本发明涉及金属材料加工工程中的焊接技术领域，涉及一种含ga和nd的铝合金焊丝。
背景技术：
铝合金结构在五金行业、家电行业、制冷行业、航空航天等行业一直被大量采用。近几年，在汽车、高铁、轻轨列车“轻量化制造”的需求带动下，高强铝合金的应用越来越广泛，但是，高强铝合金的焊接问题始终未能很好地解决，特别是焊缝气孔问题、焊缝裂纹问题以及焊缝强度低于母材的问题，严重地制约了高强铝合金的应用。解决高强铝合金的焊接难题，主要途径之一是选择高性能电焊机。此外，研发、生产性能优异的高性能铝合金焊丝也是解决上述难题的途径之一。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种焊缝气孔少、焊缝裂纹少、焊缝强度系数高(接近母材强度)，可用于mig焊、tig焊、激光焊以及复合热源焊接方法的自动或半自动焊接的高性能含ga和nd的铝合金焊丝。
实现本发明目的技术方案如下：
本发明的一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.01％～0.5％的ga，0.01％～0.5％的ga2o3，0.01％～0.5％的nd，0.01％～0.5％的nd2o3，4.5％～6.5％的mg，余量为al，且ga∶ga2o3∶nd∶nd2o3＝1∶1∶1∶1。
以市售的铝锭、镁锭、金属ga、三氧化二镓、金属nd、三氧化二钕为原料，采用常规冶炼方式按设计成分配比，冶炼时加入经优化筛选确定的“覆盖剂”、“除气剂”冶炼、水平连铸，可得到棒(线)材。通过退火、剥皮拉拔，即得到丝材。经过清洗、上盘，即得到可用于自动焊接的焊丝。也可经过校直、切断，得到直丝。本发明产品可采用mig焊、tig焊、激光焊以及复合热源焊接方法，用于铝结构件的自动或半自动焊接。
本发明基于典型的al-mg铝焊丝(如5356铝焊丝的mg含量在4.5～5.5％范围)在冶炼时对氢的溶解度较大，而氢含量对al-mg铝焊丝“拉拔加工”敏感，极易造成断丝，从而影响拉拔加工效率；在mig焊、tig焊、激光焊以及复合热源焊接时，al-mg焊丝中过高的氢含量则会容易使焊缝产生气孔，从而降低焊缝力学性能甚至焊缝开裂等难题，通过添加微量ga和ga2o3、pr和pr2o3，解决了al-mg铝焊丝冶炼与焊接时的氢溶解问题，大大降低了5356、5183、5556铝合金线材中氢含量，可将al-mg铝焊丝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属范围内。通过对焊丝成分优化，在优化后的成分范围，本发明的铝焊丝表面光洁度、焊丝清洁度、焊丝直径控制以及焊丝翘距和螺旋问题均达到要求。
具体实施方式
本发明主要解决了以下关键性问题：
1)通过添加微量ga和nd，解决了al-mg铝焊丝冶炼与焊接时的氢溶解问题，大大降低了5356、5183、5556铝合金线材中氢含量，可将al-mg铝焊丝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属范围内。在上述范围内，采用mig焊、tig焊、激光焊以及复合热源焊接时，焊缝无气孔缺陷产生，保证了焊缝质量。
2)经过12组180个合金配方试验研究发现，在常规5356、5183、5556铝合金的合金元素al、mg的范围内，同时加入微量的ga2o3和nd2o3，可以提高并保证焊丝及焊缝具有较高的抗拉强度和较高的塑性，满足了5356、5183、5556等高强铝合金焊丝的技术指标要求。
3)试验发现，本发明的一种含ga和nd的铝合金焊丝，其ga、ga2o3、nd和nd2o3的加入量(质量百分数)必须控制在0.01％～0.5％范围，且必须控制在ga∶ga2o3∶nd∶nd2o3＝1∶1∶1∶1的含量水平。在上述成分范围内，本发明的含ga和nd的铝合金焊丝，具有最低的氢气含量，最佳的焊缝抗气孔性能(即焊缝也具有最低的氢气含量)、最佳的焊缝力学性能和焊丝拉拔加工性能。
与以往研究相比，本发明的创造性在于：
1、研究发现并证明了微量元素ga和nd的“除氢”能力，解决了铝合金焊丝在冶炼、焊接时的氢溶解问题，不仅可将焊丝或焊缝中氢气含量控制在≤0.3ml/100g金属(0.4ml/100g金属，是目前国内外公认的高品质铝合金焊丝氢气含量的临界值，而本发明的焊丝或焊缝中氢气含量比临界值降低了25％，品质得到了显著提高)范围，从而确保了铝合金焊丝在冶炼后的水平连铸线材品质优良，拉拔加工时无断丝现象。采用mig焊、tig焊、激光焊以及复合热源焊接方法焊接时，焊缝无气孔缺陷产生。
2、揭示了稀土净化al-mg合金液的机制：适量稀土可在al-mg合金中产生明显的固氢作用，该独特作用的实质是改变了氢在al-mg中存在形态，使原子态氢增多、生成化合态氢。从而大大减少分子态氢，进而抑制了凝固过程中游离氢的析出及氢气孔的形成。特别是采用1∶1的ga和nd同时添加时，由于ga和nd的“协同效应”，除氢、净化al-mg合金液的效果更加显著。
3、研究发现了在本发明的铝合金焊丝中，其ga、ga2o3、nd和nd2o3的加入量(质量百分数)必须控制在0.01％～0.5％范围，且必须控制在ga∶ga2o3∶nd∶nd2o3＝1∶1∶1∶1的含量水平。在上述成分范围内，本发明的含ga、nd的铝合金焊丝，具有最佳的抗气孔性能、焊缝力学性能和焊丝加工性能。本发明过程中，对12组180个合金配方的试验数据分析发现，当ga∶ga2o3∶nd∶nd2o3的比例偏离1∶1∶1∶1的幅度在5％～200％的情况，不仅5356、5183、5556焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了60％以上，mig、tig等方法焊接时焊缝力学性能也会发生大幅度下降(下降幅度为10％～40％)，焊缝气孔发生率以及气孔数量提高50％～100％。
4、研究发现，ga和nd在铝合金中，均作为界面活性元素，游离在晶界。冶炼、焊接时，它们一方面会发生氧化，分别生成ga2o3和nd2o3，另一方面，会与氢原子发生反应，生成氢化合物，使得分子态氢大大减少，起到“固氢”、“降氢”的作用，从而达到消除氢的危害的目的。所以，本发明在添加ga和nd的同时，等量添加ga2o3和nd2o3，可以显著平衡ga和ga2o3、nd和nd2o3的“有效浓度”，减少ga和nd的氧化，使得ga和nd尽量与原子氢反应，达到“固氢”、“降氢”的目的。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.01％的ga，0.01％的ga2o3，0.01％的nd，0.01％的nd2o3，4.5％的mg，余量为al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406mpa±20mpa。
实施例2
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.5％的ga，0.5％的ga2o3，0.5％的nd，0.5％的nd2o3，6.5％的mg，余量为al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406mpa±20mpa。
实施例3
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.2％的ga，0.2％的ga2o3，0.2％的nd，0.2％的nd2o3，5.2％的mg，余量为al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406mpa±20mpa。
实施例4
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.05％的ga，0.05％的ga2o3，0.05％的nd，0.05％的nd2o3，5.5％的mg，余量为al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406mpa±20mpa。
实施例5
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.25％的ga，0.25％的ga2o3，0.25％的nd，0.25％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能优良。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅰ级焊接接头要求，焊缝抗拉强度为406mpa±20mpa。
对比例1
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.3％的ga，0.25％的ga2o3，0.15％的nd，0.25％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能一般。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为380mpa±20mpa。
对比例2
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.25％的ga，0.05％的ga2o3，0.15％的nd，0.2％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能一般。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为365mpa±20mpa。
对比例3
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.05％的ga，0.1％的ga2o3，0.15％的nd，0.05％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能一般，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了65％。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为355mpa±20mpa。
对比例4
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.15％的ga，0.1％的ga2o3，0.1％的nd，0.05％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能一般，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了75％。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为245mpa±20mpa。
对比例5
一种含ga和nd的铝合金焊丝，其化学成分按质量百分数包括：0.6％的ga，0.6％的ga2o3，0.6％的nd，0.6％的nd2o3，6.0％的mg，余量为al，焊丝加工性能较差，焊丝在拉拔加工过程中的“断丝现象”提高了100％(提高一倍)。采用直径为2mm的焊丝，焊接厚度为1.5mm的5a06铝合金试板，焊接电流为280a、焊接电弧电压为24v、氩气气体流量为22l/min.(升/分钟)，采用tig焊对接焊接，焊缝经过x射线探伤，达到gb/t3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》规定的ⅱ级焊接接头要求(焊缝质量低于ⅰ级焊接接头要求)，焊缝抗拉强度为235mpa±20mpa。