專利名稱：鋁合金焊絲的制作方法
鋁合金焊絲交叉引用相關申請本項申請主張2010年2月10日提出的第61/303，149號美國臨時專利申請《鋁合金焊絲》的優先權，該申請以引用的方式并入本文。
背景技術：
本發明大體上涉及焊接用填充金屬領域，具體涉及適用于焊接鋁合金的復合物。有很多已知并且目前正在使用的金屬件連接工藝，包括釬焊和焊接。釬焊和焊接都能連接鋁制品和鋁合金件。與鋼或其它金屬不同，鋁合金因金相、熔點、隨特定合金劑的變化而變化的強度等因素而存在特殊問題。此外，由于一方面追求減小鋁合金工件的厚度，另一方面又希望工件越來越厚，因此很難選擇性能良好、能夠達到所期望的物理機械性能 的釬焊和焊接材料。釬焊操作使用熔化溫度低于待連接基底金屬溫度的填充金屬。在釬焊中，基底金屬不熔，選擇填充金屬的合金元素，使其降低填充材料的熔化溫度，濕潤在基底金屬中始終存在的氧化鋁，以便在不熔解基底金屬的情況下達到冶金結合。在某些應用中，可以在置于真空或保護環境的熔爐中實施釬焊，其中，溫度僅在填充金屬熔化、通過液體流動和毛細管作用填滿固體基底金屬元件之間的接頭后才上升。釬焊接頭一般用于低強度的鋁合金以及很薄的截面結構，例如，汽車散熱器以及換熱器，例如，用于暖通空調系統的散熱器以及換熱器。釬焊溫度可使非熱處理鋁合金和熱處理鋁合金退火，從而改變冷加工或熱處理及時效處理所達到的機械性能。因此，雖然釬焊的應用比較廣泛，但不適用于連接高強度結構用
I=I -Wl o
焊接操作通過熔化每個待連接工件的一部分基底金屬，同時熔化填充金屬以在接頭中形成焊接熔池來連接金屬件。焊接需要在接頭處集中加熱，以形成焊接熔池，焊接熔池一旦凝固就產生的化學復合物是填充金屬和基底金屬的混合化學品。一般可以控制足夠高的焊接溫度，使填充金屬和基底金屬兩者熔化，并保持最小的基底金屬熱影響區，以保持機械性能。釬焊和焊接的添加料一般為絲狀，即通過焊炬進給的連續長絲，或手動進給的短絲，或甚至為條狀，例如，焊條焊接(stick welding)用涂藥焊條，具體形狀取決于應用。但是，目前可用的鋁合金釬焊和焊接焊絲不能滿足眾多現代應用的需求。舉例來說，現有產品在連接操作中缺乏所需的流動性，或者缺乏當在焊接應用中與基底材料結合所需的強度，在一系列現代焊接工藝中尤為如此。此外，當焊弧在熔透力、發熱量和熔池形成等方面差異較大時，現有鋁合金焊絲及復合物無法使最終接頭的復合物和強度達到所需程度的一致性要求。目前需要適合焊接(及釬焊)應用(滿足該等需求)的改進型鋁合金復合物。
發明內容
根據一個方面，本發明提供了形成焊接接頭或釬焊接頭的復合物，包含重量百分比約為4. 7% 10.9% (包含這兩個值)的硅、重量百分比約為0. 15% 0.50%(包含這兩個值)的鎂、其余為鋁及痕量成分。這些成分的特定子范圍具有改進的性能和優異的強度，特別引人注目。此外，本發明提供了焊接或釬焊用填充金屬產品，包括卷筒焊絲、直線焊絲或焊條，構成為重量百分比約為4. 7% 10. 9% (包含這兩個值)的硅、重量百分比約為0.15% 0.50% (包含這兩個值)的鎂、其余為鋁及痕量成分。根據另一個方面，本發明提供了焊接接頭或釬焊接頭的構成方法，包括熔化至少一部分工件的基底材料，在熔化的基底金屬中加入填充金屬，所述填充金屬包含重量百分比約為4. 7% 10.9% (包含這兩個值)的硅、重量百分比約為0. 15% 0.50% (包含這兩個值)的鎂、其余為鋁及痕量成分，以及容許形成的焊接接頭或釬焊接頭凝固。此處再次說明，某些工藝和子范圍具有優異的性能和強度。本發明還意在涵蓋由所提供的新方法和材料所制成的接頭和結構。
結合附圖閱讀以下詳細說明有助于更好地理解本發明的上述和其他的特性、方面及其優勢，附圖用相同的符號表示相同的部件，其中圖I為一種示范性焊接系統(適合使用本文公開的新型復合物)的圖解視圖；圖2為另一種示范性焊接系統(適合使用新型復合物)的圖解視圖。
具體實施例方式本披露文件首先描述了本發明所提供的新型復合物，其次論述了優先配合新型復合物使用的典型焊接操作，隨后探討了能從復合物的使用中獲益的某些示范性應用。請在整個論述過程中謹記，這種新型復合物的用途不單單局限于焊接或甚至作為填充金屬，還適合其他應用和操作，例如釬焊。同樣需要理解的是提及“焊絲”時，也同時提及其他適當形式的添加金屬，包括但不限于，適用于送絲器應用的連續焊絲(例如，用于金屬惰性氣體(MIG)電弧焊的連續焊絲)、焊條(例如，用于鎢極惰性氣體(TIG)保護焊及焊條焊的焊條)以及適用于焊接、熔合、釬焊、板材熔覆(braze cladding of sheet)等類似操作的其他形式。在一個方面，提供了用于焊接由鋁(Al)和鋁合金制成的工件的新型復合物。在廣義上，復合物包括重量百分比為4. 7 10. 9的硅(Si)、重量百分比為0. 15 0. 50%的鎂(Mg)以及其余為鋁，其具有在鋁填充金屬中常見的痕量元素。目前預期的實施方式包括重量百分比為4. 7 8. 0%的娃,在一個實施方式中，娃的重量百分比為5. 0 6. 0*%。另外，在某些實施方式，鎂的重量百分比為0. 31 0. 50%，以提高多種焊縫的強度。就像全球主要的鋁生產商提供的那樣，鋁可能包含痕量元素雜質，包括但不限于，鐵、銅、錳、鋅、鈦和鈹。在一個實施方式中，鋁合金焊絲可進一步包含總量多達以下數值的下列元素的任意一種或全部重量百分比為0. 80%的鐵、重量百分比為0. 30%的銅、重量百分比為0. 15%的錳、重量百分比為0. 20%的鋅、重量百分比為0. 20%的鈦以及重量百分比為0. 0003%的鈹(所有其他痕量元素的總重量百分比不超過0. 15%，每種痕量元素的重量百分比不超過0. 05% )0在復合物形成焊絲的實施方式中，可以提供焊接作業用直線形焊絲(即填充金屬)。直線焊絲(連續或定長剪切狀)的直徑一般不小于0.010英寸，通常小于0. 30英寸。在優選實施方式中，直線焊絲具有一種或多種直徑，例如，0. 023英寸、0. 030英寸、0. 035英寸、0. 040英寸、0. 047英寸、0. 062英寸、0. 094英寸、0. 125英寸、0. 156英寸、0. 187英寸及0. 250英寸。為了預期的目的，可以對含其余為鋁和痕量雜質的填充材料的個別成分的量進行選擇，生產特定的填充合金。例如，如上所述，合金復合物包含重量百分比為4. 7 10. 9%的硅，具體為接近該范圍中間的量，例如，8.0%以下的重量百分比。在特定的實施方式中，硅含量的重量百分比，舉例來說，可為5.0 6.0% (例如，重量百分比為5. 2 5. 8%的娃)或者介于5. 4 6. 0% (例如，重量百分比為5. 5 5. 8% )。在硅的任一范圍內，鎂的重量百分比在0. 15 0.50% (包含這兩個數值)之間變 化。換言之，在上述硅的任一范圍內，鎂的含量可作選擇如下重量百分比0. 17 0.40%、0. 20 0. 30%,0. 22 0. 30%,0. 25 0. 30%,0. 15 0. 25%,0. 15 0. 23%,0. 15 0. 20%,0. 18 0. 28%以及/或者0. 20 0. 25%。在當前預期的實施方式中，鎂的數量接近范圍的上限，其重量百分比為0. 31 0. 50%,以獨立于基底金屬的稀釋提高焊接強度，詳情參見下文。擬在鋁協會中登記當前考慮的一個實施方式，并且向美國焊接協會提交該實施方式，使其認證為認可的鋁焊接合金X4043P (硅含量為5. 0 6. 0%重量百分比，鎂含量為0. 31 0. 50%重量百分比)。本發明所述的復合物特別適用于焊接應用，雖然它們也可用于釬焊等操作(例如，電鍍)。圖I和圖2所示的示范性焊接系統可被有效利用來制造利用本文公開的復合物的鋁工件和鋁合金工件的接頭。如上所述，可以使用各種焊接系統和工藝，包括金屬惰性氣體保護焊(MIG)工藝、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)工藝、焊條焊(stick welding)工藝等(以及釬焊工藝)。圖I為示范性的金屬惰性氣體保護焊(MIG)系統10，包括電源供應器12和來自氣源16的保護氣體，電源供應器12用于從電源14處獲取電力。在很多實施中，電源包括電網，而其他電源也是常見的，例如，內燃發電機組、電池及其他發電儲能裝置。一般用加壓瓶提供保護氣體。電源供應器12包括電源轉換電路18，電源轉換電路18將外來或存儲電能轉換成適用焊接的形式。正如本領域的技術人員能夠領會的那樣，電源轉換電路可能包括整流電路、轉換器、逆變器、斷路器、增壓電路等。此外，電路可根據焊接工藝的選擇產生交流電或直流電輸出。電源轉換電路與控制電路20耦合，用來控制轉換電路的運行。一般而言，控制電路包括一個或多個處理器22和內存24，內存24存儲由處理器執行的用來調節轉換電路運行的焊接參數、設定點、焊接工藝程序等。舉例來說，處理器可使轉換電路執行恒電流工藝、恒電壓工藝、脈沖焊接工藝、短路過渡工藝(short circuit transfer processes)或者適用于具有該公開的復合物的焊接鋁部件的其他合適的工藝。操作員界面28允許焊接操作人員選擇焊接工藝，并設定如電流、電壓、送絲速度等焊接參數。電源供應器12通過線纜30與送絲器32連接。線纜可能包括輸送焊接電力的電力線纜，傳遞控制信號和反饋信號的數據線纜、以及提供保護氣體的氣體軟管或線纜。送絲器32包括根據所公開復合物所述的焊絲卷筒34。送絲驅動36從卷筒中拉出焊絲，將焊絲送往與焊炬40連接的焊接電纜38。盡管送絲器可能包含自有處理器和內存(未顯示)，自有處理器和內存用于控制或協同控制送絲速度、自電源至推進的焊絲的電力應用，但送絲驅動一般根據電源的設置來工作。另外還需要注意的是送絲器可能包含自有界面(未體現)，其允許焊接操作人員改變焊接工藝、焊接設置、送絲速度等。焊接電纜38向焊炬40輸送電力和氣體，并且可以向送絲器(再向電源)輸送數據信號(例如，檢測電流和/或電壓)。在鋁焊接應用中，焊炬40可設置內部電機，在送絲器32協同推動焊絲時拉動焊絲。工件電纜42與待焊接工件44相連，并且容許通過焊炬、焊絲和工件建立閉路，在焊絲和工件之間形成焊弧。焊弧在焊接期間(在選擇特定的焊接工藝和控制體系時)保持不變，并且熔化焊絲，一般至少熔化一部分工件或待連接的工件。如圖I附圖標記46所示，焊接系統可作調整，以接納焊條焊焊炬。這種焊炬使用的是電焊條48 (可根據公開的復合物制造)而不是連續卷筒進給的焊絲。正如本領域的技術人員能夠領會的那樣，焊條焊焊炬可直接連接焊接電源供應器12，焊接電源12可執行其他焊接進程(例如，金屬惰性氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG))，或者在本項應用中，電源可以就可用工藝方面而言具有更多有限功能。圖2為能配合公開的新型復合物使用的示范性鎢極惰性氣體保護焊(TIG)系統。
鎢極惰性氣體保護焊(TIG)系統50也包含電源供應器52，電源供應器52與上述系統類似，其用于接收來自電源54的電力，來自氣源56的保護氣體。正如本領域的技術人員能夠領會的那樣，所用的保護氣體因所選定的工藝而異。電源供應器52同樣包含電源轉換電路58及相關控制電路60。控制電路60包括一個或多個處理器62和內存64，內存64用于存儲焊接設置、焊接工藝等。同樣，操作員界面68可允許焊接操作人員設置鎢極惰性氣體保護焊(TIG)工藝的焊接參數。不過，在鎢極惰性氣體保護焊(TIG)工藝中，焊絲不會被送往工件，僅通過適合的線纜70輸送電力和氣體。焊炬72接收電力和氣體，并且允許通過內部鎢極產生焊弧。工件電纜74與工件76連接，來閉合電路。用工件產生焊弧以后，焊絲78被送往焊接位置，并在該位置被熔化，一般至少熔化工件的一部分基底金屬。腳踏開關78 (或另一種操作人員輸入裝置)可允許操作人員在焊弧持續時以及焊接進行時對工藝過程進行精細控制。還需要注意的是，配合本發明所述的復合物使用的工藝可以部分自動化或全自動。也就是說，在某些設置下，可使接頭被編程為用自動焊接系統、自動機械等來執行。在大多數這種設置下，焊絲如上文所述從卷筒連續進給。另外，復合物可與多種其他工藝和應用，例如，激光焊接、點焊、激光釬焊等配合使用。雖然工藝可通過設計適用于鋁和鋁合金的連接，復合物絕不僅限于該等應用，還可以連接鋼等非鋁基底材料。上述方法允許形成包含熔融鋁填充材料合金以及部分熔融工件的熔池。在某些實施方式中，熔池包含的鋁填充金屬合金的重量百分比超過20 %、30 %、40 %、50 %、60 %、70%、80%、90%、92%、94%、96%、98%、或99%，剩余部分為熔融的基底金屬工件。本發明所述的復合物使用規范也可有效用于生成鋁結構的熱處理和時效處理。某些這類操作可在溫度高于室溫以及低于基底金屬工件、鋁填充金屬合金及熔池的熔化溫度進行。熱處理步驟的時間最好在30分鐘和30小時之間(如I小時 10小時，例如，2小時 8小時)。另外，工藝過程可能包括允許焊接的鋁結構在高于環境溫度的溫度下在介于30分鐘和30天(例如，I小時 I周，例如，2小時 12小時)的一段時間內作時效處理。另外，在環境溫度下進行I周 2年(例如,2周 I年,例如，I月 6月)的時效處理對復合物有利。
可以相信，使用本發明所述的復合物和焊絲能生產質量優良、焊接性能(包括與利用其他鋁填充金屬焊接的鋁結構相比，剪切強度和抗拉強度更高)良好的焊接鋁結構。舉例來說，可以相信，復合物可憑借焊態下的固熔強化以及鎂和硅的金屬化合物在焊接結構物焊后熱處理和/或時效處理中的形成和沉降而擁有更大的強度焊接接頭。本發明所述的復合物，例如單合金板、釬焊復合板、板材、管材、條材、棒材、擠壓制品、鑄件、鍛件、粉末金屬零件以及各種配置的金屬陶瓷(例如，圓形、方形、矩形)或者其中幾種配置的組合，可有利于各種工件和工件配置。可以根據要求設置任何厚度，以打造預期的焊接結構。這些復合物都能很好地配合基底金屬工件的所有厚度以及具有熔融的基底材料的熔池的所有稀釋量來工作。具體而言,在lxxx、2xxx、3xxx、5xxx直到3%鎂、6xxx及7xxx系列招合金中配合鋁合金基底材料使用時能改善性能。更具體地說，本發明所述的復合物有利于用6XXX系列 鋁合金制作的基底材料工件。由于可進行熱處理，因此6XXX系列合金在很多鋁結構中的應用尤為廣泛。舉例來說，上述結構包括擠壓制品、薄板及板材，應用于汽車、卡車拖車、船舶、軍用車輛等無數結構的制造。多年來，人們一直用鋁-硅二元合金4043焊接6xxx系列鋁合金。4043合金不能進行熱處理。其焊態強度為采用4043合金焊接的最廣泛使用的6XXX系列合金強度的50%。加入鎂能使4043成為與6XXX系列合金類似的、可進行熱處理的三元合金，加入足夠的鎂可使4043達到很高的焊態下強度，在焊后熱處理和時效處理中達到與6XXX基底金屬類似的機械性能。在焊接操作中，熔池被一定數量的熔融基底材料稀釋，這種現象簡單稱為稀釋。如果用4043焊接6XXX系列基底金屬時，舉例來說，發生稀釋，則填充金屬與基底金屬熔合，并且熔池需要一定數量的鎂。熔池的強度隨著稀釋量的增加而提高。目前已經有例如6061的基底金屬的焊接規范，例如，AWS Dl. 2。規范在假設基底金屬的最小稀釋量為20%的情況下，規定最終焊接組件必須達到的剪切強度和抗拉強度。必須在生產中遵守這些設計規范規定的焊接工藝。但是，在本發明之前，行業無法始終如一地滿足6xxx系列合金的規范要求。當基底金屬和填充金屬的化學范圍與焊接工藝中的所有變化因素相互結合時，熔池的焊后鎂含量缺乏一致性，無法通過控制始終達到規范要求的含量。在兩種常用焊接設計中，即角接接頭和對接接頭，80%的焊接普遍采用角接接頭。由于物理形狀的關系，焊接角接接頭時，稀釋量很小。同樣，在截面厚度大于3/8英寸或小于3/32英寸的結構中焊接對接接頭時，稀釋量很小，甚至根本不稀釋。因此，這些焊接接頭沒有從基底金屬中獲取足夠的鎂，以達到理想的焊態下強度或焊后熱處理及時效處理強度。這已帶來了非常嚴重的行業問題。鋁是減輕重量、降低能耗的理想金屬，但是現有填充金屬阻礙了鋁的應用。本發明解決了上述問題。本發明提供了一種鋁-硅-鎂三元合金，其化學范圍產生的剪切強度和抗拉強度能滿足AWS Dl. 2關于6XXX系列合金規范的要求，稀釋量很小或根本不稀釋。這種填充金屬復合物的設計考慮了硅和鎂在6XXX系列合金中的化學范圍以及在焊接制造過程中遇到的變化因素，并且假設最終焊接點含有足夠的硅和鎂，以滿足強度要求。如上所述，新型金屬復合物可能包含不同的硅和鎂量，例如以下不同的重量百分比4. 7 10. 9%硅，具體為4. 7 8. 0%，更具體為5. 0 6. 0%。鎂的成分可能為如下重量百分比0. 15 0. 50%以及0. 15 0. 30%，但為提高強度起見，可以是0. 31 0. 50%。
用這些復合物焊接的接頭不僅能在連接操作中利用復合物的性能，還能獲得更好的焊態(或較通常為連接)結構性能。例如，硅成分能降低熔點和表面張力，增加流動性。相對較高的鎂含量使之無須從基底材料中獲取鎂才能達到較高的強度(例如，與基底金屬一致的強度)。這一點特別有利于連接較薄的截面(少量基底材料熔化的截面或者其中有少量材料可促成焊態接頭)及較厚的截面(可能需要多條焊道，產生多條后續焊道，其從基底材料或初始焊道中獲取鎂的能力逐漸減弱)。例如，6061基底材料合金通常采用薄板和板材形式，并且用4043填充金屬焊接。6061合金是鎂-硅型合金，含I %的鎂、0.6%的硅，以及少量銅和鉻。6061合金通過熱處理達到最好的機械性能，在熱處理中，合金元素作為金屬互化物熔透，強化鋁金屬基體，在這種情況下，通過仔細控制熱操作控制硅化鎂及其在整個基體中的大小和分布。這種熱處理微觀結構很快就被焊接破壞，焊接點熱影響區的機械性能損失為30% 50%。6061在-T6熱處理條件下的非焊接抗拉強度一般是45KSI，而規范規定的最小焊態下抗拉強度是24KSI。6061的完全退火抗拉強度一般是19KSI。根據采用的焊接條件，完全退火的熱影響區可以存在部分6061基底金屬。4043的完全退火抗拉強度一般也是19KSI，可能低至15KSI。此外，4043是不能進行熱處理的合金。 發布的設計數據說明了用4043焊接的6061在焊態及焊后熱處理和時效處理下的機械性能。數據根據不同配置下的實際焊接開發而來。數據的前提條件是一定比例的基底金屬在焊接過程中熔化，熔入熔池，產生新的化學品，即4043和6061的混合物。在這種情況下，一些鎂進入4043化學品，如果有足夠的基底金屬熔化，則熔池成為合金，經焊態條件下的鎂固溶強化，響應焊后熱處理操作。表I為利用4043焊接的6061基底金屬在焊態條件及焊后熱處理和時效處理條件下的數據實例表I
蓮底合金填充合金冋火規范條件抗拉強度(KSI)
最小一般
6061-T6 4043 焊態AWS D1。224。0 27。0
6061-T6 4043 焊態無稀釋15.0 19.0
6061-T6 4043焊后熱處理最少20%的6061稀釋42.0 45.06061-T6 4043 焊后熱處理無稀釋.1.5.0 19.0
606.1-T6 4643 焊態獨、>:于稀釋24.0 27。0
6061-T6 X4043P 焊態獨立于稀釋> 24. 0 > 27. 0
6061-T6 4643 焊后熱處理獨立于稀釋42.0 45,0
6061 T6 X4043P焊后熱處理獨立于稀釋>42.0 >45,0注意2 :在熔池的熔融基底金屬無稀釋的情況下，合金組合的焊態及焊后熱處理抗拉強度達不到AWS Dl. 2的設計要求。
注意2 :在熔池的熔融基底金屬無稀釋的情況下，滿足AWS Dl. 2的4643及X4043P的抗拉強度要求。如上所述，絕大部分焊接采用兩種常用焊接接頭類型，即角接接頭和對接接頭。角接接頭的焊接接頭角一般是90度，必須用填充金屬填滿。對于很薄的基底金屬截面，必須在焊接操作中將基底金屬熔融量控制在絕對最小值，以實現很小的熔融基底金屬引起的熔池稀釋量。對于本處所舉的、采用4043填充金屬的實例，產生的焊接點沒有足夠的鎂，達不到焊態強度要求，并且不會響應焊后熱處理和時效處理。當角焊縫配合被連接的厚截面尺寸使用時，也會出現上述情形。在這種情況下，熔融基底金屬使焊接接頭底部有足夠的熔池稀釋，焊接接頭被多條焊道填滿，后續焊道中的填充金屬不再接近基底材料，不出現基底金屬稀釋現象。因此，本處再次說明，焊縫的含鎂量不足，達不到焊態條件下的強度要求，且不響應焊后熱處理和時效處理。用4043焊接的角焊縫所發布數據和AWS Dl. 2焊接規范認識到了這種情況，機械強度數據正確地顯示了在不稀釋的情況下待用4043焊接的接頭強度。另一方面，對接接頭的基底金屬熔化比例要高得多。對于用4043焊接的6061對接接頭，所發布的數據和AWS Dl. 2假設熔池充分稀釋，達到焊態條件和焊后加熱處理和時效處理條件下的強度要求。但是，對接接頭中的熔池稀釋量很難控制，并且不太可能在生產焊接操作中可靠地重現。表2為角焊縫的一般最大設計強度，該角焊縫含100%僅用于當前可用合金焊絲的填充金屬表2
填充合金縱向剪切強度(KSI)橫向剪切強度(KSI)
11007.57.5
404311。515.0
464313.520.0
X4043P> 13.5> 20.0
565412.018.0
555417.023.0
535617.026.0截面大于3/8英寸的對接接頭無法在接頭中心形成足夠的基底金屬熔化量，無法達到熔池的最小稀釋量要求。因此，因為4043必須通過將基底金屬熔融入熔池中稀釋來獲得鎂，所以如果不能在生產中確實地獲得，則很難控制焊態條件及焊后熱處理和時效處理條件下的機械性能要求。如上所述，本發明所述的復合物能與各種焊接工藝一起使用。某些焊接工藝的開發推動了薄截面尺寸結構的生產。脈沖焊接等工藝能阻止基底金屬的大量熔化，允許不斷縮小焊接截面的尺寸。特別是在薄型截面結構方面，當前可用的硅焊接合金為達到理想的設計強度提供了可能性，這限制了能夠減輕重量、維持強度的零件的設計選擇。解決上述問題的改進包括，例如，登記為4643的合金，4643合金被認為是為厚截面6061基底材料的對接焊接提供了一種解決方案。當然也可以用4643合金焊接同樣存在熔池稀釋不足的薄截面。4643合金是在焊接作業的熔池中產生的從20% 6061和80% 4043的混合合金獲取的合金的一種復制品。與4043相比，4643的硅含量越低，流動性就越小，熔化溫度就越高，凝固和固態收縮就越大。此外，4643取決于焊接過程中含6xxx系列合金的低硅稀釋量。生成的合金達不到最佳焊接特性，當熔池的硅含量在焊接過程中降到2%或以下時，焊接裂縫敏感性問題惡化。因此，4643并未被視為是4043的可行替代品，僅在少數情況下使用4643解決具體問題。4643合金的產量非常少，成本是4043的七倍，沒有經濟可行性。本發明所述的復合物解決了 6061/4043合金組合的缺點。此復合物含有所需含量的鎂，無須依賴熔池稀釋達到理想的焊態及焊后熱處理機械性能要求。另外，復合物能在焊接過程中保持足夠的固溶和淬火速率，以便其可以隨著時間的推移自然時效，并且第一年期間在室溫下強度增加。復合物還為制造商提供了購買-T4回火6XXX系列合金的選擇自由，-T4回火進行固溶熱處理和淬火，但不作時效處理。于是，用本發明所述的復合物焊接以后，對成品焊件進行簡單的時效處理即可達到接近-T6回火的強度水平。此外，與4043相比，本發明所述的復合物能使每一種焊接接頭(無論類型或稀釋 因子)具有焊態縱向剪切強度至少自動增加17%左右，橫向剪切強度至少自動增加33%，抗拉強度至少增加42%，并且焊后熱處理剪切強度能提高130%左右。另一個重要考慮因素是制造適合的焊接接頭所需的填充金屬量。用填角的橫截面焊喉尺寸及相關填充合金的所發布剪切強度計算角焊縫的剪切強度。各種純填充金屬合金的一些典型剪切強度請參見上述表I。因為填角尺寸隨著焊接工藝或焊道數的增加而增加，因此焊喉尺寸的增加與所用填充金屬量之間沒有線性關系。如果焊喉尺寸增加一倍，則以4倍的因子增加填充填角所需的填充金屬量。因為填充填角所需的焊道數量隨著焊喉尺寸的增加而迅速增加，并且需要蓋住下面的焊道時電焊工必須處理滿焊道，因此填充填角所需的填充金屬量更大。在某些情況下，如果基底材料未焊透，不存在熔融基底金屬引起的熔池稀釋，則設計師不得不增加角焊縫的焊喉尺寸，以達到足夠的焊接強度。結果會消耗更多昂貴的填充金屬，這提高焊接結構的成本。利用本發明所述的復合物能提高強度，無須為了達到強度要求而使熔池具有足夠的鎂，因而無須全部焊透，可通過減小角焊縫尺寸極大地降低成本。另外，使用本發明所述的復合物以后，焊接接頭將在焊態條件下自然時效，時效速度將隨著工作溫度的升高而迅速加快。焊接接頭的機械性能至少在焊后一年內隨著時間的推移而持續增強。關于硅和鎂在本發明所述復合物中的絕對量和相對量，發明人意識到，可以用亞共晶復合物制作絲狀硅基鋁焊接填充金屬合金。隨著硅含量的增加，凝固區間縮小，液相線和固相線減少。這使得合金的焊接裂縫敏感性下降。硅的含量(重量百分比)降到0.5 2. 0%時，鋁-硅合金具有凝固裂縫敏感性。硅含量低于4. 7%重量百分比所生成的硅-鋁合金可能在達到裂縫敏感區間之前就限制基底金屬的稀釋總量。這一特性在如下鎢極惰性氣體保護焊(TIG)中尤為重要根據焊接工藝，熔融基底金屬形成的熔池稀釋量相對較大。6xxx系列等合金在熱處理過程中通過硅化鎂獲得機械性能，在焊接化學品的結合含量降至0. 6 0. 8%重量百分比的硅和0. 5 I. 0%重量百分比的鎂時，或者換言之，硅化鎂總量下降2% (重量百分比)左右時，具有裂縫敏感性。從6005系列到6061系列(包括6061)是對裂縫最敏感的6XXX系列合金。這就是鎂在鋁-鎂填充金屬合金中的最高實際上限為0.5% (重量百分比)的原因。如果4043填充合金通過熔融6xxx基底金屬產生的熔池稀釋而獲得了 0.20% (重量百分比)的最小鎂含量，則合金獲得的機械性能類似于6xxx基底金屬通過焊后熱處理和時效處理至-T6回火的機械性能。因此，本人已指定，本發明所述的X40430P復合物的硅含量為5. 0 6. 0%重量百分比，鎂含量為0. 31 0. 50%重量百分比。在某些實施方式中，復合物的規定值域是5. 0 6. 0%重量百分比。無祀娃含量一般為5. 2%重量百分比。無靶硅在華氏1292度下熔化，在合金中形成液體粘度，其內摩擦力為I. I厘泊。焊接行業早就期待ER4043具有這種流動性，50多年來，符合要求的焊接實踐也記錄了這種流動性。5.0 6.0% (重量百分比)硅含量的另一個優勢是與焊接時熔化填充金屬所需的電流密切相關。本文所述的變化將使全球焊接工藝規范及眾多制造用焊接設備的預編焊接參數發生變化。硅含量還會影響合金的熱膨脹。硅含量降低時，焊珠的熱膨脹系數增加。例如，復合物的硅含量為5. 2% (重量百分比)時，1.0純鋁的熱膨脹系數為0.94。復合物的硅含量為3. 5% (重量百分比)時，熱膨脹系數為0.97。鋁和已知填充金屬復合物之間的熱膨脹差異會增加焊接變形量，使裂縫敏感性大于本發明所述的復合物。硅含量越大，凝固及固態收縮率越小。與現有復合物相比，本發明所述復合物的硅含量較大，形成較大的共晶相體積分數，能降低熔池的收縮率。本發明所述復合物的裂縫敏感性水平等同于或優于現有合金。因此，本發明所述的復合物可作為現有復合物(例如4043)的直接替代品，且無須改變焊接實踐或工藝，此外，與4643(雖然4643并未被視作4043的直接替代物)相比，本發明所述復合物能帶來更大的強度效益。由于本發明所述的新型復合物含有鎂，其不僅能作為4043的直接替代品還能為各類焊接帶來顯著優勢，即更大的剪切強度和抗拉強度。本發明所述的復合物能避免熔池缺乏相應的基底金屬稀釋量而導致的焊接金屬機械性能差的問題。可以將這種新型合金的 鎂含量控制在裂縫敏感水平以下。鎂的含量足夠低，在焊接6XXX系列合金時，能從熔融基底金屬形成的熔池稀釋中獲得一些額外的鎂。因此，新型復合物的最大鎂含量為0. 50%重量百分比。這一含量為附加鎂(可能加入熔融基底金屬稀釋形成的熔池)提供了安全系數。焊接強度較低的Ixxx或3xxx系列合金時，熔池有一些非故意的稀釋量，發明人的X4043P合金具有0. 31的最小鎂含量安全系數，能使鎂保持滿足要求的含量，ER4043或ER4643都沒有這種特性。雖然本文僅列舉、介紹了本發明的某些特性，但是本領域的技術人員能想到很多修改和變化。因此，所附權利要求書意在涵蓋所有落入本發明實質精神之內的所有修改和變化。
權利要求
1.一種構成焊接接頭或釬焊接頭的復合物，包括 重量百分比約為4. 7% 10. 9% (包括這兩個值)的娃； 重量百分比約為O. 15% O. 50% (包括這兩個值)的鎂；及 其余為鋁和痕量成分。
2.權利要求I所述的復合物，其包含重量百分比約為4.7% 8.0% (包括這兩個值)的硅；
3.權利要求2所述的復合物，其包含重量百分比約為5.0% 6.0%(包括這兩個值)的硅；
4.權利要求I所述的復合物，其包含重量百分比約為O.15% O. 30% (包括這兩個值)的鎂；
5.權利要求4所述的復合物，其包含重量百分比約為O.31% O. 50% (包括這兩個值)的鎂；
6.權利要求I所述的復合物，其包含一種或多種痕量成分，包括鐵、銅、錳、鋅、鈦及被。
7.權利要求6所述的復合物，其中痕量成分的總重量比例不超過復合物的大約O.15%重量百分比。
8.權利要求I所述的復合物，其中復合物包含卷筒焊絲、直線焊絲或焊條。
9.權利要求I所述的復合物，其中復合物包含ー種釬焊組元。
10.權利要求10所述的復合物，其中釬焊組元包含，例如，釬焊環或釬焊膏。
11.權利要求I所述的復合物，其中復合物包含熔覆合金，用于熔覆與鋁或鋁合金基底金屬組件釬焊的鋁基底合金。
12.權利要求11所述的復合物，其中焊絲或焊條的公稱直徑為O.023英寸、O. 030英寸、O. 035英寸、O. 040英寸、O. 047英寸、O. 062英寸、O. 094英寸、O. 125英寸、O. 156英寸、O. 187英寸或O. 250英寸。
13.一種焊接或釬焊用填充金屬產品，包括 卷筒焊絲、直線焊絲或焊條，其包含ー種合金，合金含約4. 7% 10.9% (包括這兩個值)重量百分比的硅，約O. 15% O. 50% (包括這兩個值)重量百分比的鎂，以及其余為鋁和痕量成分。
14.權利要求13所述的產品，其包含重量百分比約為4.7% 8.0% (包括這兩個值)的硅。
15.權利要求14所述的產品，其包含重量百分比約為5.0% 6.0%(包括這兩個值) 的硅。
16.權利要求13所述的產品，其包含重量百分比約為O.15% O. 30% (包括這兩個值)的鎂。
17.權利要求16所述的產品，其包含重量百分比約為O.31% O. 50% (包括這兩個值)的鎂。
18.—種制作構成焊接接頭或釬焊接頭的復合物的方法，包括 獲取ー種合金，合金包含重量百分比約為4. 7% 10. 9% (包含這兩個值)的娃、重量百分比約為O. 15% O. 50% (包含這兩個值)的鎂，其余為鋁和痕量成分；及 將合金制成適合焊接或釬焊以及熔覆釬焊復合板的鋳造、擠出、拉出、軋制或直線焊絲或焊條。
19.權利要求18所述的方法，其中焊絲或焊條的公稱直徑為0.023英寸、0. 030英寸、0. 035 英寸、0. 040 英寸、0. 047 英寸、0. 062 英寸、0. 094 英寸、0. 125 英寸、0. 156 英寸、0. 187英寸或0. 250英寸。
20.一種構成焊接接頭或釬焊接頭的方法，包括 熔化或冶金粘結至少一部分工件基底金屬； 在基底金屬上添加或粘結填充金屬，填充金屬包含合金，合金包含重量百分比約為4.7% 10. 9% (包含這兩個值)的硅、重量百分比約為0. 15% 0. 50% (包含這兩個值)的鎂，其余為鋁和痕量成分； 使產生的焊接接頭或釬焊接頭凝固。
21.權利要求20所述的方法，其中通過焊接操作熔化基底金屬和添加填充金屬，焊接操作包括在基底金屬和組成填充金屬的焊絲或焊條之間發生焊弧。
22.權利要求21所述的方法，其中焊接操作包括金屬惰性氣體保護焊操作。
23.權利要求22所述的方法，其中焊接操作包括脈沖波形焊工藝。
24.權利要求21所述的方法，其中焊接操作包括焊條焊操作。
25.權利要求20所述的方法，其中熔化基底金屬或冶金粘合基底金屬及添加填充金屬通過包括用熱源加熱基底金屬，手動添加填充金屬，預制成釬焊環或釬焊板熔覆的操作來執行。
26.權利要求25所述的方法，其中操作包括鎢惰性氣體保護焊工藝、等離子氣體焊接工藝、電子束焊接工藝、激光束焊接工藝、爐內釬焊工藝或火炬釬焊工藝。
27.權利要求20所述的方法，其包括對帶有焊接接頭或釬焊接頭的結構進行熱處理。
28.權利要求20所述的方法，其包括對帶有焊接接頭或釬焊接頭的結構進行時效處理。
29.權利要求20所述的方法，其包括設置多個連續焊道，在焊道中熔化基底金屬和/或填充金屬的先前焊道，熔覆更多填充金屬。
30.權利要求29所述的方法，其中連續焊道中至少有一個焊道的絕大多數鎂來自填充金屬。
31.權利要求20所述的方法，其中在帶有焊接接頭或釬焊接頭的結構中，焊接接頭或釬焊接頭的強度至少等于基底金屬的強度。
32.采用權利要求17所述的方法制作的焊接或釬焊結構。
全文摘要
一種鋁焊接或釬焊用復合物，包含硅(Si)和鎂(Mg)以及一種合金的鋁，適用于焊接及釬焊。硅含量可以是4.7～10.9％的重量百分比，鎂含量可以是0.15～0.50％重量百分比。該合金適用于如下操作有少量基底金屬稀釋或沒有稀釋影響填充金屬的硅及/或鎂含量。硅含量能改善流動性，避免應力集中和裂縫。鎂含量能提高強度。形成的接頭強度至少等于有少量稀釋或無稀釋(即獲取鎂基)基底金屬的強度。接頭可進行熱處理及人工時效或自然時效。
文檔編號C22C21/02GK102753298SQ201180009053
公開日2012年10月24日 申請日期2011年2月8日 優先權日2010年2月10日
發明者布魯斯·愛德華·安德森 申請人:霍伯特兄弟公司