共晶高硅型铝合金焊丝CHM-Al4047的研制

徐晓龙 胡学峰 李赟丰 明廷泽蒋 勇 朱艳丽 胡光忠

共晶高硅型铝合金焊丝CHM-Al4047的研制

徐晓龙1胡学峰1李赟丰1明廷泽1蒋 勇1朱艳丽2胡光忠2

(1．四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自贡643010;2．四川理工学院，四川自贡643000)

采用连铸连轧+机械刮削光亮化工艺制备共晶高硅型铝合金焊丝CHM-Al4047，选择6061－T6铝合金板材作为试验母材进行焊接试验，并分析焊接接头致密性、力学性能及各微区金相组织。结果表明，焊件射线检测为Ⅰ级，接头抗拉强度均值201 MPa，接头系数0．69，弯曲性能优良;焊缝组织为针状共晶硅+细颗粒共晶硅+α(Al)，热影响区Mg2Si相聚集长大形成稳定团簇状β相，导致接头热影响区软化，拉伸试样断裂于热影响区。

连铸连轧 铝合金焊丝CHM-Al4047 焊接接头 力学性能 金相组织

0 序 言

4047铝合金焊丝化学成分代号为AlSi12，Si元素质量分数范围为11% ～13%，属于典型的共晶铝硅合金。熔化温度范围为576～582℃［1］，具有较低的熔点和狭窄的凝固区间，熔池浸润能力强，能够显著降低因凝固收缩能力不足而导致的焊接热裂纹，焊缝剪切强度高。常被用作热裂倾向强的Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mg-Si，Al-Zn-Mg-Cu等难焊铝合金、6系铝合金、铸铝的焊接填充丝［2－4］及钎焊材料，在汽车零部件、军事装备制造、家用电器与暖通、轻工制造业等领域具有广泛应用［5］。

1 试验材料制备

1．1 4047铝合金线杆的熔炼与连铸连轧

按照55%Al99．7+45%AlSi20标准配料，Si元素烧损按3%计算，预先设定熔化温度为700℃，当炉料熔化之后，适当搅动熔体，使熔池各处温度、成分均匀一致。采用喷粉精炼工艺［6－7］，将精炼剂和氩气混合后喷吹到熔体中，精炼剂主要成分为56．5%NaCl+25%NaF+11．5%KCl+7%Na3AlF6，精炼温度在 720 ～730℃，精炼的主要目的是除气除渣，精炼完成后扒渣。为了进一步提高铝合金熔体洁净度，在浇铸之前还需进行在线除气过滤，采用30PPI及50PPI泡沫陶瓷过滤板双级过滤，可以过滤直径0．3 mm以下的夹杂。采用连铸连轧工艺［8－9］制备 4047 铝合金线杆，规格为 φ9．5 mm。采用引流管导流和十二点水平浇铸，使铝液平稳进入结晶腔，浇铸温度为690～710℃，水压为0．3～0．5 MPa，水温低于35℃，结晶轮冷却装置为可控的内冷、外冷、内侧冷、外侧冷四面分区，铸坯在脱离结晶轮后温度可降到480～520℃。合格铸坯经喂料装置进入粗轧机、精轧机，将轧制出的铝合金杆送出收线，其中进轧温度为490～510℃，终轧温度为300～350℃，乳液温度为30～35℃。如图1所示，成品线杆圆度好，表面无裂纹、飞边、起皮、分层、划伤等缺陷，线杆抗拉强度为203 MPa，化学成分见表1。

图1 4047铝合金连铸连轧杆表面形貌(φ9．5 mm)

表1 4047铝合金线杆化学成分(质量分数，%)

1．2 焊丝制备

将上述经连铸连轧工艺制得的φ9．5 mm 4047铝合金线杆按照以下工艺流程制备焊丝:φ9．5 mm铝合金线杆→多道次单模拉拔→退火→多道次单模拉拔→退火→水箱拉丝机多模连拉→刮削光亮化→清洗吹干→层绕，最终得到φ1．2 mm盘状焊丝。

焊丝拉拔顺畅，制备的φ1．2 mm成品焊丝表面光亮，无麻点、凹坑、划伤、毛刺等表面缺陷，焊丝表面形貌如图2所示。焊丝回弹为550～600 mm，翘距≤5 mm，焊丝抗拉强度为275 MPa。焊丝带油量仅为0．365 mg/L，较低的带油量可降低焊接气孔敏感性，减少焊接烟尘，提高焊接接头的力学性能。

图2 铝合金焊丝CHM-Al4047表面形貌(φ1．2mm)

2 CHM-Al4047高硅铝合金焊丝焊接试验

参考 AWS A5．10—2012、ISO 15614—2 2005《铝及铝合金焊接工艺评定试验》等标准对φ1．2 mm CHMAl4047铝合金焊丝进行焊接工艺评定。

2．1 焊接工艺参数

选用厚度为6 mm的6061－T6铝合金板材作为母材，试验件与坡口尺寸如图3所示。焊接方法为半自动MIG焊，焊接位置为平焊，焊接电流128～138 A，焊接电压为 20．6 V，焊接速度为 4．0 ～4．3 mm/s，层间温度不高于60℃，经打底、盖面两道完成焊接。

2．2 焊接工艺性能

焊丝焊接过程送丝顺畅，电弧稳定，熔池清澈，烟尘少，焊缝成形美观。

2．3 射线检测

去除焊缝垫板，并将焊缝两个表面磨光，进行X射线检测，评定结果为Ⅰ级。

图3 对接焊缝试件参数

2．4 接头力学性能试验

取平滑横向拉伸试样3件进行接头拉伸试验，抗拉强度分别为 199 MPa，196 MPa，208 MPa，接头抗拉强度平均值为201 MPa，试样均断裂于焊接热影响区。根据ISO 15614—2 2005《铝及铝合金焊接工艺评定试验标准》规定，接头系数T=Rm(w)/Rm(pm)，其中，Rm(w)为接头抗拉强度，Rm(pm)为相应母材标准中所要求的母材抗拉强度最低值。母材6061－T6抗拉强度最低值为290 MPa，经计算接头系数为0．69，满足ISO 15614—2标准中规定T≥0．6要求。

弯曲试验按照D=5a，α=180°要求进行，面弯、背弯试样各3件，弯曲表面无裂纹，均合格。

2．5 接头金相组织分析

图4a为焊缝微观组织图，为典型铸态枝晶组织，针状共晶硅与细颗粒共晶硅弥散分布于α(Al)基体中，同时存在少量块状初晶硅。图4b为熔合区，右侧为焊缝组织，左侧为热影响区组织。根据Al-Mg-Si系三元相图［10］可知，6061铝合金处于α(Al)+Mg2Si两相区，Mg2Si是主要强化相。母材与热影响区组织无明显差异，晶粒均比较细小，基体中弥散分布着大量细颗粒状Mg2Si相，还有部分杆状第二相沿板材轧制方向分布，多为 AlFeSi，AlCrFeSi等杂质相［11］。但在热影响区中(图4c)发现部分Mg2Si相在焊接热循环下聚集长大形成稳定的团簇状β相，称为“过时效”。焊接热循环引发的金属强化相“过时效”是导致接头力学性能下降的重要原因［11－12］，热影响区软化导致接头拉伸试样断裂于热影响区。

图4 接头金相组织

3 结 论

采用连铸连轧+机械刮削光亮化工艺可以制备高品质CHM-Al4047铝合金焊丝，经焊接工艺评定，可以得出以下结论:

(1)焊丝焊接操作性好，送丝顺畅，电弧稳定，熔池清澈，烟尘少，焊件射线检测为Ⅰ级。

(2)焊接接头抗拉强度平均值为201 MPa，接头系数0．69，试样断裂于热影响区;面弯、背弯性能优良。

(3)焊缝组织为针状共晶硅+细颗粒共晶硅+α(Al)，热影响区Mg2Si相聚集长大形成稳定团簇状β相，导致接头热影响区软化，拉伸试样断裂于热影响区。

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TG422．3

2016－12－24

四川省重点技术创新项目(2015NL034);四川省教育厅一般项目(17ZB0310);自贡市重点科技计划项目(2013C11)。

徐晓龙，1988年出生，硕士，工程师。主要从事高品质铝合金焊丝及熔体控制与连铸连轧研究工作，已发表论文9篇。