铝合金焊丝的制作方法

日期:2019-04-19 19:30:08


本申请是2014年1月22日提出的第14/161,432号、题目为“Aluminum Alloy Welding Wire”的美国专利申请的部分继续申请,是2011年2月8日提出的第13/023,158号、题目为“Aluminum Alloy Welding Wire”(铝合金焊丝)的美国专利申请的部分继续申请,是2010年2月10日提出的第61/303,149号、题目为“Aluminum Alloy Welding Wire”(铝合金焊丝)的美国临时专利申请的非临时专利申请,所述申请全文通过引用并入本文用于所有目的。



背景技术:

本公开大体上涉及焊接填充金属领域,更具体地涉及适合用于焊接或铜焊铝合金的组合物。

有多种不同的已知并且目前正在使用的金属件连接工艺,包括铜焊和焊接。铜焊和焊接都可以用于连接铝制品和铝合金件。与钢及其它金属不同,铝合金因例如它们的冶金学、它们的熔点、随特定合金添加剂的变化而变化的强度等而存在特有的问题。此外,一方面对更薄的铝合金工件,另一方面又对更厚的工件越来越多的关注,在选择性能良好并且提供期望的物理机械性能的铜焊和焊接材料方面造成附加的难题。

铜焊操作使用具有比待连接基底金属低的熔化温度的填充金属。在铜焊中,基底金属不熔化,并且选择填充金属中的合金元素,以使它们能够降低填充金属的熔化温度并且湿润在基底金属上始终存在的氧化铝,从而可以在不熔化基底金属的情况下达到冶金粘结。在某些应用中,可以在置于真空或保护气氛下的熔炉中实施铜焊,其中,将温度升高直至仅填充金属熔化并且通过流体流动和毛细管作用填充固体基底金属构件之间的接头。铜焊接头一般用于低强度的铝合金以及很薄的截面结构,例如,汽车散热器以及换热器,例如,用于暖通空调系统中的那些换热器。铜焊时采用的温度可以使不可热处理的和可热处理的铝合金退火,从而可以改变通过冷加工或热处理和时效操作达到的机械性能。因此,虽然铜焊在许多应用中相当有用,但是可能不适合用于连接高强度结构合金。

焊接操作通过熔化每个待连接工件的一部分基底金属,并熔化填充金属以在接头中形成焊接熔池来连接金属件。焊接需要在接头处集中加热,以形成焊接熔池,焊接熔池一旦凝固就具有填充金属和基底金属的化学组成组合所得的化学组合物。通常可以将焊接温度控制为足够高以使填充金属和基底金属两者熔化,并使基底金属的热影响区保持最小,以便保留其机械性能。

对于铜焊和焊接,添加材料一般都以焊丝形式提供,取决于应用,可以是通过焊炬进给的连续长丝形式,或是可手动进给的较短丝,或甚至为焊条,例如,用于焊条焊(stick welding)的涂药焊条。但是,目前可用的铝合金铜焊和焊接焊丝不能满足众多现代应用的需求。举例来说,现有产品在连接操作中缺乏期望的流动性,或者当在焊接应用中与基底材料结合时缺乏期望的强度,在用于一系列现代焊接工艺时尤为如此。此外,在焊弧在焊透深度、热量和熔池形成等方面有差异的情况中,现有铝合金焊丝及组合物无法提供就最终接头的组成和强度而言期望程度的一致性。

目前需要适合于焊接和/或铜焊应用(成功满足所述需求)的改进型铝合金组合物。



技术实现要素:

在一个实施方式中,一种铝-硅-镁合金包含约0.1重量%和约0.5重量%之间的镁含量,其中基本上全部的镁含量作为硅化镁存在。所述合金包含约5.0重量%和约6.0重量%之间的硅含量,其中至少4.75重量%的硅含量作为游离硅存在。所述合金包含铁、铜、锰、锌和钛中的一种或多种。所述合金还包含余量的铝和痕量成分。

在另一个实施方式中,一种铝-硅-镁合金包含约0.1重量%和约0.5重量%之间的镁含量,并且包含约5.0重量%和约6.0重量%之间的硅含量,其中小于约0.25重量%的硅含量作为硅化镁存在。所述合金包含铁、铜、锰、锌和钛中的一种或多种。所述合金还包含余量的铝和痕量成分。

在另一个实施方式中,一种铝-硅-镁合金包含约0.2重量%和约0.75重量%之间的硅化镁,并且包含大于约4.75重量%的游离硅。所述合金包含铁、铜、锰、锌和钛中的一种或多种。所述合金还包含余量的铝和痕量成分。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时,本公开的上述和其他的特征、方面及其优势将变得更好理解,附图中相同的符号表示相同的部件,其中:

图1为一种适合使用本文公开的新型组合物的示范性焊接系统的图解视图;

图2为另一种适合使用该新型组合物的示范性焊接系统的图解视图。

具体实施方式

本公开的实施方式包括用于金属粘接应用的铝合金组合物。在整个论述过程中,应当谨记这些组合物不一定局限于用于焊接或甚至用作填充金属,还可以用于其他应用和操作,例如铜焊或其他类型的金属粘接。同样,提及的“焊丝”应当理解为表示添加金属的任何适当形式,包括但不限于,用于送丝器应用的连续焊丝(例如,用于惰性气体保护金属极(MIG)焊接的连续焊丝)、焊棒和焊条(例如,用于钨极惰性气体(TIG)保护焊及焊条焊)以及用于焊接、熔合、铜焊、板材铜焊包覆(braze cladding of sheet)和类似操作的其他形式。可注意到,所公开的合金的组合物可以按照相对于合金的重量个别成分的重量百分比(重量%)来描述。还可注意到,术语“硅含量”和“镁含量”意指分别存在于所公开的组合物内的硅和镁的所有化学形式,包括这些元素的游离元素(例如,Si(0),Mg(0))和/或化学化合物(例如,Mg2Si)。

一般而言,所公开的铝合金组合物包含硅(Si)、镁(Mg)和铝(Al)以及少量的其它元素,并且用于在铝合金工件上形成冶金粘接。更具体而言,本公开的组合物包含特定范围的游离硅。如本文所使用,“游离硅”表示组合物(例如,焊接消耗品或金属粘接)内存在的元素硅。如下文更详细论述的,组合物的游离硅可以包括固体溶液中的硅、纯硅沉淀物中存在的硅以及该组合物的不同硅相内存在的硅。此外,在某些实施方式中,所公开的铝合金组合物还包含相对于其他形式的硅(例如,硅化物(例如,硅化镁,Mg2Si))的量特定范围的游离硅。如下所述,金属粘接的性能以及粘接操作的方面可以通过控制用于形成金属粘接的组合物中存在的游离硅和/或其他形式的硅的量来修改。

除铝、镁和硅之外,在某些实施方式中,所公开的铝合金组合物还可以包含作为痕量杂质或作为有意添加物的多种不同元素。实例元素的非限制性列表包括:铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、钛(Ti)、铍(Be)、锆(Zr)、钪(Sc)和铬(Cr)。举例来说,在一个实施方式中,所公开的组合物包含多达以下量的下列元素的任意一种或全部:0.80重量%铁、0.30重量%铜、0.15重量%锰、0.20重量%锌、0.20重量%钛以及0.0003重量%铍(所有其他元素限于总计0.15重量%,并且每种元素限于0.05重量%)。另外举例来说,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达以下量的下列元素的任意一种或全部:0.40重量%铁、0.10重量%铜、0.05重量%锰、0.1重量%锌、0.15重量%钛以及0.0003重量%铍(所有其他元素限于总计0.15重量%,并且每种元素限于0.05重量%)。

例如,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.90重量%铁,多达且包括0.80重量%铁,多达且包括0.70重量%铁,多达且包括0.45重量%铁,多达且包括0.40重量%铁等等。另外,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.35重量%铜,多达且包括0.30重量%铜,多达且包括0.25重量%铜,多达且包括0.20重量%铜,多达且包括0.15重量%铜,多达且包括0.10重量%铜等等。另外,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.20重量%锰,多达且包括0.15重量%锰,多达且包括0.10重量%锰,多达且包括0.05重量%锰等等。另外,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.25重量%锌,多达且包括0.20重量%锌,多达且包括0.15重量%锌,多达且包括0.10重量%锌等等。另外,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.25重量%钛,多达且包括0.20重量%钛,多达且包括0.15重量%钛等等。另外,在某些实施方式中,所述组合物可以包含多达且包括0.001重量%铍,多达且包括0.0005重量%铍,多达且包括0.0003重量%铍等等。因此,在某些实施方式中,除了硅、镁和铝之外的元素可以构成所述组合物的多达且包括1.8重量%,所述组合物的多达且包括1.5重量%,所述组合物的多达且包括1.0重量%,所述铝组合物的多达且包括0.95重量%,所述组合物的多达且包括0.90重量%,所述组合物的多达且包括0.85重量%,所述组合物的多达且包括0.80重量%,所述组合物的多达且包括0.75重量%等等。因此,对于某些实施方式来说,铝的余量可以构成所述组合物的约88.0重量%和约95.0重量%之间,约90.0重量%和约95.0重量%之间,约92.5重量%和约95.0重量%之间,或者约92.5重量%和约94.0重量%之间。

在所述组合物成型为焊丝的实施方式中,可以提供直线形式的此种焊丝(例如填充金属)用于焊接应用。直线焊丝(连续或切成定长的)一般具有至少0.010英寸且通常小于0.30英寸的直径。在优选实施方式中,直线焊丝具有一种或多种直径,例如,0.023英寸、0.030英寸、0.035英寸(或者0.9毫米)、0.040英寸、0.047英寸(或者3/64”或者1.2毫米)、0.062英寸(或者1/16”或者1.6毫米)、0.094英寸(或者3/32”或者2.4毫米)、0.125英寸(或者1/8”或者3.2毫米)、0.156英寸、0.187英寸及0.250英寸。

所公开的组合物的硅含量可以包括呈多种不同的化学形式和物理状态的硅,每一种均有助于所述组合物的机械和冶金性能。当前认识到,组合物的总硅含量可以划分为两组:游离硅和硅化物。如上所述,组合物的游离硅可以包括:所述组合物内的固体溶液中的硅、所述组合物的纯硅沉淀物内存在的硅以及所述组合物的不同纯硅相内存在的硅。如下文更详细的论述,当以适当量(例如,大于约4.75重量%)存在时,所述组合物的游离硅为金属粘接应用提供许多优点。可以理解,游离硅为金属粘接提供硅化物(例如,Mg2Si)所不能提供的许多优点。例如,组合物内存在的游离硅的量显著地影响所述组合物的熔程和流动性特性。具体举例来说,游离硅可以按适当量存在于固体溶液中以形成相对于纯铝具有提高或降低的熔点的铝合金。此外,游离硅减小熔化的组合物(例如,焊接熔池)的粘度,并提高所述组合物的可润湿性。此外,游离硅可以作为合金元素而并入到金属粘接(例如,焊接熔敷物)中,从而提高了强度。此外,并入到焊接熔敷物中的游离硅随着焊接熔池冷却而膨胀,有助于抵消随着焊接熔池凝固焊接熔敷物的普遍收缩以及由这种收缩引起的拉伸应力。

所公开的组合物的硅化物可以包括例如硅化镁(Mg2Si),其中硅化镁作为沉淀物而存在于所述组合物内。如本领域中所理解的,在铝-硅-镁合金的制造中,镁与硅之间的高亲和力导致合金的基本上全部(例如,大于95%,大于98%,大于99%)的镁含量在合金内形成硅化镁沉淀物,并且未与镁反应的剩余硅含量或过量硅含量可以被视为并称为游离硅。硅化物沉淀物可以在较低浓度(例如,小于1.1重量%)下增大所述组合物的强度;但是,较高浓度(例如,大于1.1重量%)的硅化物可能导致提高的裂缝敏感性。在某些实施方式中,所述组合物内存在的游离硅的量被认为可以显著地抵消由较高硅化物浓度引起的提高的裂缝敏感性。因此,当前认识到,除总硅含量之外,也有利的是,控制组合物内存在的游离硅和硅化物的相对量以在金属粘接操作中实现期望性能,并在所得的金属粘接内实现期望的机械性能。

当制造所公开的组合物时,熔体内存在的总硅含量的部分可以被转化为Mg2Si,这减小游离硅的量并增大所述组合物内存在的硅化物的量。因此,当前认识到,通过控制所述组合物的相对的硅含量和镁含量,所述组合物内存在的游离硅和硅化物的相对量可以被控制为期望程度以向冶金粘接操作提供期望效果。举例来说,在某些实施方式中,所公开的组合物可以包含适当量的硅和镁,以使得所述组合物内存在的游离硅的量大于约4.75重量%(例如,约5.0重量%和约6.0重量%之间)。此外,在某些实施方式中,所公开的组合物可以包含适当量的硅和镁,以使得所述组合物内存在的游离硅的量大于约4.75重量%,并且所述组合物内的硅化物(Mg2Si)的量小于约1.1重量%(例如,小于约1重量%,小于约0.5重量%)。举例来说,在某些实施方式中,所公开的组合物包含约5.0重量%和约6.25重量%之间的硅含量以及约0.1重量%和约0.5重量%之间的镁含量,这提供约4.75重量%和约6重量%之间的游离硅含量以及约0.05重量%和约0.25重量%(即,显著小于1.1重量%)的Mg2Si含量。本发明构思的一个实施方式已在铝业协会中登记并由美国焊接协会(AWS)认证为核准的铝焊接合金4943,其中硅含量为约5.0重量%至约6.0重量%,并且镁含量为约0.1重量%至0.5重量%。

虽然本公开的组合物特别适合用于焊接应用,但是它们也可以用于铜焊及其他操作(例如,电镀)。图1和图2所示的示范性焊接系统可以有利地用来利用本文公开的组合物制造铝工件和铝合金工件的接头。如上所述,可以使用各种焊接系统和工艺,包括MIG工艺、TIG工艺、焊条焊工艺等(以及铜焊工艺)。图1示出示范性的MIG系统10,该系统10包括电力供应器12以及来自气体源16的保护气体,该电力供应器12设计成接收来自电源14的电力。在多种实施方案中,电源可以包括电网,而其他电源也是常见的,例如,发动机驱动型发电机组、电池及其他发电储能装置。一般可以用高压气瓶提供保护气体。

电力供应器12包括电力转换电路系统18,该电力转换电路系统18将输入或存储的电力转换成适合于焊接的形式。正如本领域的技术人员能够领会的,这种电路系统可以包括整流电路、转换器、逆变器、断路器、增压电路等。此外,该电路系统可以根据选定的焊接工艺产生交流电或直流电输出。电力转换电路系统与控制电路系统20耦联,用来控制转换电路系统的运行。一般而言,该控制电路系统可以包括一个或多个处理器22和存储器24,该存储器24存储由处理器执行的焊接参数、设定点、焊接工艺例程等以便调节转换电路系统的运行。举例来说,处理器可以使转换电路系统执行恒电流过程、恒电压过程、脉冲焊接过程、短路转移过程或者适应于利用本公开的组合物焊接铝部件的任何其他合适的过程。操作员接口28允许焊接操作员选择焊接工艺,并设定焊接参数例如电流、电压、送丝速度等。

电力供应器12经由线缆30与送丝器32联接。该线缆可以包括输送焊接电力的电力线缆、传递控制信号和反馈信号的数据线缆、以及提供保护气体的气体软管或线缆。送丝器32包括根据所公开组合物所述的焊丝的卷筒34。焊丝驱动器36从卷筒拉出焊丝,并将焊丝推进到与焊炬40联接的焊接电缆38。尽管送丝器可以包含它自己的处理器和存(未显示),该处理器和存储器用于控制或协同控制送丝速度、从电力供应器向推进的焊丝施加电力等,但焊丝驱动器一般可以根据电力供应器的设置来工作。另外还应注意,送丝器可以包括它自己的接口(未示出),以允许焊接操作员改变焊接工艺、焊接设置、送丝速度等。

焊接电缆38向焊炬40输送电力和气体,并且可以向送丝器(从其再向电力供应器)输送数据信号(例如,感测到的电流和/或电压)。在铝焊接应用中,焊炬40可以设置有内部电机,以便在送丝器32协同推动焊丝时拉动焊丝。工件电缆42与待焊接工件44联接,并且容许经由焊炬、焊丝和工件建立闭合电路,从而在焊丝和工件之间形成焊弧。焊弧在焊接中(在选择的具体焊接工艺和控制方案时)保持不变,并且熔化焊丝,并且一般至少部分地熔化工件或待连接的工件。

如图1附图标记46所示,焊接系统可以被适配成接纳焊条焊焊炬。这种焊炬使用焊条电极48(可根据本公开的组合物制造)而不使用连续卷筒进给的焊丝。正如本领域的技术人员能够领会的,焊条焊焊炬可以直接联接到执行其他焊接工艺(例如,MIG、TIG工艺)的焊接电力供应器12,或者对于此应用而言,电力供应器可以就可用工艺方面而言具有更有限的功能。

图2示出可与本公开的新型组合物一起使用的示范性TIG系统。该TIG系统50也包括电力供应器52以及来自气体源56的保护气体,该电力供应器52与上述系统类似,用于接收来自电源54的电力。正如本领域的技术人员能够领会的,所用的保护气体通常可以根据选定的工艺而异。电力供应器52同样包含电力转换电路系统58及相关联的控制电路系统60。控制电路系统60包括一个或多个处理器62和存储器64,该存储器64用于存储焊接设置、焊接工艺等。同样,操作员接口68允许焊接操作员设置用于TIG工艺的此类焊接参数。

不过,在TIG焊接工艺中,焊丝未被送到工件,而是仅经由适合的线缆70输送电力和气体。焊炬72接收电力和气体,并且容许经由内部钨电极引起焊弧。工件电缆74与工件76联接以实现闭合的电路。在工件处引起焊弧以后,焊丝78被送到焊接位置,并被熔化,一般伴随工件基底金属的至少部分熔化。脚踏开关78(或另一种操作员输入装置)使操作员能够在焊弧持续时以及焊接进行时对工艺过程进行精细控制。

还应注意,与本发明的组合物一起使用的工艺可以部分自动化或全自动。也就是说,在某些设置下,可以将接头编程为由自动焊接系统、机器人等来执行。在大多数这种设置下,如上文所述,可以将焊丝从卷筒连续进给。另外,所述组合物可以与多种其他工艺和应用一起使用,例如,与激光焊接、点焊、激光铜焊等。虽然所述工艺可以被设计用于连接铝和铝合金,但所述组合物绝不限于此种应用,还可以用于连接非铝基底金属例如钢。

上述方法允许形成熔池,该熔池包含熔化组合物的部分以及熔化工件的部分。在某些实施方式中,熔池可以包含超过20重量%、超过30重量%、超过40重量%、超过50重量%、超过60重量%、超过70重量%、超过80重量%、超过90重量%、超过92重量%、超过94重量%、超过96重量%、超过98重量%、或超过99重量%的组合物,剩余部分由熔化的基底金属工件构成。

本发明的组合物使用规范也可有利地需要对所得的铝结构进行热处理和时效。这些操作中的某些操作可以在高于室温并且低于基底金属工件、所公开的组合物及熔池的熔点的温度进行。例如,在某些实施方式中,该温度可以在约1050℉至1185℉的范围内,约1065℉至1170℉的范围内,约1080℉至1155℉的范围内,约1095℉至1140℉的范围内等等。热处理步骤可以有利地在30分钟和30小时之间(如1小时和10小时之间,例如,2小时和8小时之间)的时间段中进行。另外,工艺过程可以包括使焊接的铝结构能够在高于环境温度的温度下在介于30分钟和30天之间(例如,1小时和1周之间,例如,2小时和12小时之间)的时间段中进行时效处理。另外,在环境温度下进行1周至2年(例如,2周至1年,例如,1个月至6个月)的时效处理可以有益于该组合物。

可以相信,通过使用本发明所述的组合物和焊丝,可以生产优越的焊接铝结构,该焊接铝结构与利用其他铝填充材料焊接的铝结构相比展现优异的焊接性能,包括高的剪切强度和拉伸强度。举例来说,可以相信,通过在焊态条件下固熔体强化并且在焊缝被焊后热处理和/或时效处理时通过金属间化合物(例如,Mg2Si)的形成和沉淀,所述组合物提供更大强度的焊缝。也可以相信,本发明所述的组合物使与较大焊缝的剪切强度相当的较小的角焊缝能够在较少的热输入下制得,从而减小在焊态条件下焊接结构的热影响区(HAZ)。

本发明的组合物可以有利于各种工件和工件配置,例如,呈所有配置(例如,圆形、方形、矩形)的单合金板、铜焊包覆板、板材、管材、条材、棒材、挤压制品、铸件、锻件、粉末金属零件以及金属陶瓷或者其中几种工件的组合。厚度可以是打造预期的焊接结构所需的任何尺寸。这些组合物对于基底金属工件的所有厚度以及具有熔化的基底材料的熔池的所有稀释量而言都同样有效。

具体而言,在lxxx、2xxx、3xxx、5xxx直到3%镁、6xxx及7xxx系列铝合金中和铝合金基底材料一起使用时提供改善的性能。更具体地说,本发明的组合物可以有利于源于6xxx系列铝合金的基底金属工件。由于可热处理,6xxx系列合金在许多铝结构的制造中尤为广泛。举例来说,这种结构包括挤压制品、薄板及板材,应用于制造汽车、卡车拖车、船舶、军用车辆以及无数其他制品。

多年来,已用铝-硅二元合金4043焊接6xxx系列铝合金,其中铝-硅二元合金4043是不可热处理的合金。4043的焊态强度是采用4043合金连接的最广泛使用的6xxx系列合金强度的50%。若将镁加入4043,它成为与6xxx系列合金类似的、可热处理的三元合金,若加入足够的镁,可达到显著更高的焊态强度,并且在焊后热处理和时效处理时达到与6xxx基底金属类似的机械性能。在焊接操作中,熔池通常被一定量的熔化的基底金属稀释,简单称为稀释。当例如用4043焊接6xxx系列基底金属且发生稀释时,填充金属与基底金属形成合金,并且熔池获得一些镁。焊缝的强度增量取决于稀释的量。已经针对基底金属例如6061制定焊接规范,例如,AWS D1.2。该规范假设基底金属的最小稀释量20%,并且规定最终焊接组装件必须达到的所得剪切强度和拉伸强度。这些规范用于设计目的,并且制定焊接流程以在生产中满足这些规范。

但是,在本公开之前,行业无法始终如一地满足针对6xxx系列合金的这些规范。当基底金属和填充金属的化学范围与焊接工艺中存在的所有可变因素结合时,在焊接后熔池的所得镁含量缺乏一致性,并且无法一致地被控制到符合规范要求的水平。在两种常用的焊接设计中,即角接接头和对接接头,80%的普遍采用的焊接头是角接接头。由于它的物理形状,当焊接角接接头时,存在极少的稀释。同样,在截面厚度大于3/8英寸或小于3/32英寸的结构中焊接对接接头时,也存在少量或没有稀释。因此,这些焊接接头从基底金属获取的镁不足以达到期望的焊态强度或经焊后热处理及时效处理的期望强度。这已带来了非常严重的行业问题。铝是为了减轻重量和降低能耗而选择的金属,但是现有填充金属已阻碍了铝的应用。

本公开解决了此问题。本公开提供了一种铝-硅-镁三元合金,其化学范围产生满足AWS D1.2关于6xxx系列合金要求的剪切强度和拉伸强度,少量或没有稀释(例如,小于约20%基底金属稀释,小于约10%基底金属稀释,小于约5%基底金属稀释,约0%基底金属稀释等等)。基底金属稀释可以被定义为熔化的基底金属重量除以焊缝金属的总重量(即,所有的焊缝金属)。例如,对于约20%的基底金属稀释,由消耗性电极提供的焊缝金属的分数是约80%。因此,所公开的组合物的设计考虑了在6xxx系列合金中可具有的硅和镁的化学范围以及在焊接制造过程中可遇到的可变因素,并且确保在最终焊缝中存在足够水平的硅和镁以及足够水平的游离硅和硅化物,以满足期望的强度要求。

经由这些组合物制得的焊接接头不仅受益于在连接操作中该组合物的性能,还受益于焊态(或更普遍地,经连接的)结构的增强性能。例如,如上所述,所述组合物的游离硅降低熔点和表面张力,提供增加的流动性。相对高的镁含量使为了较高的强度(例如,相当于或超过基底金属的强度)而从基底金属获取镁的需求减小。这在连接较薄的截面(从其发生少量基底金属熔化或者其中少量材料可用于促成焊态接头)及较厚的截面(可能需要多焊道,后续焊道越来越难以从基底金属或早前的焊道获取任何镁)时特别有用。在相继的焊道中,在各自的焊道中基本上全部(例如,99%或更多)镁由填充金属提供。

例如,6061基底金属合金通常采用薄板和板材形式,并且用4043填充金属焊接。合金6061是基于镁-硅的合金,包含1%镁和0.6%硅,以及少量铜和铬。合金6061通过热处理达到其最大的机械性能,其中通过使合金元素作为金属间化合物(在此情况中Mg2Si)沉淀来强化铝金属基质,通过仔细控制热操作控制其在整个基质中的尺寸和分布。这种经热处理的微观结构快速地被焊接破坏,在焊缝的热影响区(HAZ)中机械性能的典型损失在约30%和50%之间。在-T6热处理条件下6061的未经焊接的拉伸强度一般是45KSI,而规定的最小焊态拉伸强度是24KSI。6061经完全退火的拉伸强度一般是19KSI。根据采用的焊接条件,在热影响区中可以存在6061基底材料的完全退火的部分。4043经完全退火的拉伸强度一般也是19KSI,并且可以低至15KSI。此外,如上所述,4043是不可热处理的合金。

发布的用于设计目的的数据说明了用4043焊接的6061在焊态条件及焊后热处理和时效处理条件下的机械性能。该数据从在各种配置下制得的实际焊缝获得。该数据假定一定百分比的基底金属在焊接过程中熔化,并且进入熔池形成合金,产生新的化学组成,即4043和6061的混合物。在这种情况发生时,一些镁被注入4043化学组成中,并且如果有足够的基底金属熔化,则熔池成为合金,该合金是在焊态条件下由镁强化的固体溶液,并且对在焊接后进行的热处理操作作出反应。

下表1提供关于用4043、4643或4943焊接的6061基底金属的数据实例:

表1

注释1:在熔池中不存在熔化的基底金属的任何稀释的情况下,合金组合的焊态拉伸强度及经焊后热处理的拉伸强度达不到AWS D1.2设计要求。

注释2:对于4643及4043在熔池中不存在熔化的基底金属的任何稀释的情况下,满足AWS D1.2的拉伸强度要求。

如上所述,两种常用焊接接头类型,角接接头和对接接头构成所有焊缝的大部分。角接接头多数通常具有90度焊接接头角,必须用填充金属填充。对于很薄的基底金属截面,焊接操作需要将基底金属熔化量保持在绝对最小值,因此由熔化的基底金属所致的熔池稀释量非常小。对于在此使用的实例,采用4043填充金属,产生的焊缝没有足够的镁,达不到焊态条件下的合格强度,并且此外该焊缝不会对焊后热处理和时效处理作出反应。当使用角焊缝时,在连接厚截面尺寸的情况下,出现此相同情形。在这种情况下,焊接接头的底部可以观察到因熔化的基底金属所致的足够的熔池稀释,但随着用多焊道填充焊接接头,后续焊道中的填充金属将没有基底金属稀释。因此,焊缝将再次没有足够的镁含量,达不到焊态条件下的合格强度,并且该焊缝也不会对焊后热处理和时效处理作出反应。针对用4043焊接的角焊缝发布的数据和AWS D1.2焊接规范认识到这种情况,并且机械强度数据正确地显示在不存在稀释的情况下待用4043焊接的接头强度。另一方面,对接接头产生远远更高百分比的基底金属熔化。对于用4043焊接6061中的对接焊缝,发布的数据和AWS D1.2确实呈现足够的熔池稀释,从而达到焊态条件和焊后热处理和时效处理条件下的规定强度。但是,对接焊缝中的熔池稀释量难以控制,并且难以在生产焊接操作中可靠地重现。

下表2提供角焊缝的一般设计强度,仅对于当前可用的合金焊丝而言,该角焊缝包含100%填充金属。下表3提供包含100%的所示填充金属的角焊缝的最小和平均极限拉伸强度(UTS)值。此外,表3包含根据Aluminum Design Manual(铝设计手册)(铝业协会,2015,第I-57页,表J.2.2NOMINAL STRENGTH OF WELDED JOINTS under fillet welds)基于所示的最小和平均UTS计算的最小和平均纵向UTS值,其中纵向UTS被定义为UTS值的60%乘以强度损失校正因子0.85(特定于所用的剪切测试)。

表2

表3

截面尺寸大于3/8英寸的对接焊缝在焊缝中心产生的基底金属熔化不足以达到熔池中的最小期望的基底金属稀释量。因此,因为4043必须通过熔池中熔化的基底金属稀释来获得镁,所以如果不能在生产中确实地获得,则难以控制在焊态条件及焊后热处理和时效处理条件下所得的机械性能。

如上所述,本发明的组合物可以与各种焊接工艺一起使用。对这些焊接工艺中的某些的开发推动了更薄截面尺寸结构的生产。脉冲焊接等工艺由于其阻止显著的基底金属熔化而能够对越来越薄的截面尺寸进行焊接。具体而言,在薄截面结构方面,当前可用的基于硅的焊接合金不可能达到期望的设计强度,这已限制了零件的可以其他方式减轻重量且维持强度的设计选择。解决此类问题的进展包括,例如,登记为4643的合金,4643合金被认为是为对接焊接厚截面6061基底金属提供了一种解决方案。当然也可以用4643合金焊接同样存在熔池稀释不足问题的薄截面。4643合金是在焊接操作中因熔池稀释产生的从20%6061和80%4043的混合合金获取的合金的一种复制品。与4043相比,4643的较低硅含量使其流动性减小,使其熔化温度升高,并使其凝固和固态收缩增大。此外,4643在焊接过程中再次受到包含低硅的6xxx系列合金的稀释。当熔池硅水平在焊接过程中降到2%或更低时,所得的合金达不到最佳焊接特性,并且裂缝敏感性问题加重。因此,4643尚未用作4043的可行替代品,仅在少数情况下使用4643解决具体问题。4643合金的产量非常少,成本是4043的七倍,没有经济可行性。

本公开的组合物解决了6061/4043合金组合的所述缺点。此组合物包含所需含量的镁,无须依赖熔池稀释达到期望的焊态及焊后热处理机械性能。另外,所公开的组合物在焊接过程中经受足够的固溶和淬火速率,以便其可以随着时间自然时效,并且第一年期间在室温下强度增加。该组合物还为制造商提供了购买-T4回火6xxx系列基底合金的选项,在-T4回火中进行固溶热处理和淬火,但不作时效处理。于是,用本发明的组合物焊接以后,可以对成品焊件进行简单的时效处理以达到接近-T6回火的强度水平。

此外,与4043相比,本发明的组合物可以提供每一种焊缝(无论类型或稀释因子),其中焊态纵向剪切强度自动增加至少17%左右,横向剪切强度自动增加至少大约33%,拉伸强度增加至少大约42%,并且焊后热处理剪切强度提高至少130%左右。例如,在某些实施方式中,焊缝的焊态纵向剪切强度可以在16-20KSI范围内,在17-19KSI范围内,或者是约18KSI;焊缝的焊态拉伸强度可以在30-40KSI范围内,在32-38KSI范围内,或者是约35KSI;焊缝的焊后横向剪切强度可以在25-35KSI范围内,在28-33KSI范围内,或者是约31KSI;焊缝的焊后拉伸强度可以在35-50KSI范围内,在40-45KSI范围内,或者是约42KSI。相比较焊后强度(例如,热处理剪切强度在32-43KSI范围内,在34-41KSI范围内等等,热处理拉伸强度在46-58KSI范围内,在49-55KSI范围内等等),热处理焊缝可以使这些强度中的一个或者多个增加15-30%。应当指出某些强度被表征为“焊后”强度,但是,在使用铜焊工艺将填充金属(例如,具有本文所述的特性)粘结到工件的情况下,这些强度可以被表征为“铜焊后”强度,或者,更普遍地,“粘结后”强度。

另一个重要考虑因素是制造适合的焊缝所需的填充金属量。用填角的横截面焊喉尺寸及相关填充合金的发布剪切强度计算角焊缝剪切强度。各种纯填充金属合金的一些典型剪切强度请参见上述表1。因为填角尺寸随着焊接工艺或焊道数而增加,焊喉尺寸的增加与所用填充金属量的体积之间不呈线性。如果焊喉尺寸翻倍,则填充填角所需的填充金属体积增至4倍。但是,因为填充填角所需的焊道数量随着焊喉尺寸的增加而迅速增加,并且当覆盖下面的焊道时电焊工必须处理满焊道,因此所需的填充金属的体积可以甚至更大于此。在基底材料未焊透并且不存在所需的由熔化的基底金属稀释熔池的情形中,则设计师不得不增加角焊缝的焊喉尺寸,以达到足够的焊缝强度。这导致消耗显著更大量昂贵的填充金属,从而提高焊接结构的成本。通过利用本发明的组合物获得增高的强度,为了达到期望的强度而而将足够的镁引入熔池中,无需明显的焊透,所以通过减小角焊缝所需的尺寸可显著地降低成本。另外,使用本发明的组合物,焊缝将在焊态条件下自然时效,并将随着工作温度的升高而更迅速地时效。焊缝的机械性能在焊后至少第一年内随着时间而持续增强。

一般而言,当游离硅水平降到0.5重量%和2.0重量%之间时,铝-硅合金可能对凝固裂缝敏感。举例来说,游离硅水平低于4.7重量%的组合物可在达到裂缝敏感区间之前仅忍受有限量的基底金属稀释。这一特性在TIG焊接时尤为重要,其中根据焊接工艺,熔化的基底金属对熔池的稀释可以相对大。在热处理过程中通过Mg2Si的沉淀而获得它们的机械性能的合金诸如6xxx系列,在Mg2Si以约0.5重量%至约2重量%的范围(这表示约1重量%和约4重量%之间的总镁含量)存在时,具有裂缝敏感性。从6005系列到6061系列(包括6061)是对裂缝最敏感的6xxx系列合金。因此,本发明方法的组合物包含小于或等于约0.5重量%的镁,以便即使在因熔化的6xxx基底金属导致熔池稀释的情况下,Mg2Si含量也将明显小于1.1重量%。如上所述,本发明方法的一个实施方式4943包含5.0重量%至6.0重量%的硅含量以及0.1重量%至0.5重量%的镁含量。

在某些实施方式中,所述组合物具有4.75重量%至6.0重量%的规定游离硅范围。对于此实施方式,典型的目标游离硅含量可以为5.2重量%。此化学组成当在华氏1292度下熔化时,在合金中形成液体粘度,其内摩擦为1.1厘泊。这是焊接行业期待ER4043具有的并且在焊接实践的过去半个世纪中已记录为表现令人满意的流动性。4.75重量%至6.0重量%的游离硅范围的优势还在于它对在焊接期间熔化填充金属所需的电流具有直接影响。此处的变化将使全球生产操作中使用的许多焊接机器中的焊接工艺规范及预编程焊接参数必需变化。

游离硅含量还影响所述组合物的热膨胀。游离硅含量降低将使焊珠的热膨胀系数增加。例如,所述组合物中的游离硅含量5.2重量%将得出热膨胀系数(CTE)0.94(纯铝的CTE是1.0)。所述组合物中的游离硅含量3.5重量%将得出热膨胀系数0.97。铝和已知填充金属组合物之间的热膨胀差异导致与本发明组合物相比在焊接期间变形增加,并且裂缝敏感性增高。游离硅含量越大,使凝固及固态收缩率减小。与现有组合物相比,本发明的组合物的较高游离硅含量,产生较大的共晶相体积分数,继而降低熔池的收缩率。因此,本发明的组合物的裂缝敏感性水平等同于或优于现有合金。因此,所公开的组合物可以用作现有组合物(例如4043)的直接替代品,且无须改变焊接实践或工艺,此外,与4643(虽然4643尚未被视作4043的直接替代物)相比,本发明的组合物可带来更大的强度效益。

由于所公开的组合物(例如,4943)的镁含量,其可以用作4043的直接替代品,同时在所有类型的焊缝的更大的剪切强度和拉伸强度方面提供显著的优势。此外,可以减少或避免因熔池缺乏适当的基底金属稀释而使焊缝金属机械性能不合格的情形(4043的常见问题)。可以将这种新型合金的镁含量控制在裂缝敏感水平以下。该水平足够低,以便在焊接6xxx系列合金时,能够从熔化的基底金属稀释的熔池中获得一些额外的镁。因此,新型组合物具有约0.50重量%的最大镁含量。此水平为可能附加的镁(可从熔化的基底金属稀释进入熔池形成合金的镁)提供了安全系数。当焊接较低强度的1xxx或3xxx系列合金并且无意地获得一些熔池稀释时,所公开的组合物具有0.31最小镁含量的内在安全系数。此安全系数被设计成将焊缝的镁含量保持在可接受的水平,ER4043或ER4643都没有这种特性。

取决于合金,铝合金基底金属从加工硬化或者从热处理、时效处理等等获得其强度。焊接工艺引入热循环,这造成了退火效应,该退火效应损害靠近焊缝的邻近区域(被称为热影响区(HAZ))的强化机制。热影响区(HAZ)被热循环软化并且失去其强度。热影响区(HAZ)的强度损失在铝中比在钢中更显著,并且热影响区(HAZ)可以比接头中的焊缝金属弱。当使用本文所述的组合物使焊缝更强时,这种情况可变得更显著。对于整个接头强度由热影响区(HAZ)决定而不是焊缝本身决定的情形,这可不利地影响使用本文所述的组合物制作的焊缝。为了克服这个潜在的问题,当保持相同的焊接强度时,可以减小焊缝尺寸或者焊缝的横截面面积。较强的焊缝使较小的焊缝尺寸能够在接头(例如,角接接头)处获得等同的剪切强度。较小的焊缝利用较少的热输入来熔敷焊缝金属,从而,除了减少潜在的焊接生产时间之外,还在较小的热影响区(HAZ)里提供较少的软化。另一个解决方案是采用较低热输入焊接工艺,以使用本文所述的焊丝组合物进行焊接。一个潜在的解决方案是使用脉冲焊接工艺、交流焊接工艺、受控短路(CSC)工艺、调节金属沉积(RMD)工艺、有效焊丝(active wire)工艺、热丝工艺以及冷金属过渡(CMT)工艺,其中每一个工艺都可以采用先进的波形和算法在特定的时间减小电流和/或电压,从而减少热输入和飞溅。这些焊接工艺可以潜在地使用比传统CV工艺更少的热输入来制作相同的焊缝。

本文描述的焊丝组合物还增加对焊缝不连续性诸如多孔性的耐受性,焊缝不连续性可减弱整个接头强度。铝接头设计通常包括安全裕度以考虑在制造过程中的不连续性,诸如多孔性。例如,当在生产过程中表面氧化物清洁执行不当时,每单位横截面面积的较强的焊缝补偿该焊缝内部潜在的不连续性。

通过控制焊接工艺形成较小的焊缝或者通过使用较低热输入焊接工艺获得的较低的热输入的另一好处是,减少焊接组装件的变形。铝具有是钢的约两倍的热膨胀系数,并且焊缝变形在焊接铝中比在焊接钢中为更显著的问题。使用上文描述的较低热输入焊接工艺以及本文描述的组合物导致较低的变形倾向。又一好处是当制作较小的焊缝时较快的焊接循环时间。

虽然本文已列举说明和描述了本发明技术的仅仅某些特征,但是本领域的技术人员可想到许多修改和变化。因此,应理解,所附权利要求书意在涵盖所有落入本公开实质精神之内的此类修改和变化。



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