铝合金焊丝研究现状及发展趋势

任思蒙,陈 岩,丛福官,徐志强,王国军,巫瑞智

(1.中铝材料应用研究院有限公司应用中心,北京 102218; 2.东北轻合金有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150060; 3.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

近年来,焊接技术不断发展,越来越多的领域为进一步轻量化,零部件多采用焊接连接。铝合金是实现轻量化的重要材料之一,新能源汽车、“复兴号”高速列车、飞机壁板、神舟载人系列飞船等均采用高强高韧铝合金焊接结构,这些焊接结构的性能,往往取决于焊接工艺和焊丝选择。其中,先进的焊接工艺可减少接头缺陷;焊丝则是影响焊缝化学成分、微观组织、力学性能、接头裂纹敏感性、耐蚀性的关键因素。本文综述了铝合金焊丝的成分、应用性能及加工工艺的研究进展[1-2]。

1 铝合金焊丝的化学成分

铝合金焊丝化学成分一般以某一种元素为主,其他微量元素为辅[3]。根据国家标准GB/T 10858-2008《铝及铝合金焊丝》,铝合金焊丝按照化学成分分为纯铝焊丝、铝铜焊丝、铝锰焊丝、铝硅焊丝、铝镁焊丝。其中“SAL”表示铝及铝合金焊丝。国际上美国焊接协会的铝合金焊丝标准[4]规定焊丝牌号对应字母代号为ER(盘丝,Electrodes and Rods)和R(直条,Rods)。

本文介绍了常用的铝镁焊丝、铝铜焊丝和铝硅焊丝。

1.1 铝镁焊丝主要合金元素及作用

铝镁焊丝中w(Mg)为0.6%～10.5%,常用变形铝镁合金中w(Mg)为0.8%～5.2%。Mg在α-Al中的溶解度随温度而变化,在共晶温度,Mg在Al中的溶解度仅为3%～6%,当合金中Mg含量超过溶解度时,析出的β(Al3Mg2)相可起到弥散强化作用[5]。在铝镁焊丝中添加少量的Zn,能增加Mg2Zn强化相数量,从而提高焊缝强度。当w(Zn)<0.2%时,Zn的添加对铝镁焊丝的力学性能与耐腐蚀性能几乎没有影响。

Mn和Cr在Al-Mg合金中具有相似作用,二者均能降低合金热裂倾向,提高母材和焊接接头强度。Mn元素添加量一般不超过1.0%(质量分数),Mn元素一部分固溶在α-Al中,其余以Al6Mn相存在组织中,作为弥散质点对再结晶晶粒长大起到阻碍作用。此外,Mn可以细化合金中针状β-AlFeSi相,消除粗大化合物对合金性能的不利影响。焊丝成分中加入微量的Cr,在α-Al基体上弥散析出Al7Cr针状相[6],提高焊缝性能,w(Cr)一般不超过0.35%,否则Cr与其他元素如Zr、Ti等结合形成粗大的金属间化合物,降低合金的韧性。若同时加入微量Mn、Cr元素,强化效果更佳[7-8]。

Fe对于铝镁焊丝是有害杂质元素,Fe与Mn、Cr等形成一种难溶金属间化合物,降低Mn和Cr在合金中的作用,并且这种脆硬化合物的存在会加速裂纹的产生。Fe元素还会降低铝镁焊丝的耐蚀性能,w(Fe)一般不超过0.4%,最好限制在0.2%以内。与Fe元素相比,Si元素的副作用更大[9],Si与Mg会形成Mg2Si金属间化合物,降低合金塑性,w(Si)一般控制在0.5%左右。

1.2 铝铜焊丝主要合金元素及作用

Cu与Al能形成有限固溶体,在室温时,Cu在α-Al中的溶解度小于0.10%,当温度达到共晶点(547 ℃)时,Cu在α-Al中的溶解度为5.65%～5.75%,可在焊缝中起到较好的固溶强化作用。同时,Al-Cu合金为可热处理强化铝合金,通过焊后热处理能进一步提高焊接接头的强度[10]。当Al-Cu合金中w(Cu)=4.5%～5.5%时,具有最佳的固溶时效强化效果[11-12]。

Mg元素的添加可获得更多数量的S相Al2CuMg,同时Mg元素固溶到α(Al)基体中,大幅提高合金强度[13];但当w(Mg)超过1.7%时,形成过多的S相Al2CuMg偏聚在晶界,减小了成分过冷度,降低合金形核率,晶粒有充足时间长大导致晶粒粗化[14]。

铝铜焊丝中的Si、Fe等杂质元素会降低Cu在α-Al中的固溶度,形成金属间化合物,有的甚至出现低熔点多元共晶相。如汉字状的α-Fe(Al5(FeMn)3(SiCu)2)[15]、Al6(FeMn)[16]、AlmFe[17]相,板状Al3(FeMn)[18]和β-Fe(Al7Cu2Fe)[19]相。

Mn是Al-Cu铝合金中重要的合金元素,在凝固过程中形成T(Al20Cu2Mn3)相[20-21],该相在随后的固溶热处理过程中在Al基体中弥散沉淀析出,增强基体抗高温形变能力和耐蚀性。此外,Mn的原子半径和晶体结构与Fe的相似,能够替换多元共晶相中的Fe元素,使其原来的片状、针状改变为多面体状、球状等[22]。但Mn含量较高时,T相增多使合金脆性增加,也会引起Mn的偏析,使焊缝力学性能下降[23]。

1.3 铝硅焊丝主要合金元素及作用

Si可以改善合金的热膨胀性和耐磨性,Si在α-Al中最大溶解度为1.5%,在焊缝中可起到一定的固溶强化作用,同时能提高接头抗裂性。焊缝为激冷铸造组织,随着Si含量的增加,Al-Si合金中将出现片状或者针状共晶硅相分布于基体上[24],严重割裂了α-Al基体,降低合金力学性能。在铝硅焊丝中,通常加入一定量的变质剂来减小共晶硅尺寸,改善共晶硅形貌,从而提高焊接接头的综合性能。

Mg元素添加到Al-Si合金后,出现Mg2Si强化相,但如果添加过量Mg元素,产生Mg2Si粗大金属间化合物,不但起不到强化作用,还会降低合金力学性能[25]。

1.4 稀土元素及作用

常见稀土元素为Sc、Zr、Er等,稀土元素化学性质较为活泼,稀土元素在Al-Mg、Al-Cu、Al-Si合金中作用主要是净化和晶粒细化。

稀土元素化学性质活泼,与杂质元素H、S、Fe等有很强的化学亲和力[26]。研究表明,在铝合金熔铸过程中,稀土元素与杂质元素形成稀土化合物,作为熔渣去除,同时减少铝液的氢含量。

焊丝作为填充物质对焊接接头组织具有遗传性,若焊丝含氢量和杂质元素得到有效控制,一定程度上可减少焊缝气孔、夹杂缺陷,提升焊缝性能。Sc、Zr、Er等稀土元素的加入,形成Al3Sc、Al3Zr、Al3Er等复合相,该相与基体共格和半共格能够强烈地定扎位错和晶界[27]。焊接过程是快速熔化和冷却的不平衡过程,焊缝组织由枝晶和沿晶界分布的粗大共晶组成,稀土元素作为变质剂进行变质处理使铸态组织得到细化,有效改善焊缝组织,提高合金接头力学性能[28]。在众多稀土元素中,Sc元素细化组织和提升合金性能最明显,Sc与其他元素协同作用时,对合金的益处更佳。

Sc在Al-Mg中的存在形式主要为Al3Sc相。在w(Cu)大于1.5%的合金中,w(Sc)>0.20%时会形成W相AlCuSc,该相会在铸造结晶阶段形成,在随后的热加工过程中也不溶解,使得进入W相的Sc和Cu元素均不参与合金的强化,因此不利于发挥Sc的作用。也有文献报道指出[29],Al-Cu-Sc合金形成W相的临界条件是w(Cu)=3.5%、w(Sc)=0.10%。但是俄罗斯有关学者认为,w(Cu)=2%～4%,w(Sc)<0.5%时,凝固组织不会有W相;英国学者把质量分数为0.3%和0.8%的Sc加入2024铝合金(w(Cu)=4.5%,w(Mg)=1.5%),合金凝固后经XRD分析发现,只有当w(Sc)>0.6%时,才有W相生成。

Sc与Mn不形成金属间化合物[30]。Mn可提高合金的韧性及抗腐蚀性。但过量的Mn会降低Sc的溶解度,一般w(Mn)=0.2%～0.5%。

Ti能溶解于Al3Sc相中,但其溶解度相当小[31]。当Sc添加到一定浓度时候,才出现变质作用,起到细化晶粒等有益作用。Ti的作用与Zr一样,可以增强Sc的变质效果,可减小Sc的临界浓度。但是,加较多Ti会影响合金铸锭质量,降低合金强度,加速合金的软化过程。不过,在铝合金中在加入Ti时,可添加适量的Zr充分中和Ti的不良作用,w(Ti)=0.02%～0.06%为宜。

两种或两种以上稀土元素添加到铝合金中能发挥出较为明显的优势[32]。其中典型稀土元素Sc、Zr复合添加形成Al3(Sc,Zr)复合相,Zr元素能较多地溶解到Al3Sc相中,Al3(Sc,Zr)复合相的晶格类型、点阵参数与Al3Sc的参数较为接近,该相不仅保持了原有Al3Sc相的全部有益作用,在加热条件下,其聚集倾向比Al3Sc小得多。因此,Sc和Zr复合添加到焊丝铸坯中,首先可以提高焊丝加工性能,避免断丝等情况发生;其次还可以减少钪元素加入的量,降低铝钪合金生产成本;最后还能过渡到焊缝熔池中,发挥其特有优势。

有学者[33]研究Sc、Zr添加最佳比例时发现Al3(Sc,Zr)相内有50%的Sc原子被Zr原子置换,因此在工业铝合金中Sc和Zr的含量之比接近1∶1。然而,在工业化生产焊丝铸坯时,在尺寸较大规格的铸坯中,w(Zr)超过0.10%时,就会形成粗大的初生金属间化合物Al3Zr,因此在工业化生产中w(Zr)一般在0.08%～0.12%。Sc的含量理论上应与Zr相同,但考虑到并非加入的钪都被利用上了,因此,w(Sc)可以提高到0.15%～0.3%。

2 铝合金焊丝的加工工艺

铝合金焊丝坯料生产工艺主要有连铸连轧法、铸造-挤压法和水平连铸连拉法三种[34]。

2.1 连铸连轧工艺

1948年,意大利的Continuus公司建立了世界上第一条原铝杆连铸连轧Properzi生产线,国外铝合金焊丝坯料的生产多采用连铸连轧法,制备线杆的主要工艺流程:配料→熔化→精炼→连续浇铸→铸造菱形坯料→入轧→热连轧→φ9.8 mm的线材坯料[35]。再通过后续轧制、拉拔、退火等工序制备成成品焊丝。目前国内有几家企业建立了连铸连轧生产线进行ER5356、ER4043焊丝制备,但与世界先进水平相比仍有较大差距。

连铸连轧工艺起初是电缆行业生产铝和软铝合金线坯的主要方法,我国采用连铸连轧工艺生产铝合金线坯约占其总量的90%以上,其工艺的特点为设备投资适中、产品的单重大(2 t/捆),生成效率较高,成材率在90%以上,产品质量较稳定。但由于连铸过程生产速度较快,浇铸过程熔体极易吸氢,导致铸锭氢含量大;此外,若铸造工艺控制不当,线坯还会产生疏松、氧化夹杂等缺陷[36];轧制过程中氧化膜和润滑油进入也会对后续制备焊丝造成不利影响。

2.2 水平连铸连拉法

水平连铸连拉制备铝合金线坯工艺流程为:配料→熔化→精炼→水平连铸连拉(12个或者24个结晶器并联)→φ12 mm左右的线坯。该种生产规模适中,特别适合于中小企业进行专业化生产,经济效益高。

水平连铸连拉法的特点是设备投资少,但生产的线坯料不可避免出现枝晶偏析、晶界偏析和区域偏析等,这些偏析在后续拉拔工艺中难以消除,消除偏析的手段通常采用均匀化制度进行组织调控,但在水平连铸连拉工艺下,线坯基本上都是一体化生产,若增加均匀化热处理工序,无疑增加了生产成本,失去了该种工艺的经济优势[37]。

2.3 半连续铸造-热挤压-拉拔工艺

半连续铸造-热挤压-拉拔工艺流程:配料→熔化→铸造→铸锭均匀化→加热→挤压→拉拔。中南大学、东北大学等一些学者采用铜模铸造-挤压-拉拔方法成功制备了Al-Si系、Al-Mg系合金焊丝。

目前国内军工或航天航空类铝合金焊丝线坯的研制生产主要采用立式半连续铸造-挤压法,所用设备也可以生产其他铝合金线材(如铆钉线),国内中国兵器科学院使用此方法,使SAL5356铝合金焊丝的品质得到了较大的提升。中铝郑州有色金属研究院以高纯金属为原料,采用真空熔铸→挤压→拉拔法,生产Al-Li合金焊丝。用真空熔铸解决了Al-Li合金熔铸过程中易吸氢、氧化造渣、成分偏析、缩松严重等问题,保证了焊丝品质。在挤压过程中,铝合金在挤压筒内的变形区处于三向压缩应力状态[38],可获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的静水压力,可充分发挥加工铝合金本身的塑性。因此,用轧制工艺和锻造工艺难以加工、甚至无法加工的塑性低、脆性大的铝合金,可以用挤压工艺加工。比如,铝硅共晶焊接材料和铝硅铜钎料,可经过热挤压制备成棒材,然后可进行拉拔,最终制成丝材。铝合金铸锭会存在夹杂、疏松等缺陷,晶粒组织通常较为粗大,存在脆性的化合物相,挤压可以破碎粗大的脆性化合物,改善铝合金焊丝的力学性能。尽管挤压工艺具有诸多优点,但是也存在一些不足之处,如前期设备投资大、工序繁琐,设备占地面积大,模具消耗及能耗较高,生产过程中产生的几何废料较多,产品成品率相对较低[39]。

“天葬师不应执迷于女性的胴体。”他的脑海中回响起师父的那番话，“她们的肉体，只是承载灵魂的容器，在天葬师的眼中，应与一截草木、一块顽石无异！”

3 铝合金焊丝应用

焊接铝合金时,焊丝选择主要从母材及应用场景的要求考虑,如抗裂性、疲劳性、耐腐蚀性等等。一般情况下,铝合金焊接多采用铝镁焊丝或者与母材成分接近的焊丝。如果缺乏相应的标准牌号焊丝,可从母材上切下条状线材或进一步加工成成品焊丝代用。但如果母材为2×××系、7×××系等裂纹倾向较大的可热处理强化铝合金,应从解决焊缝抗裂性的角度选择焊丝,焊丝的成分可能与母材成分有一定差别。

铝镁合金焊丝用量较大,主要牌号有ER5356、ER5556、ER5183铝合金焊丝等,其中ER5356和ER5183铝合金焊丝的使用量分别占5×××系铝合金焊丝的50%和30%,目前在新能源汽车、船舶、轨道交通应用最为广泛。由于其制造成本较为低廉,具有一定优势,常常用于焊接Al-Mg系(如5083)、Al-Mg-Si系(如6061、6082)及Al-Zn-Mg系铝合金。同时适用于表面堆焊,具有强度高、可锻性好,抗腐蚀性好的优点。这两种焊丝焊接5083O铝合金焊接接头强度约为275～300 MPa。

目前成熟的ER2319等铝铜合金焊丝应用于铝锂合金燃料贮箱、飞机蒙皮壁板焊接,还被应用于电弧增材技术制造圆环来取代大尺寸锻环产品。20世纪90年代起,NASA及Lockheed Martin[40]公司研制出B218铝铜焊丝,焊丝成分为Al-Cu-Ag-Mg-Ti-Zr,并采用VPPA焊接技术焊接2195铝锂合金,焊缝强度可达348.2 MPa,伸长率7.8%。我国施军[41]等选用ER2325焊丝,采用VPTIG的焊接方法对2 mm厚Al-Cu合金薄板进行焊接实验,接头强度达到373 MPa,伸长率为7.4%。束彪等[42]应用MIG脉冲焊接工艺,采用ER 2319焊丝焊接T8态铝锂合金,焊态接头强度可达到308.5MPa,焊后经过固溶+时效处理,拉伸性能得到显著提高,达到420 MPa。呙永林等人采用现有焊丝ER2195、ER720、ER4043、ER2195Sc对2195-T8铝锂合金采用十字搭接法测定焊丝裂纹敏感性,发现2195Sc焊丝抗裂性较好,结晶裂纹率K=0。

铝硅合金焊丝典型牌号有ER4043、ER4047。ER4043焊丝w(Si)=5%,是一种通用性较大的铝硅合金焊丝,具有优良的抗热裂性能,也能保证一定的力学性能,可被推荐于焊接3003、3004、5052、6061、6063变形铝合金和A356铸造铝合金。ER4047焊丝中w(Si)=12%,该焊丝不仅用于MIG或TIG焊接,同时可作为普通用途的铜焊条使用,具有较好的抗腐蚀性能,是铜焊或铝焊比较受欢迎的铝合金焊丝。可用于1060、1350、3003变量铝合金和铝合金铸件的焊接。

4 铝合金常用的填丝焊接方法

除焊接材料之外,焊接方式也是决定焊缝质量和效率的关键原因。铝合金对不同焊接方法的适应性非常好,根据所焊材料和焊丝的不同,合理选择不同的焊接方法[43]会得到良好的焊接效果。采用焊丝进行焊接的工艺方法主要有[44]MIG焊和TIG焊等。MIG和TIG焊都属于电弧焊,MIG焊以焊丝作为填充材料和电极,具有焊接效率高、成本低廉的优势;TIG焊以焊丝作为填充材料,通常以钨金属作为电极,具有焊缝成型美观、气孔率低的优势。

在TIG基础上,研究学者发明了活性TIG焊和双枪TIG焊,活性TIG焊是在工件表面涂覆一层薄薄的活性剂,然后再进行正常焊接,通过改变电弧收缩和熔池流动使得焊缝熔深显著增加,可达到普通TIG焊的2～3倍,适用于铝合金中厚板焊接,大大地提高焊接效率[45]。双枪TIG焊是采用两把焊枪对工件进行同时焊接,因其特殊的电流流动,能有效减少厚板焊接的层道数,降低热输入对材料的影响,一定程度上减少热影响的范围,从而提高工件精度,也提高了焊缝质量,同时有效降低生产成本。

5 铝合金焊丝存在的问题

1)断丝问题。合金因成分偏差、氢含量与杂质含量偏高和加工参数不当在拉拔过程中易断丝。应控制焊丝化学成分,改善熔炼工艺,减少粗大脆性化合物,保证焊丝表面质量。

2)气孔问题。氢在铝合金液态和固态溶解度相差接近20倍,而焊缝凝固是一个快速短暂过程,熔池中极小的颗粒会作为气泡形核质点,氢附着在周围,随着焊缝的凝固,氢来不及溢出,易形成气孔。因此要尽量控制焊丝表面质量,保证焊丝表面光洁度,减少擦划伤,减少氢的来源。

3)对于铝合金焊丝元素添加方面的研究,国内更偏向于经验性的实验,而采用模拟计算指导生产的思路还未成熟。因此应该加强在模型分析上的研究,一方面可减少前期实验,辅助实验设计,减少工业化试错次数;另一方面可以加深研究的深度,从而提出更有益于焊丝研发的新思路。

4)国内各大行业尤其轨道交通、海洋船舶所用高端铝合金焊丝几乎全部来自进口,高质量的焊丝制备技术掌握在法国、日本、瑞典等发达国家。因此,在开发国产新型可焊铝合金时,进行焊丝适配性研究和开发配用的新型焊丝,对我国军工保供、实际应用、成果转化都具有重大意义。

6 总结及发展趋势

目前国产铝合金焊丝生产质量还不如法国、美国、日本等发达国家的,主要差距体现在成分设计合理性、生产加工工艺精准控制、焊丝批量稳定性等方面。现有焊接材料开发进度远不及高强高韧铝合金板材、型材、管材、锻件等系列产品的。

未来我国将加快用于配套军工、航空航天等焊接材料的研发脚步,从合金成分设计、熔体净化、拉拔工艺等多方面入手,根据不同应用场景和焊接方式,开发出高品质焊丝,以提高铝合金焊接结构件的综合性能,实现我国关键焊接材料自主可控。