一種具有細小晶粒組織的焊絲或焊條的制備方法與流程

本發明屬于焊接技術領域的焊接材料，特別用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金或銅及銅合金焊絲或焊條的制備。

背景技術：

鋁及鋁合金、鎂及鎂合金密度小，比強度高，抗震減噪性好，承受沖擊載荷能力大等性能優點，廣泛用于制造業中輕金屬結構材料。銅及銅合金具有優良的導熱、導電性能，在有傳熱效率和低電阻要求的結構中也得到廣泛的應用。其中，焊接技術作為關鍵制造技術對上述合金材料的結構安全性和服役性能具有重要的影響。鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、銅及銅合金焊接的主要問題是接頭中的裂紋、氣孔、變形和腐蝕問題。焊縫組織晶粒細化可增加晶界總長與面積，分割焊縫為若干細小的晶粒單元，消除宏觀偏析、使低熔點相均勻分布；同時，液體收縮單元體積減小，緩解了體積應力與熱應力，提高了抗裂敏感性；根據Holl-Petch關系，晶粒細化能有效提高材料的強度而不損害其塑性與韌性。由此可知，焊縫金屬的晶粒細化對保障焊接質量具有重要的意義。

對現有技術文獻的檢索可知，為了獲得細小的焊縫組織，美國專利US20080193792A1和中國專利CN 201210398811.2公開了一種Ti、B微合金化鋁合金焊絲，焊縫中形成了TiB₂和TiC顆粒，顯著細化了鋁合金焊縫組織。但是，如果在焊縫中形成了Al₃Ti顆粒，伴隨焊縫中過量自由Ti的存在，會大大降低鋁合金焊縫的性能；WO 1999017903A1公開了一種Ti、Zr微合金化的鋁合金焊絲，具有高的強度和高的抗裂性，除了過量自由Ti的危害之外，過量Zr的存在導致粗大針狀金屬間化合物的產生，容易導致焊絲在拉拔過程中發生斷裂；專利EP1775037A1公開了一種Zr微合金化的鎂合金制備方法，但是在連續拉拔或擠壓過程中需要進行中間處理工藝，而單獨的Zr微合金化并不能滿足焊縫具有足夠的強度。

另外，隨著合金含量的增加，合金的液固溫度區間變寬，裂紋敏感性增加；還可能降低合金的耐蝕性，同時增加了制造成本，比如CN 201010219084.X公開的一種鎂合金焊絲及制備方法，大量的使用了稀土元素。如果在焊縫凝固過程中引入外場，比如磁場、超聲波、振動場，通常可以獲得細化的焊縫組織。但是，由于外場形成設備的使用增加了工藝成本和設備成本，在很多場合并不實用。

因此，很有必要開發一種鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、或銅及銅合金焊絲(焊條)的制備方法解決該類合金現有的焊接問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術中的不足，提供一種具有細小晶粒組織的焊絲或焊條的制備方法，用該方法制備的焊絲焊接后具有細小的焊縫組織，較高的力學性能，和高的抗氣孔敏感性、高的抗裂性和高的耐蝕性。焊縫具有細小的晶粒組織，保證焊縫的力學性能與被焊接材料相當；由于焊縫組織晶粒細小，因此焊縫金屬具有高的抗裂性、抗氣孔性，焊接殘余應力較小。

本發明的技術解決方案如下：

一種具有細小晶粒組織的焊絲或焊條的制備方法，包括如下步驟，包括：合金的熔煉、澆注、連鑄、擠壓或拉拔，最后成絲。

步驟1，對鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金或其任意組合物進行熔煉形成熔體；

步驟2，熔煉結束后，在保護氣氛中冷卻至低于液相線溫度高于固相線溫度；

步驟3，給熔體施加強烈攪拌，使熔體中的氧化膜發生破碎形成相應納米尺度的MgO、Al₂O₃或Cu₂O顆粒，或者加入人工合成的MgO、Al2O3或Cu2O顆粒，并使其均勻分布于熔體中；

步驟4，進行澆注，對鑄錠進行拉拔，形成焊絲或焊條。

本發明原理為：鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、或銅及銅合金熔點較低，化學活性大，很容易在空氣中、熔體中發生氧化，在合金材料的表面或熔體的表面形成氧化膜。這些氧化膜在空氣中容易吸附水分，熔點遠高于合金熔體，在焊接熔池中容易引起氣孔。經研究發現，這些氧化膜是由大量的鎂、鋁或銅的氧化物顆粒組成。在熔體中將這些氧化膜破碎形成納米尺度的顆粒，可以很好的作為凝固組織的細化劑。然而，在通常情況下，這些納米尺度的氧化物顆粒聚集成團裝或膜狀，不具備細化劑細化凝固組織的能力。在焊絲鑄錠(連鑄)的合金熔體澆注前破碎氧化膜形成(或加入人工合成的)納米尺度的MgO、Al₂O₃或Cu₂O顆粒，在焊絲中均勻分布。根據所述方法制備的焊絲與鎢極氬弧焊、金屬極惰性氣體保護焊或金屬極活性氣體保護焊進行焊接，或者進行釬焊，這些在焊絲中均勻分布的納米尺度的顆粒在焊接熔池中扮演細化劑的角色，可以顯著地細化焊縫的凝固組織。有效的提高了抗裂性和抗氣孔敏感性，焊縫凝固過程中的組織應力、熱應力和拘束應力等都顯著降低。

利用制備好的焊絲進行鎢極氬弧焊(TIG)，或者金屬極氣體保護焊(MIG或MAG)或者釬焊，該類合金焊縫金屬具有細小的晶粒組織和優良性能。

與現有技術相比，本發明方法制備的焊絲焊接后焊縫金屬具有細小的晶粒組織；焊縫的化學成分與母材基本一致，因此，具有良好的耐蝕性；由于焊縫組織細小，焊縫的抗氣孔性和抗裂性均很好，同時，接頭的焊接殘余應力和變形也得到了顯著地抑制。

附圖說明

圖1a用本發明方法制備的鋁合金焊絲鑄錠的組織；

圖1b普通鋁合金鑄錠的組織；

圖2a用本發明方法制備的紫銅焊絲鑄錠的組織；

圖2b普通紫銅鑄錠的組織；

圖3a用本發明制備的AZ31鎂合金焊絲的焊縫組織；

圖3b普通AZ31鎂合金焊絲的焊縫組織。

圖4a用本發明制備的AZ91D鎂合金焊絲鑄錠的組織；

圖4b普通AZ91D鎂合金鑄錠的組織。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1：

選擇Al-5Mg合金進行熔煉，熔煉結束后讓Al-5Mg合金熔體在保護氣氛中隨爐冷卻，等冷卻到低于液相線溫度接近但高于固相線溫度時，給熔體施加強烈攪拌，使Al-5Mg熔體中的氧化膜發生破碎形成納米尺度的MgO和MgAl氧化物顆粒，并使其均勻分布于熔體中，然后進行澆注。用本發明方法制備的焊絲鑄錠的組織組織細小，平均尺寸400μm，常規鑄錠的組織900μm，效果顯著，如圖1所示。

實施例2：

選擇紫銅(純銅)進行熔煉，熔煉結束后讓紫銅熔體在保護氣氛中隨爐冷卻，等冷卻到低于液相線溫度接近但高于固相線溫度時，給熔體施加強烈攪拌，使紫銅熔體中的氧化膜發生破碎形成納米尺度的Cu₂O氧化物顆粒，并使其均勻分布于熔體中，然后進行澆注。用本發明方法制備的焊絲鑄錠的組織組織細小，與常規鑄錠的組織相比，效果顯著，如圖2所示。

實施例3：

選擇AZ31鎂合金進行熔煉，熔煉結束后讓AZ31熔體在保護氣氛中隨爐冷卻，等冷卻到低于液相線溫度接近但高于固相線溫度時，給熔體施加強烈攪拌，使AZ31熔體中的氧化膜發生破碎形成納米尺度的MgO氧化物顆粒，并使其均勻分布于熔體中，然后進行澆注，對鑄錠進行拉拔，最后制備出焊絲。用本發明方法制備的焊絲進行鎢極氬弧焊，焊縫組織細小，平均尺寸40-70μm，普通鎂合金焊絲焊接后焊縫的組織為120-200μm，與普通鎂合金焊絲的焊縫相比，本發明方法獲得的焊絲的焊縫組織細化效果顯著，如圖3所示。

實施例4：

選擇AZ91D鎂合金進行熔煉，熔煉結束后讓AZ91D鎂合金熔體在保護氣氛中隨爐冷卻，等冷卻到低于液相線溫度接近但高于固相線溫度時，在熔體中加入人工合成的納米尺度的MgO氧化物顆粒，并使其均勻分布于熔體中，然后進行澆注。用本發明方法制備的焊絲鑄錠的組織組織細小，平均尺寸80μm，常規鑄錠的組織200μm，與常規鑄錠的組織相比效果顯著，如圖4所示。

由圖1-圖4可見，用本發明方法制備的鋁合金、紫銅(純銅)、鎂合金焊絲鑄錠(焊縫)具有細小的晶粒組織，可以顯著改善該類合金焊縫的抗氣孔性、抗熱裂性和優良的力學性能和耐蝕性能，實施效果良好。用本發明制備的焊絲或焊條，通過鑄錠的拉拔或擠壓制造；焊絲或焊條的化學成分與被焊接材料的化學成分相同或不同；用本發明制備的焊絲或焊條焊接后焊縫的晶粒組織細小，焊縫的抗裂性好，抗氣孔敏感性高，力學性能優良。用本發明制備的焊絲或焊條，特別適合于鎂及鎂合金、鋁及鋁合金或銅及銅合金的熔化焊、釬焊或焊接修復。