一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，具体包括以下步骤：在施焊时，预先在装配好的焊缝母材上喷涂一层糊状焊剂，涂层宽度10-15mm，厚度50-200μm；随着焊接电弧沿焊缝方向移动，进入电弧温度场外围低温区的焊剂达到其熔化温度（560℃），立即熔化形成液膜，迅速润湿母材表面并去处母材表面氧化膜，随后覆盖在母材以及熔池金属表面。焊接电弧输入的热量只需熔化熔点为570-640℃的母材和作为电极的焊丝就可以完成焊接过程，本发明只需低热量输入就能实现高强度车体铝合金MIG气保焊连接、工艺优异、接头性能稳定良好的产品。
【专利说明】一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铝合金气体保护电弧焊焊接材料【技术领域】，具体涉及一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国汽车产业政策的调整和新能源政策、低碳环保政策的实施，以及轨道车辆高速高效交通的发展，采用高强度、高韧性、耐腐蚀铝合金替代钢材，同时采用薄壁复杂断面铝型材和薄板冲压铝结构件作为车体材料，已经成为实现车体轻量化的主要途径。由于车体制造是以焊接为主导工艺的产业，铝合金车体制造业的发展深度促进了铝焊接技术的快速发展，同时推动了我国铝焊材产业结构调整，以稳健的步伐从焊接大国向焊接强国迈进。
[0003]目前铝合金车体覆盖件和冲压件的用材多数采用5000系的Al-Mg合金，具体牌号如5083防锈铝等，车体铝型材以6000系的Al-Mg-Si合金为主，其中汽车用的小型铝型材多采用6063锻铝，而轨道车辆用的断面尺寸达到300mm以上的大型铝型材则多采用6005锻铝；对重载的铝型材、覆盖件和钣金件也常用7000系的Al-Zn -Mg合金，如7005超硬铝等。车体铝覆盖件与铝覆盖件之间，或者铝型材与铝型材之间多为同种金属之间的焊接，但覆盖件与铝型材之间常出现不同牌号铝合金的焊接。
[0004]车体骨架的料厚一般3mm，覆盖件的料厚通常2mm。目前用于车体铝合金焊接工艺多为氩气(或氩气+氦气的混合气体)保护焊，焊丝直径为0.8mm-l.6mm,最常用是1.0mm或1.2mm。目前我国自动焊接的程度还比较低，半自动或手工焊接还比较普遍，但是自动焊接技术正在快速发展，逐步淘汰半自动和手工焊接。
[0005]目前国内用于焊接铝-镁合金母材的焊材是传统的铝-镁合金焊丝，主要有ER5356、ER5183等。传统的铝合金电弧焊是依靠电弧来击碎铝合金表面氧化膜的，这项技术存在很多负面作用。由于氧化膜熔点很高，Al2O3的熔点2050°C，MgO的熔点2825°C，高于母材本身的熔点接近5倍，且结构致密，不导电、阻碍金属间的融合；氧化膜还含有大量水分，被电弧分解后，氢气被吸附到熔池的熔态金属中，熔态金属冷却凝固后氢气析出形成了气泡。弧焊时电弧需要对母材输入大量的热量才能击碎氧化膜，完成焊接过程。但是过多的热量输入，首先造成了母材结构尺寸形状翘曲变形超差，焊接结构组装配合困难，材料越薄的覆盖件，翘曲越严重，甚至矫正无效，造成产品报废，为减少变形和防止过热电弧烧穿，通常要对母材进行工艺性加厚；二是被电弧击碎的氧化膜碎片并没有熔化消失掉，而是搅合到熔池金属中，冷却后成为焊缝金属中的夹渣。由于氧化膜不与金属结合，它本身就是一条微裂纹。在冷却过程中受热应力的作用，微裂纹进一步扩展成为宏观的焊缝裂纹。特别是焊接电弧的稳定还得依赖熔池金属中存在的氧化膜碎片，这使焊缝金属中存在氧化物夹杂具有必然性；三是原来存在于氧化膜中的水分子被电弧分解后，大量氢气被吸附到熔池金属中并以氧化膜为气泡形核的界面迅速聚合成氢气泡从而形成气孔。四是由于焊接电弧过多的热量输入，导致了焊缝邻近热影响区的范围更大，影响程度更深，造成焊缝热影响区强度过低，只有母材自身强度的60%-70%，热处理强化的铝合金强度降低更多，在工艺设计时为了保持工件的承载力不得不对母材进行工艺性加厚。五是由于输入热量过多，金属蒸发和发尘量增大，出现环保等问题。
[0006]由于上述综合的原因，传统的铝合金电弧焊技术，一方面过多浪费了制造车体的优质原材料和宝贵的焊后处理工时，另一方面也大大延长了产品生产周期，产品质量不高，还降低了车体减重的效果，直接影响了铝合金车体制造业的发展。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，本发明是只需低热量输入就能实现高强度车体铝合金MIG气保焊连接的方法，工艺优异、接头性能稳定良好。
[0008]实现本发明目的的技术方案是:
一种用于铝合金车体气保焊的铝-镁合金焊丝焊接工作原理是由预先涂敷在母材接头上的焊剂借助电弧温度场低温区的热量剥离和溶解掉氧化膜，电弧只需输入较低的热量就能熔化焊丝和母材实现可靠焊接。
[0009]一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法包括以下步骤:在施焊时，预先在装配好的焊缝母材上喷涂一层焊剂，涂层宽度10-15mm，厚度50-200 μ m ;随着焊接电弧沿焊缝方向移动，进入电弧温度场外围低温区的焊剂达到其熔化温度(560-570°C )，立即熔化形成透明的液膜，迅速润湿母材表面并去处母材表面氧化膜，随后覆盖在母材以及熔池金属表面，焊接电弧输入的热量只需要熔化熔点为570-640°C的母材和作为电极的铝-镁合金焊丝，就可以完成焊接过程。
[0010]所述焊剂的主要化学成分重量百分比:Nocolok (KA1F4+K3A1F6共晶)95%+CsF5%，焊剂粉末混合后由分子量为200-400的聚乙二醇{HO(CH2CH2O)nHI作为载体调和成糊状，载体聚乙二醇的重量为糊状焊剂总重量的20-30%。
[0011]所述焊剂的制备方法包括以下步骤:
按 Nocolok (KA1F4+K3A1F6 共晶)95%+CsF5% 的配比量，称取 Nocolok (KA1F4+K3A1F6 共晶)和CsF干粉并以粉末搅拌机进行搅拌均匀，然后按混合焊剂总重量的20-30%称取分子量为200-400的聚乙二醇作为载体，将聚乙二醇与焊剂调和成糊状，粘稠度以符合喷涂或涂刷为宜，以塑料罐进行包装密封。
[0012]所述的铝-镁合金焊丝，铝-镁合金焊丝的化学成分重量百分比为:Al:92-97% ；Mg:3-6% ；Mn:0.5-1.0% ；Cr:0.10-0.35% ；Ti:0.05-0.25% ；Zr:0.05-0.25% ；Ce:0.01-0.1%。
[0013]所述的铝-镁合金焊丝的制备方法，具体包括如下步骤:
I)铝-镁焊丝合金的熔炼和精炼:
将已在400°C预热4小时的配比量工业纯铝(铝锭)投入石墨坩锅电阻炉，在850?880°C加热至铝锭软化时，撒入铝-镁合金熔炼专用熔剂干粉覆盖，熔化后调整温度至700-7400C，在坩埚内铝液面上通入干燥N2进行排氧，然后按配比量通过石墨钟罩分两批加AAl-Mn, Al-Mg, Al-Cr, Al-T1、Al-Zr, Al-Ce等中间合金碎块，石墨钟罩在离坩埚底部约150mm的深处来回移动，直至熔化。中间合金完全熔化后，以石英棒搅拌3_4min，进行精炼。精炼时采用“SNIF”无氢气泡浮游精炼工艺，即通过一个可以垂直升降、旋转的、带石墨喷头的精炼管，从坩埚底部向合金熔体中吹入“Ar2+C2Cl6”气固体混合精炼剂，精炼熔体5?15min，静置IOmin后扒净熔渣，得到纯净的铝_镁合金熔体待用。所述铝_镁合金专用熔剂为常规选择，具体可以是氟化钙(CaF2) 20%和光卤石(MgCl.KC) 80%。加入量为加入时坩锅熔炼炉中炉料总重量的3?5% ;精炼剂六氯乙烷由带压力的氩气从熔体底部吹入，所述氩气的通入压力为3?5KPa ;六氯乙烷的重量为熔体重量的0.2?0.3%。
[0014]2)铝-镁合金焊丝拉丝杆坯的连铸连轧
通过开启安装于精炼炉底部的石英堵阀，将步骤一精炼完成的铝-镁合金熔体在氮气保护下排出炉外，流经导流槽进入浇铸包，稳定地浇入连续铸造机的结晶轮腔，铸成截面尺寸为(15+10.5) X9的梯形铸坯条料；铸坯经过辊剪机剪除飞边后，即进入连轧机，经过四道次的连续辊轧，得到直径Φ8πιπι的粗拉线坯。
[0015]3)拉丝
将步骤(2)所得直径的铝-镁合金粗拉线坯通过一套拉丝机组7道次的拉制，获得直径Φ3.2_的精拉线坯。线坯经过感应加热应力退火后，再通过一台塔式18道次精拉丝机拉制成直径可以为《GB/T 10858铝及铝合金焊丝》中规定的常规直径。
[0016]4)表面抛光处理
对步骤三所得铝-镁合金焊丝进行表面抛光处理，其工艺流程为:脱脂一水清洗一化学抛光一水清洗一去灰一热水洗一热风吹干。
[0017]其中脱脂工艺条件为:硫酸(98%) 10%-20% (质量比)，温度60_80°C，时间10_12s。
[0018]化学抛光的工艺条件为:磷酸(85%) 75.0% ;硫酸(98%) 11.0% ;硝酸(65%) 6.7% ；自制添加剂7.5% ;温度100-120°C，时间20-30s。其中的自制添加剂的具体组成及配比为:CuSO4.5 H2O为0.02%，尿素3.1%，助剂T 4.4%。助剂T是硫酸盐类无机化合物(呈白色粉末状)，能进一步提高抛光液的黏度，更重要的是能在溶液中形成胶状化合物。
[0019]去灰的工艺条件:重铬酸钾溶液(质量分数)1%-5% ;常温，时间:15-20s。
[0020]热风吹干的工艺条件，热风温度100_120°C，时间:15s。
[0021]5)包装
采用焊丝盘通过排线机将步骤四所得光亮清洁的焊丝进行盘绕和热缩膜包装，即得成
品O
[0022]包装的技术条件达到防潮防腐蚀的要求。
[0023]本发明的优点是:
1、铝-镁合金焊丝QT21由铝-镁合金焊丝和专用焊剂组成，它的焊接工作原理是由预先涂敷在母材接头上的焊剂借助电弧温度场低温区的热量剥离和溶解掉氧化膜，电弧只需输入较低的热量就能熔化焊丝和母材实现可靠焊接。由于输入热量少而且集中，焊接件(母材)变形小、矫正比较容易；热影响区小，接头强度降低幅度减小，焊缝金属没有裂纹、夹杂及气孔等缺陷，接头强度高，金属飞溅及发尘量小，工作环境卫生。焊缝小，表面平整，不需太多的打磨。整个焊接工艺适合薄板的焊接，对母材不需要工艺性加厚，可以节省大量的优质车用铝合金，生产周期短，生产效率高。
[0024]2、铝-镁合金焊丝 QT21 的化学成分为:A1:92-97% ；Mg:3_6% ；Mn:0.5-1.0% ；Cr:
0.10-0.35% ；Ti:0.05-0.25% ；Zr:0.05-0.25% ；Ce:0.01-0.1%。在化学成分的设计方法上，采用多元复合微合金强韧化机理，优化了铝-镁合金焊丝的成分组成，使铝-镁合金在Al的基体上主要固溶了 Mg、Mn两元素的原子，形成了非热处理强化的固溶体金属，基体的强度很高；通过加入多种微量元素Cr、T1、Zr、Ce等，形成多种性能各异、尺寸很小、密度极高的冶金微粒，起到异质形核和机械阻碍晶粒长大的作用，细化了焊丝及其焊接后与母材形成的焊缝的晶粒组织，充分提高了焊丝及焊缝的强度、韧性等机械性能指标；同时叠加利用各元素有利的冶金现象，最大限度地提高焊丝的焊接工艺性能，从而获得综合性能比其它同类型产品优越很多的铝-镁合金焊丝。
[0025]3、铝-镁合金焊丝QT21的焊剂化学成分为=Nocolok (K3A1F6+KA1F4共晶)95%+CsF5%,把焊剂粘附到焊缝上的载体是聚乙二醇{HO (CH2CH2O)nH,其配比量为混合焊剂总重量的20-30%。上述混合的各种物质中，K3AlF6单独存在的熔点是995°C，KAlF4单独存在时的熔点为572°C，但两者形成共晶物时的熔点是558°C。其中只有KAlF4S加去膜反应，在去膜过程中数量被消耗减少；K3A1F6化学性质相对稳定，不参加去膜反应，去膜过程中数量逐步增加，保持焊剂在母材表面的流动性，对母材及熔池金属起保护作用。KAlF4能同时去除从氧化膜释放出来的水分，避免其分解物H2被吸入熔池金属中。化学反应式为:
2KA1F4+3H20=2KF+A1203+6HF ?
反应所生成的Al2O 3成为粉末状熔渣漂浮在熔池金属表面，冷却后最终成为焊渣。
[0026]CsF的熔点682°C，活性大，主要以化学反应的机制与铝、镁氧化膜反应，起到去膜作用。
[0027]8CsF+Al203+Mg0=4Cs20+2AlF3+MgF2 ；
CsF+2AlF3+Mg=CsMgAlF6+AlF。
[0028]CsMgAlF6性能相对稳定,在母材及熔池金属表面起保护作用。由于焊剂的作用，既去除了氧化膜又保护了母材及熔池金属，不被二次氧化，大大减少了金属的飞溅。同时促进了金属的焊合作用，提高焊接质量。
[0029]4、铝-镁合金焊丝QT21采用了新型的抛光工艺，使焊丝表面光洁度达到镜面水平，进一步提高焊丝的焊接工艺性能。
[0030]5、铝-镁合金焊丝QT21采用严格的干燥和“无铁”熔炼工艺，采用“Ar2+C2Cl6”气固体混合精炼剂和“SNIF”无氢气泡浮游精炼工艺，铝-镁合金焊丝金属中的Fe、H2及其他氧化物夹杂都受到了严格的控制，焊丝金属内在质量好；同时采用连铸连轧和连续拉丝的工艺技术，生产效率高、成材率高、焊丝综合质量好。
[0031]6、本发明的方法同样适用于船舶制造、机械制造等行业的电弧焊接。
【具体实施方式】
[0032]下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不因此而限定本发明的保护范围。以下以一种用于铝合金车体气保焊的铝-镁合金焊丝QT21为例进行说明。
[0033]实施例1:
一种用于铝合金车体气保焊的铝-镁合金焊丝QT21，它由QT21铝-镁合金焊丝和QT21焊剂组成。QT21铝-镁合金焊丝的直径为Φ 1.0mm，表面光洁度达镜面，化学成分的重量份为:A1:93.68 ；Mg:5.1 ；Mn:0.75 ；Cr:0.2 ；T1:0.12 ；Zr:0.12 ；Ce:0.03。QT21 焊剂化学成份为:Nocolok (K3A1F6+KA1F4共晶):95%，CsF:5%，载体为分子量200的聚乙二醇，其配比量占混合焊剂总重量的30%。
[0034]上述铝-镁合金焊丝QT21的制备方法，按照下述步骤进行:
1、熔炼和精炼:
将已在400°C预热4小时的配比量工业纯铝(铝锭)投入石墨坩锅电阻炉，在870°C加热至铝锭软化时，撒入铝-镁合金熔炼专用熔剂干粉覆盖，熔化后调整温度至720°C，在坩埚内铝液面上通入干燥队进行排氧，然后按配比量使用石墨钟罩分两批加入Al-Mn、Al-Mg、Al-Cr、Al-T1、Al-Zr、Al-Ce等中间合金，石墨钟罩在离坩埚底部约150mm的深处来回移动，直至熔化。中间合金完全熔化后，以石英棒搅拌4min，进行精炼。精炼时采用“SNIF”无氢气泡浮游精炼工艺，即通过一个可以垂直升降、旋转的、带石墨喷头的精炼管，从坩埚底部向合金熔体中吹入“Ar2+C2Cl6”气固体混合精炼剂，精炼熔体llmin，静置IOmin后扒净熔渣，得到纯净的铝-镁合金熔体待用。所述铝-镁合金专用熔剂为常规选择，具体可以是氟化钙(CaF2)20%和光卤石(MgCl.KC)80%。加入量为加入时坩锅熔炼炉中炉料总重量的3% ；精炼剂六氯乙烷由带压力的氩气从熔体底部吹入，所述氩气的通入压力为5KPa ;六氯乙烷的重量为熔体重量的0.3%。
[0035]将完成精炼的合金熔体浇铸试棒，进行抽样检查，其化学成分重量百分比为:Mg:5.1% ；Mn:0.75% ；Cr:0.2% ；T1:0.12% ；Zr:0.12% ；Ce:0.03%。Al:余量。
[0036]2、连铸连轧轧:
通过开启安装于精炼炉底部的石英堵阀，将步骤一精炼完成的铝-镁合金熔体在氮气保护下排出炉外，流经导流槽进入浇铸包，稳定地浇入连续铸造机的结晶轮腔，铸成截面为(15+10.5) X9梯形的铸坯条料；铸坯经过辊剪机剪除飞边后，即进入连轧机组，经过四道次的连续辊轧，得到直径Φ8πιπι的粗拉线坯。
[0037]3、拉丝
将步骤(2)所得直径的铝-镁合金粗拉线坯通过一套拉丝机组7道次的拉制，获得直径Φ3.2_的精拉线坯。线坯经过感应加热应力退火后，再通过一台塔式18道次精拉丝机拉制成Φ 1.0的铝-镁合金焊丝。
[0038]4、焊丝表面抛光处理
步骤三所得铝-镁合金焊丝经表面抛光处理，其工艺流程为:脱脂一水清洗一化学抛光一水清洗一去灰一热水洗一热风吹干。
[0039]其中脱脂工艺条件为:硫酸(98%) 15% (质量比)，温度70°C，时间11s。
[0040]化学抛光的工艺条件为:磷酸(859075.0% ;硫酸(98%) 11.0% ;硝酸(65%)6.7% ；自制添加剂7.5% ;温度110°C，时间25s。其中的自制添加剂的具体组成及配比为=CuSO4.5H2O 为 0.02%，尿素 3.1%，助剂 T 4.4%。
[0041]去灰的工艺条件:重铬酸钾溶液(质量分数)3% ;常温，时间:17s。
[0042]抛光后的焊丝表面光洁度达到镜面。
[0043]配制焊剂的步骤
按 Nocolok (KA1F4+K3A1F6 共晶)95%+CsF5%，的配比量，称取 Nocolok (KA1F4+K3A1F6 共晶)和CsF干粉并以粉末搅拌机进行搅拌均匀，然后按焊剂总重量的25%称取分子量为200的聚乙二醇作为载体，将聚乙二醇与焊剂调和成糊状，粘稠度以符合喷涂或涂刷为宜，以密封罐进行包装，即得成品。[0044]实施例2:
与实施例1不同的是，铝-镁合金焊丝QT21化学成分的重量份为:Mg:5.0 ；Mn:0.7 ；Cr:0.18 ；Ti:0.10 ；Zr:0.10 ；Ce:0.03。Al:余量。
[0045]制备时:步骤1，将 Al-Mg、Al-Μη、Al-Cr, Al-Ti, Al-Zr 和 Al- Ce 等中间合金在700°C条件下同时加入熔化的纯铝液中，所有中间合金都熔化并搅拌3分钟，通入氩气(Ar2)和六氯乙环(C2Cl6)精炼10分钟并静置15min后扒渣。将完成精炼的合金熔体浇铸试棒，进行抽样检查，其化学成分重量百分比为:Mg:5.0% ；Mn:0.7% ；Cr:0.18% ；T1:0.10% ；Zr:
0.10% ；Ce:0.03%。Al:余量。其余同实施例1。
[0046]实施例3:
与实施例1不同的是:铝-镁合金焊丝QT21化学成分的重量份为:Mg:4.9，Mn:0.65，Cr:0.15，Ti:0.09，Zr:0.15，Ce:0.02，Al:余量。
[0047]所述焊剂与载体(分子量400的聚乙二醇)的比例为7.5:2.5。
[0048]制备时:将步骤将六1-1%、六1-厘1141-041-1141-21'和六1- Ce等中间合金710°C条件下同时加入熔化的纯铝液中，所有中间合金都熔化后搅拌3分钟，通入氩气(Ar2)和六氯乙环(C2Cl6)精炼12分钟，除渣后进行连铸连轧和拉丝抛光处理，从产品中选取试样，抽查化学成分其化学成分的重量份为:Mg:4.9，Mn:0.65，Cr:0.15，T1:0.09，Zr:0.15，Ce:
0.02，Al:余量。其余同实施例1。
[0049]实施例4
与实施例1不同的是:铝-镁合金焊丝QT21化学成分的重量份为:Mg:5.3，Mn:0.8，Cr:0.25，Ti:0.08，Zr:0.18，Ce:0.04，Al:余量，焊丝的直径为Φ 1.2mm，所述焊剂与载体(相对分子量200的聚乙二醇)的重量比为:7:3，其余同实施例1。
[0050]实施例5:
与实施例1不同的是:铝-镁合金焊丝QT21化学成分的重量份为:Mg:5.4，Mn:0.6，Cr:0.22，Ti:0.14，Zr:0.2，Ce:0.03，Al:余量，焊丝的直径为Φ 0.8mm,所述焊剂与载体(相对分子量200的聚乙二醇)的重量比为:7.5:2.5，其余同实施例1。
[0051]实施例6:
与实施例1不同的是:铝-镁合金焊丝QT21化学成分的重量份为:Mg:5.:1, Mn:0.9，Cr:0.23，Ti:0.15，Zr:0.15，Ce:0.02，Al:余量。焊丝的直径为Φ 0.8mm，所述焊剂与载体(相对分子量200的聚乙二醇)的重量比为:7.3:2.7，其余同实施例1。
【权利要求】
1.一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，其特征是具体包括以下步骤: 步骤I)在施焊时，预先在装配好的焊缝母材上喷涂一层焊剂； 步骤2)随着焊接电弧沿焊缝方向移动，进入电弧温度场外围低温区的焊剂，达到其熔化温度，立即熔化形成液膜，迅速润湿母材表面并去处母材表面氧化膜，随后覆盖在母材以及熔池金属表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，其特征是步骤I所述的涂层宽度10-15mm，厚度50-200 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，其特征是焊接电弧输入的热量只需要达到熔化焊丝和熔点为570-640°C的母材。
4.根据权利要求1所述的一种用于铝合金车体气保焊的焊接方法，其特征是所述步骤2的熔化温度是560°C -600°C。
【文档编号】B23K35/362GK103447664SQ201310353012
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】阳家盛 申请人:桂林市庆通有色金属工艺材料开发有限公司