本发明属于铝合金焊接材料技术领域，具体涉及一种铝铜合金用焊丝及其制备方法和应用。
背景技术：
铝铜合金的发展与航空事业的发展是密不可分的，20世纪初，莱特兄弟在制造飞机时，就采用了al-cu-mn铸造飞机发动机的曲柄箱体；随后，al-cu-mg合金中发现时效硬化现象，使铝铜合金作为飞机主体结构材料成为可能。目前，铝铜合金已成为飞机机体的主要结构材料之一，如飞机的机身、蒙皮、大气机箱、隔框、翼肋、翼梁、发动机压气机轮、风扇、叶轮、活塞、导风轮和轮盘等，都采用铝铜合金。随着铝铜合金应用范围的逐渐扩大，铝铜合金的性能也面临着越来越严苛的要求，包括铝铜合金的连接性能。
铝铜合金常见的连接方式有熔焊，熔焊时，焊缝金属主要由沿晶界和枝晶间分布的低熔共晶组织组成，焊缝金属易产生结晶裂纹，且塑性较差，对应力集中敏感，接头强度仅能达到母材强度的50～60％左右，制约了铝铜合金的应用。例如，针对高强铝铜系合金焊而研发的焊丝有国外生产的er2319商品化焊丝和按照gb/t10858-1989标准制备的salcu焊丝，这类焊丝的焊缝组织由枝晶和沿晶界分布的粗大共晶组成，焊缝金属的强度较低，用其焊接2219或2519高强铝铜合金时，焊接接头的强度只能达到母材的55～60％。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铝铜合金用焊接焊丝及其制备方法和应用，本发明提供的焊丝在焊接高强铝铜合金时，能够得到强度较高的焊缝接头。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铝铜合金用焊丝，包括以下质量含量的组分：cu6.3～6.8％，mn0.3～0.4％，ti0.3～0.4％，zr0.3～0.4％，混合稀土元素0.2～0.3％，si≤0.10％，fe≤0.15％，余量为al。
优选的，所述混合稀土元素包括la、ce和y中的两种或三种。
本发明还提供了上述技术方案所述铝铜合金用焊丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)对应权利要求1或2所述焊丝的化学组成，将原料混合进行熔炼和浇铸，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)的铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材；
(3)将所述步骤(2)的挤压材进行拉拔，得到铝铜合金用焊丝。
优选的，所述步骤(1)中的原料包括铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝稀土中间合金。
优选的，所述步骤(1)的熔炼包括初级熔炼和精炼；
所述初级熔炼的温度为750～760℃，初级熔炼的时间为30～35min；
所述精炼的温度为760～780℃，精炼的时间为10～20min。
优选的，所述步骤(1)浇铸的温度为720～740℃。
优选的，所述步骤(2)均匀化处理的温度为520～550℃，均匀化处理的保温时间为14～17h。
优选的，所述步骤(2)热挤压的温度为380～430℃，热挤压时间为1～2h，变形系数为10～20。
优选的，所述步骤(3)的拉拔为多道次拉拔，所述拉拔的次数为10～20；
每两次拉拔后进行一次退火；每次退火的温度独立地为380～430℃，退火的保温时间独立地为1～2h。
本发明还提供了上述技术方案所述铝铜合金用焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的铝铜合金用焊丝在熔化极气保护焊或交流钨极氩弧焊中的应用。
本发明提供的铝铜合金用焊丝，包括以下质量含量的组分：cu6.3～6.8％，mn0.3～0.4％,ti0.3～0.4％，zr0.3～0.4％，混合稀土元素0.2～0.3％，si≤0.10％，fe≤0.15％，余量为al。本发明将混合稀土元素、ti和zr配合使用，混合稀土元素(以re表示)、ti和zr能与al反应并相应生成al3ti、al3zr和ti2al20re高熔点粒子，而且混合稀土元素能抑制al3ti和al3zr的粗化、聚集和沉淀，使al3ti、al3zr和ti2al20re能充当基体形核核心，促进等轴晶的形成，细化焊缝组织，进而提高焊缝接头的强度和塑性。实施例结果表明，采用上述方案所述铝铜合金用焊丝对铝铜合金进行焊接时，焊缝接头的强度能够达到308mpa以上，强度系数达到66.0～70.4％。
具体实施方式
本发明提供了一种铝铜合金用焊丝，包括以下质量含量的组分：cu6.3～6.8％，mn0.3～0.4％,ti0.3～0.4％，zr0.3～0.4％，混合稀土元素0.2～0.3％，si≤0.10％，fe≤0.15％，余量为al。
以质量含量计，本发明提供的铝铜合金用焊丝的组分包括cu6.3～6.8％，优选为6.4～6.7％，更优选为6.5～6.6％。在本发明中，铜在铝铜系合金用焊丝中为主要的强化元素，起时效析出强化作用，这是因为合金在淬火时效后，其组织中出现大量弥散分布的析出相，并在析出相周围形成弹性应变区，阻碍了位错的运动，使铝铜合金具有很高的室温机械性能。
以质量含量计，本发明提供的铝铜合金用焊丝的组分包括mn0.3～0.4％，优选为0.33～0.40％，更优选为0.33～0.38％。在本发明中，mn能提高铝铜合金的强度及抗裂性能，锰在铝铜合金中形成三元共晶α(al)+cual2+al12cumn2，在合金中弥散分布，起弥散强化作用。
以质量含量计，本发明提供的铝铜合金用焊丝的组分包括ti0.3～0.4％，优选为0.31～0.40％，更优选为0.31～0.38％。在本发明中，ti在含有混合稀土元素(以re表示)的条件下，能够与al反应生成al3ti粒子和ti2al20re粒子，这些粒子在焊缝金属的凝固过程中，作为非均质形核的核心，促进了等轴晶的形成，细化了焊缝组织，提高了接头的力学性能。
以质量含量计，本发明提供的铝铜合金用焊丝的组分包括zr0.30～0.40％，优选为0.30～0.38％，更优选为0.32～0.36％。在本发明中，在混合稀土元素存在条件下，zr能与al反应生成细小的al3zr粒子，该粒子可作为基体的形核核心，对铝合金产生较好的晶粒细化效果，进而提高接头的强度和塑性。
以质量含量计，本发明提供的铝铜合金用焊丝的组分包括混合稀土元素0.20～0.30％，优选为0.22～0.28％，更优选为0.24～0.26％。在本发明中，所述混合稀土元素优选包括la、ce和y中的两种或三种，具体可以为la和ce；la和y，优选为la和y。所述混合稀土元素为两种元素的混合物时，la和另外一种稀土元素的用量比优选为1:0.7～1.3，更优选为1:0.75～1.25。在本发明中，混合稀土元素能够使ti、zr分别与al形成非均质形核的核心，有利于等轴晶的形成和焊缝组织的细化，为焊接接头强度和塑性的提升提供基础。
在本发明中，所述铝铜合金用焊丝的组分对si和fe的含量进行严格控制，以避免有害元素的影响。在本发明中，以质量含量计，si≤0.10％，fe≤0.15％。
本发明所述铝铜合金用焊丝还包括al，本发明对所述al的含量没有特殊要求，以能与上述方案所述合金元素的总和达到100％即可。
本发明提供了上述技术方案所述铝铜合金用焊丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)对应上述技术方案所述焊丝的化学组成，将原料混合进行熔炼和浇铸，得到铸锭；
(2)将所述步骤(1)的铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材；
(3)将所述步骤(2)的挤压材进行拉拔，得到铝铜合金用焊丝。
本发明对应上述技术方案所述焊丝的化学组成，将原料混合进行熔炼和精炼，得到浇铸液。在本发明中，所述原料优选包括铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金和铝稀土中间合金；所述铝铜中间合金优选包括al-50cu合金，所述铝锰中间合金优选包括al-10mn合金，所述铝锆中间合金优选包括al-10zr合金，所述铝钛中间合金优选包括al-10ti合金，所述铝稀土中间合金优选包括al-10re合金；所述铝优选为纯度≥99.99％的市售产品。本发明对所述制备原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明对所述原料的混合方式没有特殊要求，采用根本领域技术人员熟知的即可。
在本发明中，所述熔炼优选包括依次进行的初级熔炼和精炼，所述初级熔炼的温度优选为750～760℃，更优选为752～758℃，再优选为755～758℃；所述初级熔炼的时间优选为30～35min，更优选为31～34min，再优选为32～33min。在本发明中，所述初级熔炼优选在井式电炉中进行，更优选为配套石墨坩埚的井式电炉。
初级熔炼后，本发明将所述初级熔炼后得到的熔炼液进行精炼，得到浇铸液。在本发明中，所述精炼的温度优选为760～780℃，更优选为768～772℃；所述精炼的时间优选为10～20min，更优选为12～15min。
在本发明中，所述精炼用精炼剂为aj系精炼剂，优选为zs-aj01c；所述精炼剂的添加量优选占熔炼液质量的0.10～0.20％，更优选为0.13～0.16％。所述精炼时用打渣剂优选六氯乙烷；所述打渣剂的用量优选占熔炼液质量的0.20～0.30％，更优选为0.23～0.26％。
精炼后，本发明将所述精炼后得到的浇铸液进行浇铸，得到铸锭。在本发明中，所述浇铸的温度优选为720～740℃，更优选为725～735℃。所述浇铸前，本发明优选对浇铸用模具进行预热，所述预热的温度优选为180～230℃，更优选为190～210℃。本发明对所述浇铸的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭依次进行均匀化处理和热挤压，得到挤压材。在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为520～550℃，更优选为523～548℃，再优选为525～545℃；所述均匀化处理的保温时间优选为14～17h，更优选为15～17h，再优选为15～16h。本发明对均匀化处理的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。本发明对铸锭进行均匀化处理，能够消除或减小结晶条件下晶内成分不均匀的问题，提高材料的加工性能。
均匀化处理后，本发明对所述均匀化处理后的材料进行热挤压，得到挤压材。在本发明中，所述挤压材的直径优选为6～8mm，更优选为6.5～8mm，再优选为6.5～7.5mm。
在本发明中，所述热挤压的温度优选为380～430℃，更优选为385～425℃，再优选为390～420℃；所述热挤压的时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，再优选为1.3～1.6h；热挤压过程中，变形系数以挤压前断面积与挤压后断面积之比计，本发明所述挤压材的变形系数优选为10～20，更优选为11～19，最优选为12～18。
得到挤压材后，本发明将所述挤压材进行拉拔，得到铝铜合金用焊丝。
在本发明中，所述拉拔优选为多道次拉拔，所述拉拔的次数优选10～20，更优选为12～18，再优选为14～16；本发明对所述拉拔的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的拉拔方式，以能得到目标尺寸的焊丝即可。在本发明中，所述铝铜合金用焊丝的直径优选为0.8～1.6mm，优选包括0.8mm、1.0mm、1.2mm或1.6mm，更优选为1.2mm。在本发明中，所述拉拔过程中，每两次拉拔后优选进行一次退火；每次退火的温度独立地优选为380～430℃，更优选为385～428℃，再优选为387～425℃；所述退火的保温时间独立地优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，再优选为1.3～1.7h。
拉拔后，本发明优选对所述拉拔后得到的材料进行机械刮削，以去除焊丝表面的毛刺，优化焊丝表面形貌；机械刮削后，本发明对所述机械刮削后的材料进行清洗和抛光，所述清洗优选包括超声清洗；所述抛光优选包括化学抛光。本发明对所述超声清洗和化学抛光的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知方式即可。
本发明还提供了上述技术方案所述铝铜合金用焊丝或上述技术方案所述制备方法制备得到的铝铜合金用焊丝在熔化极气保护焊或交流钨极氩弧焊中的应用。
在本发明中，所述铝铜合金用焊丝在熔化极气保护焊(mig)中应用时，对焊接参数进行如下控制：
焊接电流优选为260～265a，更优选为261～264a；
焊接电压优选为20～25v，更优选为22～23v；
焊接速度优选为0.40～0.50m/min，更优选为0.43～0.45m/min；
送丝速度优选为6.0～7.0m/min,更优选为6.0～6.50m/min；
气体流量优选为18～22l/min，更优选为20～21l/min；
在本发明中，所述铝铜合金用焊丝在交流钨极氩弧焊(tig)中应用时，对焊接参数进行如下控制：
钨极直径优选为2～3mm，更优选为2mm；
焊接时钨极伸出长度优选2～3mm，更优选为2～2.5mm；
钨极与焊件的距离优选为2.5～3.5mm，更优选为3～3.2mm；
焊接时电流优选为80～83a，更优选为81～92a；
焊接速度优选为0.10～0.15m/min，更优选为0.12～0.13m/min；
送丝速度优选为0.55～0.60m/min，更优选为0.56～0.58m/min；
气体流量优选为18～25l/min，更优选为20～22l/min。
强度系数以焊接接头强度与母材强度的百分比计，采用上述mig技术焊接厚度为10mm的2219铝合金，本发明所述铝铜合金用焊丝形成的焊接接头的强度达到310.0mpa以上，强度系数达到66.0～70.0％；
采用上述tig技术焊接厚度为2mm的2a12铝合金，本发明所述铝铜合金用焊丝形成的焊接接头的强度达到308.0mpa以上，强度系数达到68.0～71.0％。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种铝铜合金用焊丝及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照表1所示的组分用量准备原料，按照质量百分数计，余量为al，未在表中列出。其中，各组分原料为al-50cu中间合金、al-10mn中间合金、al-10zr中间合金、al-10ti中间合金、al-10re中间合金以及纯度为99.99％的铝。
将原料混合后用石墨坩埚在井式电炉中进行熔炼，熔炼温度为750℃，保温35min；添加占原料质量0.15％的zs-aj01c进行精炼，精炼温度为770℃，时间为15min，精炼后添加占精炼液总质量0.15％的六氯乙烷进行除渣脱氢；将除渣脱氢后的精炼液于720℃浇入预热的铁模中形成铸锭，铁模的预热温度为200℃。铸锭经535℃，16h的均匀化处理后，进行扒皮和挤压形成直径
以厚度为10mm的2219铝合金为母材，采用熔化极气体保护焊(mig)进行焊接，焊接时工艺参数为：mig焊时焊接电流260a，焊接电压23v，焊接速度为0.45m/min，送丝速度6.0m/min，气体流量20l/min，保护气体为纯度99.9％的氩气。
以厚度为2mm的2a12铝合金为母材，采用交流钨极氩弧焊(tig)进行焊接，焊接时工艺参数为：钨极直径为2mm，焊接时钨极伸出长度2mm，距焊件2.5mm，焊接时电流为81a，焊接速度为0.12m/min，送丝速度0.58m/min，气体流量20l/min，保护气体为纯度99.99％的氩气。
实施例2～4
制备方法和焊接方法与实施例1相同，不同之处在于各组分用量及工艺参数，具体见表1和2。
对比例1
以市售的er2319为焊丝，按照实施例1的方法进行焊接。
表1实施例1～4、对比例1焊丝及母材的化学成分(质量分数)
表2实施例1～3焊丝制备工艺参数
性能表征及结果
按照gb2651-89标准《焊接接头拉伸试验方法》测试焊接接头的力学性能，测试时，拉伸速率控制在1.2mm/min。测试结果见表3。
表3实施例1～4和对比例焊接接头的力学性能
表3中，接头强度系数为焊接接头强度与母材合金的强度的百分比。由表3数据可知，利用本发明提供的铝铜合金用焊丝进行的焊接，接头的强度达到铝合金母材强度的66.0～70.4％，远高于现有市售产品所能达到的水平。而且，接头的延伸率和断面收缩率也有明显提升，有效减少弧坑裂纹的产生。
由以上实施例可知，本发明提供的铝铜合金用焊丝的熔焊接头具有良好的力学性能，且焊接时工艺稳定、飞溅小，焊前无需预热，适合于铝铜合金的焊接。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。