b(热轧状态母材的焊接接头)、c(经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头)三种焊接接头横截面进行显微硬度测试，测试载荷500gf，测点间距0.2mm，如图3所示，a、b两种接头具有相似的硬度分布规律，均以焊缝为中心对称分布，焊缝宽度约5mm，平均硬度值分别为104.4HV和120.5HV；其热影响区宽度分别约为13mm和19mm，紧邻焊缝的热影响区硬度值迅速升高，分别约为165.5HV和155.2HV；随着到焊缝中心的距离增加，硬度又迅速降低到热影响区内最低值，分别约为109.5HV和
129.4HV；随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值缓慢回升，到达母材区之后硬度值分别约为202.8HV和186.7HV；c接头热影响区硬度值恢复到T6态母材水平，达到约206.9HV，焊缝区硬度也有大幅度升高，达到约196.2HV。
129.4HV；随着到焊缝中心距离的进一步增加，硬度值缓慢回升，到达母材区之后硬度值分别约为202.8HV和186.7HV；c接头热影响区硬度值恢复到T6态母材水平，达到约206.9HV，焊缝区硬度也有大幅度升高，达到约196.2HV。
[0027] (3)分别对a(T6状态母材的焊接接头)、b(热轧状态母材的焊接接头)、c(经焊后热处理的热轧状态母材的焊接接头)三种焊接接头和d(T6状态母材)、e(热轧状态母材)两种状态的母材进行拉伸力学性能试验，拉伸试样尺寸和拉伸试验过程按照GB/T228.1-2010和GB/T2651-2008进行，拉伸试验机型号为MTS-810。a-e五种试样的抗拉强度如下表1所示，T6状态母材的焊接接头抗拉强度达到436.2MPa，为T6态母材的64.5％，热轧状态母材的焊接接头抗拉强度达到380.4MPa，为热轧态母材的59.5％，对其热处理之后达到589.2MPa，为T6态母材的87.2％。
[0028] 表1焊接接头和母材的抗拉强度
[0029]
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