铝合金焊接消耗品和冶金结合的方法

铝合金焊接消耗品和冶金结合的方法
【专利摘要】一种铝焊接或钎焊用复合物，包含硅(Si)和镁(Mg)以及一种合金的铝，适用于焊接及钎焊。硅含量可以是约4.7～10.9的重量百分比，镁含量可以是约0.20～0.50重量百分比。该合金适用于如下操作：有少量基底金属稀释或没有稀释影响填充金属的硅及/或镁含量。硅含量能改善流动性，避免应力集中和裂缝。镁含量能提高强度。形成的接头强度至少等于有少量稀释或无稀释(即获取镁基)的基底金属的强度。接头可进行热处理及人工时效或自然时效。
【专利说明】错合金焊接消耗品和冶金结合的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是2011年2月8日提出的第13/023,158号、题目为"侣合金焊丝"的美国专利 申请的部分接续申请，该美国专利申请是2010年2月10日提出的第61 /303，149号、题目为 "侣合金焊丝"的美国临时专利申请的非临时专利申请，本申请参考并引用了运两项美国专 利的全部内容。
【背景技术】
[0003] 本发明大体上设及焊接用填充金属领域，具体设及适用于焊接侣合金的复合物。
[0004] 有很多已知并且目前正在使用的金属件连接工艺，包括针焊和焊接。针焊和焊接 都能连接侣制品和侣合金件。与钢或其它金属不同，侣合金因金相、烙点、随特定合金剂的 变化而变化的强度等因素而存在特殊问题。此外，由于一方面追求减小侣合金工件的厚度， 另一方面又希望工件越来越厚，因此很难选择性能良好、能够达到所期望的物理机械性能 的针焊和焊接材料。
[0005] 针焊操作使用烙化溫度低于待连接基底金属溫度的填充金属。在针焊中，基底金 属不烙，根据合金元素特性选择填充金属的合金元素，W降低填充材料的烙化溫度并且湿 润在基底金属中始终存在的氧化侣，W便在不烙解基底金属的情况下达到冶金结合。在某 些应用中，可W在置于真空或保护环境下的烙炉中实施针焊，其中，溫度仅在填充金属烙化 并且通过液体流动和毛细管作用填满固体基底金属元件之间的接头后才上升。针焊接头一 般用于低强度的侣合金W及很薄的截面结构，例如，汽车散热器W及换热器，例如，用于暖 通空调系统的散热器W及换热器。针焊溫度可使非热处理侣合金和热处理侣合金退火，从 而改变冷加工或热处理和时效处理所达到的机械性能。因此，虽然针焊的应用比较广泛，但 不适用于连接高强度结构用合金。
[0006] 焊接操作通过烙化每个待连接工件的一部分基底金属，同时烙化填充金属W在接 头中形成焊接烙池来连接金属件。焊接需要在接头处集中加热，W形成焊接烙池，焊接烙池 一旦凝固就产生填充金属和基底金属的混合化学品的化学复合物。一般可W控制足够高的 焊接溫度，使填充金属和基底金属两者烙化，并保持最小的基底金属热影响区，W保持机械 性能。
[0007] 针焊和焊接的添加料一般为丝状，即通过焊炬进给的连续长丝，或手动进给的短 丝，或甚至为条状，例如，焊条焊(stick welding)用的涂药焊条，具体形状取决于应用。但 是，目前可用的侣合金针焊和焊接焊丝不能满足众多现代应用的需求。举例来说，现有产品 在连接操作中缺乏期望的流动性，或者缺乏当在焊接应用中与基底材料结合时期望的强 度，在一系列现代焊接工艺中尤为如此。此外，当焊弧在烙透力、发热量和烙池形成等方面 差异较大时，现有侣合金焊丝及复合物无法使最终接头的复合物和强度达到期望程度的一 致性要求。
[000引目前需要适合焊接(及针焊)应用(满足该等需求)的改进型侣合金复合物。

【发明内容】

[0009] 根据一个方面，本发明提供了形成焊接接头或针焊接头的复合物，包含重量百分 比约为4.7~10.9(包含运两个值)的娃、重量百分比约为0.15~0.50(包含运两个值)的儀、 其余为侣及痕量成分。运些成分的特定子范围具有改进的性能和优异的强度，特别引人注 目。此外，本发明提供了用于焊接或针焊的填充金属产品（例如，焊接消耗品），包括卷筒焊 丝、直线焊丝或焊条(或者针焊组分，如针焊环或者针焊膏），其包含重量百分比约为4.7~ 10.9(包含运两个值）的娃、重量百分比约为0.15~0.50(包含运两个值）的儀、其余为侣及 痕量成分。
[0010] 根据另一个方面，本发明提供了焊接接头或针焊接头的形成方法，包括烙化至少 一部分工件的基底材料，在烙化的基底金属中加入填充金属，所述填充金属包含重量百分 比约为4.7~10.9(包含运两个值)的娃、重量百分比约为0.15~0.50(包含运两个值)的儀、 其余为侣及痕量成分，W及容许形成的焊接接头或针焊接头凝固。此处再次说明，某些工艺 和子范围具有优异的性能和强度。本发明还意在涵盖由所提供的新方法和材料所制成的接 头和结构。
【附图说明】
[0011] 结合附图阅读W下详细说明有助于更好地理解本发明的上述和其他的特性、方面 及其优势，附图中用相同的符号表示相同的部件，其中：
[0012] 图1为一种示范性焊接系统(适合使用本文公开的新型复合物)的图解视图；
[0013] 图2为另一种示范性焊接系统(适合使用新型复合物)的图解视图。
【具体实施方式】
[0014] 本公开首先描述了本发明所提供的新型复合物，其次论述了优先配合新型复合物 使用的典型焊接操作，随后探讨了能从复合物的使用中获益的某些示范性应用。请在整个 论述过程中谨记，运种新型复合物的用途不单单局限于焊接或甚至作为填充金属，还适合 其他应用和操作，例如针焊。同样需要理解的是提及"焊丝"时，也同时提及其他适当形式的 添加金属，包括但不限于，适用于送丝器应用的连续焊丝(例如，用于金属惰性气体(MIG)电 弧焊的连续焊丝）、焊条(例如，用于鹤极惰性气体(TIG)保护焊及焊条焊的焊条）W及适用 于焊接、烙合、针焊、板材针焊包覆(braze cladding of sheet)等类似操作的其他形式。
[0015] 在第一方面，提供了用于由侣(Al)和侣合金制成的焊接工件的新型复合物。在广 义上，复合物包括重量百分比为4.7~10.9的娃(Si)、重量百分比为0.15~0.50的儀(Mg) W 及其余为侣和在侣填充金属中常见的痕量元素。目前预期的实施方式包括重量百分比为 4.7~8.0的娃，在一个实施方式中，娃的重量百分比为5.0~6.0。另外，在某些实施方式，儀 的重量百分比为0.31~0.50，W提高多种焊缝的强度。
[0016] 就像全球主要的侣生产商提供的那样，侣可能包含痕量元素杂质，包括但不限于， 铁(Fe)、铜(Cu)、儘(Mn)、锋(Zn)、铁(Ti)和被(Be)。在一个实施方式中，侣合金焊丝可进一 步包含总量多达W下数值的下列元素的任意一种或全部：重量百分比为0.80的铁、重量百 分比为0.30的铜、重量百分比为0.15的儘、重量百分比为0.20的锋、重量百分比为0.20的铁 W及重量百分比为0.0003的被(其他的所有痕量元素的总重量百分比不超过0.15,每种痕 量元素的重量百分比不超过0.05)。在某些实施例中，运些额外的痕量元素可包括错、筑和/ 或铭。例如，在某些实施例中，侣合金焊丝可包括:多达且包括重量百分比为0.90的铁(Fe), 多达且包括重量百分比为0.80的铁(Fe),多达且包括重量百分比为0.70的铁(Fe),多达且 包括重量百分比为0.45的铁(Fe),多达且包括重量百分比为0.40的铁(Fe)等等。另外，在某 些实施例中，侣合金焊丝可包括:多达且包括重量百分比为0.35的铜(化），多达且包括重量 百分比为0.30的铜(Cu),多达且包括重量百分比为0.25的铜(Cu),多达且包括重量百分比 为0.20的铜(Cu),多达且包括重量百分比为0.15的铜(Cu),多达且包括重量百分比为0.10 的铜（Cu)等等。在某些实施例中，侣合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.20的儘 (Mn)，多达且包括重量百分比为0.15的儘(Mn)，多达且包括重量百分比为0.10的儘(Mn)，多 达且包括重量百分比为0.05的儘(Mn)等等。在某些实施例中，侣合金焊丝可包括:多达且包 括重量百分比为0.25的锋(Zn)，多达且包括重量百分比为0.20的锋(Zn)，多达且包括重量 百分比为0.15的锋(Zn),多达且包括重量百分比为0.10的锋(Zn)等等。在某些实施例中，侣 合金焊丝可包括：多达且包括重量百分比为0.25的铁(Ti )，多达且包括重量百分比为0.20 的铁(Ti),多达且包括重量百分比为0.15的铁(Ti)等等。在某些实施例中，侣合金焊丝可包 括:多达且包括重量百分比为0.001的被(Be),多达且包括重量百分比为0.0005的被(Be)， 多达且包括重量百分比为0.0003的被(Be)等等。照此，在某些实施例中，所有的痕量元素 (即，除了娃、儘和侣的元素)可包括:多达且包括侣合金焊丝重量的1.8%，多达且包括侣合 金焊丝重量的1.5 %，多达且包括侣合金焊丝重量的1.0 %，多达且包括侣合金焊丝重量的 0.95%，多达且包括侣合金焊丝重量的0.90%，多达且包括侣合金焊丝重量的0.85%，多达 且包括侣合金焊丝重量的0.80%，多达且包括侣合金焊丝重量的0.75%等等。
[0017] 在复合物形成焊丝的实施方式中，可W提供焊接作业用直线形焊丝（即填充金 属）。直线焊丝(连续或定长剪切状)的直径一般不小于0.010英寸，通常小于0.30英寸。在优 选实施方式中，直线焊丝具有一种或多种直径，例如，0.023英寸、0.030英寸、0.035英寸(或 者0.9毫米）、0.040英寸、0.047英寸(或者3/64英寸或者12毫米）、0.062英寸(或者1/16英寸 或者1.6毫米）、0.094英寸(或者3/32英寸或者2.4毫米）、0.125英寸(或者1/8英寸或者3.2 毫米）、0.156英寸、0.187英寸及0.250英寸。
[0018] 为了预期的目的，可W对含其余为侣和痕量杂质的填充材料的个别成分的量进行 选择，生产特定的填充合金。例如，如上所述，合金复合物包含重量百分比约为4.7~10.9的 娃，具体为接近该范围中间的量，例如，约8.OW下的重量百分比。在特定的实施方式中，娃 含量的重量百分比，举例来说，可约为5.0~6.0(例如，重量百分比约为5.2~5.8的娃），或 者约介于5.4~6.0(例如，重量百分比约为5.5~5.8)。在某些实施例中，娃含量的重量百分 tk，举例来说，约介于4.6~6.0,约介于4.7~6.0,约介于4.6~5.9,约介于4.7~5.9,约介 于4.8~5.8等等。
[0019] 在娃的任一范围内，儀的重量百分比约在0.15~0.50(包含运两个数值)之间变 化。换言之，在上述娃的任一范围内，儀的含量可选择如下重量百分比：约为0.17~0.40、约 为0.20~0.30、约为0.22~0.30、约为0.25~0.30、约为0.15~0.25、约为0.15~0.23、约为 0.15~0.20、约为0.18~0.28和/或约为0.20~0.25。在某些实施例中，儀含量的重量百分 tk，举例来说，约介于0.20~0.50之间，约介于0.21~0.50之间，约介于0.20~0.49之间，约 介于0.21~50.49之间，约介于0.25~0.45之间等等。在当前预期的实施方式中，儀的数量 接近范围的上限，其重量百分比约为0.31~0.50，W独立于基底金属的稀释提高焊接强度， 详情参见下文。拟在侣协会中登记当前考虑的一个实施方式，并且向美国焊接协会提交该 实施方式，使其认证为认可的侣焊接合金X4043P (娃含量约为5.0~6.0重量百分比，儀含量 约为0.31~0.50重量百分比）。
[0020] 应了解，在本文描述了侣合金焊丝的娃、儘和痕量元素的组分范围情况下，剩余物 侣可包括侣合金焊丝重量百分比的约介于88.0~95.0之间，约介于90.0~95.0之间，约介 于92.5~95.0之间，或者约介于92.5~94.0之间。换言之，对于每个元素的分析，在某些实 施例中，本文所描述的侣合金焊丝基本上由娃、儘、侣和上文所述的痕量元素组成。还应当 了解，娃、儘、侣和痕量元素的任一值或范围都可与某些实施例中其他元素的结合。事实上， 上文描述的对于娃、儘、侣和痕量元素的某些重叠的范围可W被结合W形成更小或者更大 的范围。
[0021] 本发明所述的复合物特别适用于焊接应用，虽然它们也可用于针焊等操作(例如， 电锻）。图1和图2所示的示范性焊接系统可被有效利用来制造利用本文公开的复合物的侣 工件和侣合金工件的接头。如上所述，可W使用各种焊接系统和工艺，包括金属惰性气体保 护焊(MIG)工艺、鹤极惰性气体保护焊(TIG)工艺、焊条焊(stick welding)工艺等（W及针 焊工艺）。图1为示范性的金属惰性气体保护焊(MIG)系统10,包括电源供应器12和来自气源 16的保护气体，电源供应器12用于从输入电源14处获取电力。在很多实施中，电源包括电 网，而其他电源也是常见的，例如，内燃发电机组、电池及其他发电储能装置。一般用加压瓶 提供保护气体。
[0022] 电源供应器12包括电源转换电路18,电源转换电路18将外来或存储电能转换成适 用焊接的形式。正如本领域的技术人员能够领会的那样，电源转换电路可能包括整流电路、 转换器、逆变器、断路器、增压电路等。此外，电路可根据焊接工艺的选择产生交流电或直流 电输出。电源转换电路与控制电路20禪合，用来控制转换电路的运行。一般而言，控制电路 包括一个或多个处理器22和内存24,内存24存储由处理器执行的用来调节转换电路运行的 焊接参数、设定点、焊接工艺程序等。举例来说，处理器可使转换电路执行恒电流工艺、恒电 压工艺、脉冲焊接工艺、短路过渡工艺（sho;rt circuit transfer processes)或者适用于 具有该公开的复合物的焊接侣部件的其他合适的工艺。操作员界面28允许焊接操作人员选 择焊接工艺，并设定如电流、电压、送丝速度等焊接参数。
[0023] 电源供应器12经由线缆30与送丝器32连接。线缆可能包括输送焊接电力的电力线 缆，传递控制信号和反馈信号的数据线缆、W及提供保护气体的气体软管或线缆。送丝器32 包括根据所公开复合物所述的焊丝卷筒34。送丝驱动36从卷筒中拉出焊丝，将焊丝送往与 焊炬40连接的焊接电缆38。尽管送丝器可能包含自有处理器和内存(未显示），自有处理器 和内存用于控制或协同控制送丝速度、自电源至推进的焊丝的电力应用，但送丝驱动一般 根据电源的设置来工作。另外还需要注意的是送丝器可能包含自有界面(未体现），其允许 焊接操作人员改变焊接工艺、焊接设置、送丝速度等。
[0024] 焊接电缆38向焊炬40输送电力和气体，并且可W向送丝器(再向电源)输送数据信 号(例如，检测电流和/或电压）。在侣焊接应用中，焊炬40可设置内部电机，在送丝器32协同 推动焊丝时拉动焊丝。工件电缆42与待焊接工件44相连，并且容许通过焊炬、焊丝和工件建 立闭路，在焊丝和工件之间形成焊弧。焊弧在焊接期间（在选择特定的焊接工艺和控制体系 时)保持不变，并且烙化焊丝，一般至少烙化一部分工件或待连接的工件。
[0025] 如图1附图标记46所示，焊接系统可作调整，W接纳焊条焊焊炬。运种焊炬使用的 是电焊条48(可根据公开的复合物制造)而不是连续卷筒进给的焊丝。正如本领域的技术人 员能够领会的那样，焊条焊焊炬可直接连接焊接电源供应器12,焊接电源供应器12可执行 其他焊接进程(例如，金属惰性气体保护焊(MIG)、鹤极惰性气体保护焊(TIG))，或者在本项 应用中，电源供应器可W就可用工艺方面而言具有更多有限功能。
[0026] 图2为能配合公开的新型复合物使用的示范性鹤极惰性气体保护焊(TIG)系统。鹤 极惰性气体保护焊(TIG)系统50也包含电源供应器52,电源供应器52与上述系统类似，其用 于接收来自电源54的电力，来自气源56的保护气体。正如本领域的技术人员能够领会的那 样，所用的保护气体因所选定的工艺而异。电源供应器52同样包含电源转换电路58及相关 控制电路60。控制电路60包括一个或多个处理器62和内存64，内存64用于存储焊接设置、焊 接工艺等。同样，操作员界面68可允许焊接操作人员设置用于鹤极惰性气体保护焊(TIG)工 艺的此类焊接参数。
[0027] 不过，在鹤极惰性气体保护焊(TIG)工艺中，焊丝不会被送往工件，仅经由适合的 线缆70输送电力和气体。焊炬72接收电力和气体，并且允许经由内部鹤电极产生焊弧。工件 电缆74与工件76连接，来闭合电路。随着工件产生焊弧W后，焊丝78被送往焊接位置，并在 该位置被烙化，一般至少烙化工件的一部分基底金属。脚踏开关78(或另一种操作人员输入 装置)可允许操作人员在焊弧持续时W及焊接进行时对工艺过程进行精细控制。
[0028] 还需要注意的是，配合本发明所述的复合物使用的工艺可W部分自动化或全自 动。也就是说，在某些设置下，可使接头被编程为用自动焊接系统、自动机械等来执行。在大 多数运种设置下，焊丝如上文所述的从卷筒连续进给。另外，复合物可与多种其他工艺和应 用配合使用，例如，与激光焊接、点焊、激光针焊等配合使用。虽然工艺可通过设计适用于侣 和侣合金的连接，复合物绝不仅限于该等应用，还可W用于连接钢等非侣基底材料。
[0029] 上述方法允许形成包含烙融侣填充材料合金W及部分烙融工件的烙池。在某些实 施方式中，烙池包含的侣填充金属合金的重量百分比超过20%、30%、40%、50%、60%、 70%、80 %、90 %、92 %、94 %、96 %、98 %、或99 %，剩余部分为烙融的基底金属工件。
[0030] 本发明所述的复合物使用规范也可有效用于生成侣结构的热处理和时效处理。某 些运类操作可在溫度高于室溫W及低于基底金属工件、侣填充金属合金及烙池的烙化溫度 进行。例如，在某些实施例中，溫度大约可在1050° F~1185° F范围内，大约可在1065° F~ 1170°F范围内，大约可在1080°F~1155°F范围内，大约可在1095°F~1140°F范围内等等。热 处理步骤的时间最好在30分钟和30小时之间（如1小时~10小时，例如，2小时~8小时）。另 夕h工艺过程可能包括允许焊接的侣结构在高于环境溫度的溫度下在介于30分钟和30天 (例如，1小时~1周，例如，2小时~12小时）的一段时间内作时效处理。另外，在环境溫度下 进行1周~2年(例如，2周~1年，例如，1月~6月）的时效处理对复合物有利。
[0031] 可W相信，通过使用本发明所述的复合物和焊丝，质量优良的焊接侣结构能生产 与利用其他侣填充金属焊接的侣结构相比的优异的焊接性能，包括高的剪切强度和抗拉伸 强度。举例来说，可W相信，复合物可通过焊态下的固烙强化W及儀和娃的金属化合物在焊 接自身和焊接结构焊后热处理和/或时效处理中的形成和沉降而拥有更大强度的焊接。也 可W相信，本发明的复合物允许对与较大焊缝的剪切强度等同的较小的角焊缝实施较少的 热量输入，从而减小在焊接状态下焊接结构的热影响区(HAZ)。
[0032] 本发明所述的复合物，例如单合金板、针焊复合板、板材、管材、条材、棒材、挤压制 品、铸件、锻件、粉末金属零件W及各种配置的金属陶瓷(例如，圆形、方形、矩形)或者其中 几种配置的组合，可有利于各种工件和工件配置。可W根据要求设置任何厚度，W打造预期 的焊接结构。运些复合物都能很好地配合基底金属工件的所有厚度W及具有烙融的基底材 料的烙池的所有稀释量来工作。
[0033] 具体而言，在^义义、2义义义、3义义义、5义义义直到3%儀、6义义义及7义义义系列侣合金中配合侣 合金基底材料使用时能改善性能。更具体地说，本发明所述的复合物有利于用6XXX系列侣 合金制作的基底材料工件。由于可进行热处理，因此6XXX系列合金在很多侣结构中的应用 尤为广泛。举例来说，上述结构包括挤压制品、薄板及板材，应用于汽车、卡车拖车、船舶、军 用车辆等无数结构的制造。
[0034] 多年来，人们一直用侣-娃二元合金4043焊接6XXX系列侣合金。4043合金不能进行 热处理。其焊态强度为采用4043合金焊接的最广泛使用的6XXX系列合金强度的50%。加入 儀能使4043成为与6XXX系列合金类似的、可进行热处理的S元合金，加入足够的儀可使 4043达到更高的焊态下强度，并且在焊后热处理和时效处理中达到与6XXX基底金属类似的 机械性能。在焊接操作中，烙池被一定数量的烙融基底材料稀释，运种现象简单称为稀释。 如果用4043焊接6XXX系列基底金属时，举例来说，发生稀释，则填充金属与基底金属烙合， 并且烙池需要一定数量的儀。焊接的强度随着稀释量的增加而提高。目前已经有例如6061 的基底金属的焊接规范，例如，AWS Dl. 2。规范在假设基底金属的最小稀释量为20%的情况 下，规定最终焊接组件必须达到的剪切强度和抗拉强度。必须在生产中遵守运些设计规范 规定的焊接工艺。
[0035] 但是，在本发明之前，行业无法始终如一地满足6XXX系列合金的规范要求。当基底 金属和填充金属的化学范围与焊接工艺中的所有变化因素相互结合时，烙池的焊后儀含量 缺乏一致性，无法通过控制始终达到规范要求的含量。在两种常用焊接设计中，即角接接头 和对接接头，80 %的焊接普遍采用角接接头。由于物理形状的关系，焊接角接接头时，稀释 量很小。同样，在截面厚度大于3/8英寸或小于3/32英寸的结构中焊接对接接头时，稀释量 很小，甚至根本不稀释。因此，运些焊接接头没有从基底金属中获取足够的儀，W达到理想 的焊态下强度或焊后热处理及时效处理强度。运已带来了非常严重的行业问题。侣是减轻 重量、降低能耗的理想金属，但是现有填充金属阻碍了侣的应用。
[0036] 本发明解决了上述问题。本发明提供了一种侣-娃-儀=元合金，其化学范围产生 的剪切强度和抗拉强度能满足AWS Dl.2关于6XXX系列合金规范的要求，稀释量很小或根本 不稀释(例如，大约小于20%的基底金属稀释量，大约小于10%的基底金属稀释量，大约小 于5 %的基底金属稀释量，大约小于0%的基底金属稀释量等等）。该基底金属稀释量被定义 为被烙融的基底金属重量除W焊接金属的总重量(例如，所有的焊接金属）。例如，对于大约 20%的基底金属稀释量，来自烙化电焊条的焊接金属的部分大约是80%。运种填充金属复 合物的设计考虑了娃和儀在6XXX系列合金中的化学范围W及在焊接制造过程中遇到的变 化因素，并且假设最终焊接点含有足够的娃和儀，W满足强度要求。如上所述，新型金属复 合物可能包含不同的娃和儀量，例如W下不同的重量百分比：4.7~10.9%娃，具体为4.7~ 8.0%，更具体为5.0~6.0%。儀的成分可能为如下重量百分比：0.15~0.50% W及0.15~ 0.30%，但为提高强度起见，可W是0.31~0.50。
[0037] 用运些复合物焊接的接头不仅能在连接操作中利用复合物的性能，还能获得更好 的焊态(或较通常为连接)结构性能。例如，娃成分能降低烙点和表面张力，增加流动性。相 对较高的儀含量使之无须从基底材料中获取儀才能达到较高的强度(例如，与基底金属的 强度一致或者超过基底金属的强度）。运一点特别有利于连接较薄的截面(少量基底材料烙 化的截面或者其中有少量材料可促成焊态接头)及较厚的截面(可能需要多条焊道，产生多 条后续焊道，其从基底材料或初始焊道中获取儀的能力逐渐减弱）。在连续焊道中，各个焊 道中的绝大部分(例如，99%或更多)儀由填充金属提供。
[0038] 例如，6061基底材料合金通常采用薄板和板材形式，并且用4043填充金属焊接。 6061合金是儀-娃型合金，含1 %的儀、0.6%的娃，W及少量铜和铭。6061合金通过热处理达 到最好的机械性能，在热处理中，合金元素作为金属互化物烙透，强化侣金属基体，在运种 情况下，通过仔细控制热操作控制娃化儀及其在整个基体中的大小和分布。运种热处理微 观结构很快就被焊接破坏，焊接点热影响区的机械性能损失为30%~50%。6061在-T6热处 理条件下的非焊接抗拉强度一般是45KSI，而规范规定的最小焊态下抗拉强度是24KSI。 6061的完全退火抗拉强度一般是19KSI。根据采用的焊接条件，完全退火的热影响区可W存 在部分6061基底金属。4043的完全退火抗拉强度一般也是19KSI，可能低至15KSI。此外， 4043是不能进行热处理的合金。
[0039] 发布的设计数据说明了用4043焊接的6061在焊态及焊后热处理和时效处理下的 机械性能。数据根据不同配置下的实际焊接开发而来。数据的前提条件是一定比例的基底 金属在焊接过程中烙化，烙入烙池，产生新的化学品，即4043和6061的混合物。在运种情况 下，一些儀进入4043化学品，如果有足够的基底金属烙化，则烙池成为合金，经焊态条件下 的儀固溶强化，响应焊后热处理操作。
[0040] 表1为利用4043焊接的6061基底金属在焊态条件及焊后热处理和时效处理条件下 的数据实例：
[0041] 亲 1
[0042；
[0043]
[0044] 注意I:在烙池的烙融基底金属无稀释的情况下，合金组合的焊态及焊后热处理抗 拉强度达不到AWS Dl.2的设计要求。
[0045] 注意2:在烙池的烙融基底金属无稀释的情况下，满足AWS Dl. 2的4643及X4043P的 抗拉强度要求。
[0046] 如上所述，绝大部分焊接采用两种常用焊接接头类型，即角接接头和对接接头。角 接接头的焊接接头角一般是90度，必须用填充金属填满。对于很薄的基底金属截面，必须在 焊接操作中将基底金属烙融量控制在绝对最小值，W实现很小的烙融基底金属引起的烙池 稀释量。对于本处所举的、采用4043填充金属的实例，产生的焊接点没有足够的儀，达不到 焊态强度要求，并且不会响应焊后热处理和时效处理。当角焊缝配合被连接的厚截面尺寸 使用时，也会出现上述情形。在运种情况下，烙融基底金属使焊接接头底部有足够的烙池稀 释，焊接接头被多条焊道填满，后续焊道中的填充金属不再接近基底材料，不出现基底金属 稀释现象。因此，本处再次说明，焊缝的含儀量不足，达不到焊态条件下的强度要求，且不响 应焊后热处理和时效处理。用4043焊接的角焊缝所发布数据和AWS Dl.2焊接规范认识到了 运种情况，机械强度数据正确地显示了在不稀释的情况下待用4043焊接的接头强度。另一 方面，对接接头的基底金属烙化比例要高得多。对于用4043焊接的6061对接接头，所发布的 数据和AWS Dl.2假设烙池充分稀释，达到焊态条件和焊后加热处理和时效处理条件下的强 度要求。但是，对接接头中的烙池稀释量很难控制，并且不太可能在生产焊接操作中可靠地 重现。
[0047] 表2为角焊缝的一般最大设计强度，该角焊缝含100%仅用于当前可用合金焊丝的 填充金属：
[004引表2
[0049]
[0050] 截面大于3/8英寸的对接接头无法在接头中屯、形成足够的基底金属烙化量，无法 达到烙池的最小稀释量要求。因此，因为4043必须通过将基底金属烙融入烙池中稀释来获 得儀，所W如果不能在生产中确实地获得，则很难控制焊态条件及焊后热处理和时效处理 条件下的机械性能要求。
[0051] 如上所述，本发明所述的复合物能与各种焊接工艺一起使用。某些焊接工艺的开 发推动了薄截面尺寸结构的生产。脉冲焊接等工艺能阻止基底金属的大量烙化，允许不断 缩小焊接截面的尺寸。特别是在薄型截面结构方面，当前可用的娃焊接合金为达到理想的 设计强度提供了可能性，运限制了能够减轻重量、维持强度的零件的设计选择。解决上述问 题的改进包括，例如，登记为4643的合金，4643合金被认为是为厚截面6061基底材料的对接 焊接提供了一种解决方案。当然也可W用4643合金焊接同样存在烙池稀释不足的薄截面。 4643合金是在焊接作业的烙池中产生的从20%6061和80%4043的混合合金获取的合金的 一种复制品。与4043相比，4643的娃含量越低，流动性就越小，烙化溫度就越高，凝固和固态 收缩就越大。此外，4643取决于焊接过程中含6XXX系列合金的低娃稀释量。生成的合金达不 到最佳焊接特性，当烙池的娃含量在焊接过程中降到2%或W下时，焊接裂缝敏感性问题恶 化。因此，4643并未被视为是4043的可行替代品，仅在少数情况下使用4643解决具体问题。 4643合金的产量非常少，成本是4043的屯倍，没有经济可行性。
[0052] 本发明所述的复合物解决了6061/4043合金组合的缺点。此复合物含有所需含量 的儀，无须依赖烙池稀释达到理想的焊态及焊后热处理机械性能要求。另外，复合物能在焊 接过程中保持足够的固溶和泽火速率，W便其可W随着时间的推移自然时效，并且第一年 期间在室溫下强度增加。复合物还为制造商提供了购买-T4回火6XXX系列合金的选择自 由，-T4回火进行固溶热处理和泽火，但不作时效处理。于是，用本发明所述的复合物焊接W 后，对成品焊件进行简单的时效处理即可达到接近-T6回火的强度水平。
[0053] 此外，与4043相比，本发明所述的复合物能使每一种焊接接头(无论类型或稀释因 子)具有焊态纵向剪切强度至少自动增加17%左右，横向剪切强度至少自动增加33%，抗拉 强度至少增加42%，并且焊后热处理剪切强度能提高130%左右。例如，在某些实施例中，焊 接的焊态纵向剪切强度可在16-20KSI范围内，可在17-19KSI范围内，或者大约是18KSI;焊 接的焊态拉伸强度可在30-40KSI范围内，可在32-38KSI范围内，或者大约是35KSI;焊接的 焊后横向剪切强度可在25-35KSI范围内，可在28-33KSI范围内，或者大约是31KSI;焊接的 焊后拉伸强度可在35-50KSI范围内，可在40-45KSI范围内，或者大约是42KSI。相比较焊后 强度(例如，热处理剪切强度在32-43KSI范围内，在34-4化SI范围内等等，热处理拉伸强度 在46-58KSI范围内，在49-55KSI范围内等等），热处理焊缝可W使运些强度中的一个或者多 个增力日15-30%。应当指出某些强度被称为"焊后"强度，但是，在使用针焊工艺将填充金属 (例如，具有本文所述的特性)结合到工件的情况下，运些强度可W被称为"针焊后"，或者， 更普遍地，"后粘合(post-bonding)"强度。
[0054] 另一个重要考虑因素是制造适合的焊接接头所需的填充金属量。用填角的横截面 焊喉尺寸及相关填充合金的所发布剪切强度计算角焊缝的剪切强度。各种纯填充金属合金 的一些典型剪切强度请参见上述表1。因为填角尺寸随着焊接工艺或焊道数的增加而增加， 因此焊喉尺寸的增加与所用填充金属量之间没有线性关系。如果焊喉尺寸增加一倍，则W4 倍的因子增加填充填角所需的填充金属量。因为填充填角所需的焊道数量随着焊喉尺寸的 增加而迅速增加，并且需要盖住下面的焊道时电焊工必须处理满焊道，因此填充填角所需 的填充金属量更大。在某些情况下，如果基底材料未焊透，不存在烙融基底金属引起的烙池 稀释，则设计师不得不增加角焊缝的焊喉尺寸，W达到足够的焊接强度。结果会消耗更多昂 贵的填充金属，运提高焊接结构的成本。利用本发明所述的复合物能提高强度，无须为了达 到强度要求而使烙池具有足够的儀，因而无须全部焊透，可通过减小角焊缝尺寸极大地降 低成本。另外，使用本发明所述的复合物W后，焊接接头将在焊态条件下自然时效，时效速 度将随着工作溫度的升高而迅速加快。焊接接头的机械性能至少在焊后一年内随着时间的 推移而持续增强。
[0055] 关于娃和儀在本发明所述复合物中的绝对量和相对量，发明人意识到，可W用亚 共晶复合物制作丝状娃基侣焊接填充金属合金。随着娃含量的增加，凝固区间缩小，液相线 和固相线减少。运使得合金的焊接裂缝敏感性下降。娃的含量（重量百分比）降到0.5~ 2.0%时，侣-娃合金具有凝固裂缝敏感性。娃含量低于4.7%重量百分比所生成的娃-侣合 金可能在达到裂缝敏感区间之前就限制基底金属的稀释总量。运一特性在如下鹤极惰性气 体保护焊（TIG)中尤为重要：根据焊接工艺，烙融基底金属形成的烙池稀释量相对较大。 6XXX系列等合金在热处理过程中通过娃化儀获得机械性能，在焊接化学品的结合含量降至 0.6~0.8%重量百分比的娃和0.5~1.0%重量百分比的儀时，或者换言之，娃化儀总量下 降2% (重量百分比）左右时，具有裂缝敏感性。从6005系列到6061系列(包括6061)是对裂缝 最敏感的6XXX系列合金。运就是儀在侣-儀填充金属合金中的最高实际上限为0.5% (重量 百分比）的原因。如果4043填充合金通过烙融6XXX基底金属产生的烙池稀释而获得了 0.20% (重量百分比）的最小儀含量，则合金获得的机械性能类似于6XXX基底金属通过焊后 热处理和时效处理至-T6回火的机械性能。所述的X40430P复合物应当具有娃含量为5.0~ 6.0%重量百分比，儀含量为0.31~0.50%重量百分比。
[0056] 在某些实施方式中，复合物的规定值域是5.0~6.0%重量百分比。无祀娃含量一 般为5.2%重量百分比。无祀娃在华氏1292度下烙化，在合金中形成液体粘度，其内摩擦力 为1.1厘泊。焊接行业早就期待ER4043具有运种流动性，50多年来，符合要求的焊接实践也 记录了运种流动性。5.0~6.0% (重量百分比)娃含量的另一个优势是与焊接时烙化填充金 属所需的电流密切相关。本文所述的变化将使全球焊接工艺规范及众多制造用焊接设备的 预编焊接参数发生变化。
[0057] 娃含量还会影响合金的热膨胀。娃含量降低时，焊珠的热膨胀系数增加。例如，复 合物的娃含量为5.2% (重量百分比）时，1.0纯侣的热膨胀系数为0.94。复合物的娃含量为 3.5% (重量百分比）时，热膨胀系数为0.97。侣和已知填充金属复合物之间的热膨胀差异会 增加焊接变形量，使裂缝敏感性大于本发明所述的复合物。娃含量越大，凝固及固态收缩率 越小。与现有复合物相比，本发明所述复合物的娃含量较大，形成较大的共晶相体积分数， 能降低烙池的收缩率。本发明所述复合物的裂缝敏感性水平等同于或优于现有合金。因此， 本发明所述的复合物可作为现有复合物(例如4043)的直接替代品，且无须改变焊接实践或 工艺，此外，与4643(虽然4643并未被视作4043的直接替代物)相比，本发明所述复合物能带 来更大的强度效益。
[0058] 由于本发明所述的新型复合物含有儀，其不仅能作为4043的直接替代品还能为各 类焊接带来显著优势，即更大的剪切强度和抗拉强度。本发明所述的复合物能避免烙池缺 乏相应的基底金属稀释量而导致的焊接金属机械性能差的问题。可W将运种新型合金的儀 含量控制在裂缝敏感水平W下。儀的含量足够低，在焊接6XXX系列合金时，能从烙融基底金 属形成的烙池稀释中获得一些额外的儀。因此，新型复合物的最大儀含量为0.50%重量百 分比。运一含量为附加儀(可能加入烙融基底金属稀释形成的烙池)提供了安全系数。焊接 强度较低的Ixxx或3XXX系列合金时，烙池有一些非故意的稀释量，发明人的X4043P合金具 有0.31的最小儀含量安全系数，能使儀保持满足要求的含量，ER4043或邸4643都没有运种 特性。
[0059] 侣合金基底金属从加工硬化或者从热处理、时效处理等等获得其强度，具体方式 取决于合金。焊接工艺引入热循环，运造成了退火效应，该退火效应损害靠近焊缝的临界区 域(被称为热影响区化AZ))的强度机制。热影响区化AZ)被热循环软化并且失去其强度。热 影响区(HAZ)的强度流失在侣中比在铁中更显著，并且热影响区化AZ)可W比接头中的焊接 金属弱。当使用本文所描述的侣合金焊丝制作的焊缝变的更强时，运种情况会变得更显著。 运会不利地影响使用本文所描述的侣合金焊丝制作的焊缝，在运些情况下，整个接头的强 度由HAZ决定，而不是焊缝本身决定。为了克服运个潜在的问题，当保持相同的焊接强度时， 焊缝的焊缝尺寸或者横截面面积可能要被减小。越牢固的焊缝使得越小的焊缝尺寸成为可 能，W在接头(例如，角接接头)处获得等同的剪切强度。较小的焊缝能利用较少的热量输入 烙敷焊接金属，从而，除了减少潜在的焊接生产时间之外，在较小的热影响区里提供较少的 软化。另一个解决方案是采用低热量输入焊接工艺，W使用本文所描述的侣合金焊丝进行 焊接。一个潜在的解决方案是使用脉冲焊接工艺、交流焊接工艺、受控短路(CSC)工艺、金属 烙敷控制(RMD)工艺、活丝工艺、热丝工艺W及冷金属过渡(CMT)工艺，每一个工艺都采用先 进的波形和算法在特定的时期减小电流和/或电压，从而减少热量输入和飞瓣。运些焊接工 艺可潜在地使用比传统CV工艺更少的热量输入来制作相同的焊缝。
[0060] 本文描述的侣合金焊丝还增加对焊缝不连续性的耐受性，焊缝不连续性诸如多孔 性，它会减弱整个接头的强度。侣接头设计通常包括安全余量W用于考虑在制造过程中的 不连续性，诸如多孔性。例如，当在生产过程中表面氧化清洁没有被适当执行时，每单位横 截面面积的较强的焊缝补偿焊缝内部潜在的不连续性。
[0061] 通过控制焊接工艺形成较小的焊缝或者通过使用较低热量输入的焊接工艺获得 的较低的热量输入的另一好处是，减少焊接组件的变形。侣具有大约是钢的两倍的热膨胀 系数，并且焊接变形在焊接侣中比在焊接钢中为更显著的问题。使用上文描述的较低热量 输入焊接工艺W及本文描述的侣合金焊丝可带来较低变形倾向。另一好处是当制作较小的 焊缝带来较快的焊接循环时间。
[0062] 虽然本文仅列举、介绍了本发明的某些特性，但是本领域的技术人员能想到很多 修改和变化。因此，所附权利要求书意在涵盖所有落入本发明实质精神之内的所有修改和 变化。
【主权项】
1. 一种形成冶金结合的方法，包括： 将至少部分工件基底金属和填充金属冶金粘结以形成冶金结合，其中所述填充金属是 重量百分比在约4.7 %至约6.0 %之间的硅、重量百分比在约0.20 %至约0.50 %之间的镁以 及其余为铝和痕量元素的合金。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述冶金结合包括小于基底金属的约20%。3. 如权利要求1所述的方法，其中所述冶金结合具有在约25KSI至约35KSI之间的后粘 合横向剪切强度，以及在约35KSI至约50KSI的后粘合拉伸强度。4. 如权利要求3所述的方法，其中所述冶金结合具有在约28KSI至约33KSI之间的后粘 合横向剪切强度，以及在约40KSI至约45KSI的后粘合拉伸强度。5. 如权利要求1所述的方法，包括重量百分比在约92.5 %至约95.0 %之间的铝，并且其 余为痕量元素。6. 如权利要求1所述的方法，其中所述痕量组分包括铁、铜、锰、锌、钛、铍、锆、钪和铬中 的一种或多种，其中所述痕量元素的总重量百分比不超过填充金属的约1.0重量％。7. 如权利要求1所述的方法，其中所述合金包括重量百分比在约5.0%至约6.0%之间 的硅，以及重量百分比在约0.21%至0.50%之间的镁。8. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金结合的工艺包括金属惰性气体焊 接工艺。9. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金结合的工艺包括钨极惰性气体焊 接工艺。10. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金结合的工艺包括焊条焊工艺。11. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金结合的工艺包括脉冲焊接工艺。12. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金结合的工艺包括交流焊接工艺。13. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工艺包括受控短路工艺。14. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工艺包括金属熔敷控制工 -H- 〇15. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工艺包括活丝工艺。16. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工艺包括热丝工艺。17. 如权利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工艺包括冷金属过渡工 -H- 〇18. 如权利要求1所述的方法，其中所述冶金接合包括焊接接头。19. 如权利要求1所述的方法，其中所述冶金接合包括钎焊接头。20. 如权利要求1所述的方法，包括实施多个连续焊道，在所述焊道中基底金属或填充 金属的先前焊道被熔化，并且额外的填充金属被熔敷。21. 如权利要求20所述的方法，其中在至少一个连续焊道中，各个焊道中的绝大部分镁 由所述填充金属提供。22. 如权利要求1所述的方法，其中所述冶金结合具有至少与基底金属相同的强度。23. -种焊接消耗品，包括： 重量百分比在约4.7 %至约6.0 %之间的硅，重量百分比在约0.20 %至约0.50 %之间的 镁，其余为铝和痕量元素。24. 如权利要求23所述的焊接消耗品，包括重量百分比在约92.5%至约95.0%之间的 铝，其余为痕量元素。25. 如权利要求23所述的焊接消耗品，其中所述痕量组分包括铁、铜、锰、锌、钛、铍、锆、 钪和络中的一种或多种，其中所述痕量元素的总重量百分比不超过约1.0重量％。26. 如权利要求23所述的焊接消耗品，包括重量百分比在约5.0%至约6.0%之间的硅， 以及重量百分比在约0.21%至约0.50%之间的镁。27. 如权利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括卷筒焊丝、直线焊丝或 焊条。28. 如权利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括钎焊组分。29. 如权利要求28所述的焊接消耗品，其中所述钎焊组分包括钎焊环或钎焊膏。30. 如权利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括用于在铝基底合金外 镀上铝或者铝合金基底金属组分的。
【文档编号】C22C21/02GK105916628SQ201480073543
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年11月19日
【发明人】布鲁斯·爱德华·安德森, 克里斯托弗·徐
【申请人】伊利诺斯工具制品有限公司