用于电弧增材制造的Al-Zn-Mg系铝合金焊丝及其制备方法与流程

本发明属于电弧增材制造材料技术领域，涉及一种用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝及其制备方法。

背景技术：

电弧增材制造以金属丝材为原材料，以电弧为热源，根据设计好的轨迹逐层扫描，最终成型。相比于其它以粉末为原材料的增材制造方式，电弧增材制造具有效率高、成本低的优势，受到越来越多的关注。焊丝作为电弧增材制造中的填充材料，其质量直接决定了增材件的性能。焊丝表面光洁度差将导致焊丝吸潮，使得沉积体中气孔含量增多；焊丝尺寸偏差大，易产生刮屑，堵塞导电嘴。因此拥有高质量的焊丝是制备高质量增材件的基础。

al-zn-mg系(7系)铝合金具有高的比强度、比刚度、硬度，良好的焊接性能、加工性能，且可以热处理强化，被广泛的应用于航空航天、轨道交通制造之中。zn、mg是7xxx铝合金中的主要合金化元素，两种元素单独提高合金性能能力有限，主要是通过形成al2mg3zn3(t-phase)及mgzn2(η-phase)等强化相来起作用。zn、mg总含量达到7％-10％，合金会具有较高的强度。焊丝的成分决定了增材制造时沉积体的成分，因此焊丝中合适的zn、mg含量及其比例是获得高强度沉积体的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝及其制备方法，该焊丝能够用于电弧增材的制造，且沉积体强度较高。

为达到上述目的，本发明所述的用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝由锌、镁、铝及杂质元素构成，其中，该焊丝中锌的质量百分数为6.25％-6.75％，镁的质量百分数为2.25％-2.75％，杂质元素的质量百分数小于0.2％，其中，单个杂质元素的质量百分数小于0.1％。

本发明所述的用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝的制备方法包括以下步骤：

1)称取铝锭、锌锭及镁锭，再对铝锭、锌锭及镁锭的表面进行处理；

2)将铝锭进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭后进行搅拌熔化，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，再对熔体进行扒渣；

3)对熔体进行降温，再浇铸成铸锭；

4)去除铸锭表面的氧化皮，然后进行均匀化处理；

5)对经步骤4)处理后的铸锭依次进行挤压、拉拔、机械刮削及包装，得到用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

步骤1)中对铝锭、锌锭及镁锭表面进行处理的具体过程为：对铝锭、锌锭及镁锭表面用砂纸进行打磨，再用丙酮清洗，以去除铝锭、锌锭及镁锭表面的油污及杂质；

步骤2)的具体操作为：将铝锭在750℃-760℃下进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，10min后对熔体进行扒渣；

步骤3)的具体操作为：当熔体的温度达到720℃，再将熔体浇铸到180-200℃的铁模中，浇铸成直径为180mm的铸锭；

步骤4)的具体操作为：去除铸锭表面的氧化皮，再放置到热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为470℃，均匀化处理的时间为24h。

步骤5)的具体操作为：

51)将均质化后的铸锭和挤压模具放置到400℃-450℃中保温1-2h，随后放入挤压机中，将铸锭挤压成直径为10mm的线坯，其中，挤压温度为400℃-450℃，挤压速度为1mm/s-2mm/s；

52)将线坯在380℃-420℃下保温2-4h进行去应力退火，随后进行拉拔，拉拔后进行去应力退火，道次压缩率为14％-18％，拉拔成直径为1.3mm的铝合金焊丝；

53)将铝合金焊丝穿过刮削模具，刮削模具为尺寸公差±0.002mm的硬质合金模具，刮削速率为2-4m/s，得直径为1.2mm的焊丝。

54)将焊丝经过超声清洗、烘干后进行层绕，再真空封装保存，得用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

步骤1)中对锌锭及镁锭的表面进行处理后采用铝箔进行包裹。

步骤2)中加入锌锭及镁锭时，将锌锭及镁锭压入到熔体的底部，再进行搅拌使其熔化。

步骤1)及步骤2)操作过程中使用的工具的表面涂刷有氧化锌层。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝及其制备方法在具体操作时，该al-zn-mg系铝合金焊丝由锌、镁、al及杂质元素构成，经检测，该al-zn-mg系铝合金焊丝表面光滑，尺寸偏差小，能实现长时间自动化送丝，以本发明制备的焊丝为原材料进行电弧增材制造所得到的增材件强度高、塑性优良，沉积态强度可达349mpa，延伸率达12.01％，热裂倾向小，增材制造件无裂纹。

附图说明

图1为本发明制备得到的焊丝的表面形貌图；

图2为电弧增材制造沉积体形貌图；

图3为拉伸试样取样位置示意图；

图4为沉积体拉伸曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝由锌、镁、al及杂质元素构成，其中，该焊丝中锌的质量百分数为6.25％-6.75％，镁的质量百分数为2.25％-2.75％，杂质元素的质量百分数小于0.2％，其中，单个杂质元素的质量百分数小于0.1％。

本发明所述用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝的制备方法包括以下步骤：

1)称取铝锭、锌锭及镁锭，再对铝锭、锌锭及镁锭的表面进行处理；

2)将铝锭进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭后进行搅拌熔化，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，再对熔体进行扒渣；

3)对熔体进行降温，再浇铸成铸锭；

4)去除铸锭表面的氧化皮，然后进行均匀化处理；

5)对经步骤4)处理后的铸锭依次进行挤压、拉拔、机械刮削及包装，得到用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

步骤1)中对铝锭、锌锭及镁锭表面进行处理的具体过程为：对铝锭、锌锭及镁锭表面用砂纸进行打磨，再用丙酮清洗，以去除铝锭、锌锭及镁锭表面的油污及杂质；

步骤2)的具体操作为：将铝锭在750℃-760℃下进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，10min后对熔体进行扒渣；

步骤3)的具体操作为：当熔体的温度达到720℃，再将熔体浇铸到180-200℃的铁模中，浇铸成直径为180mm的铸锭；

步骤4)的具体操作为：去除铸锭表面的氧化皮，再放置到热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为470℃，均匀化处理的时间为24h。

步骤5)的具体操作为：

51)将均质化后的铸锭和挤压模具放置到400℃-450℃中保温1-2h，随后放入挤压机中，将铸锭挤压成直径为10mm的线坯，其中，挤压温度为400℃-450℃，挤压速度为1mm/s-2mm/s；

52)将线坯在380℃-420℃下保温2-4h进行去应力退火，随后进行拉拔，拉拔后进行去应力退火，道次压缩率为14％-18％，拉拔成直径为1.3mm的铝合金焊丝；

53)将铝合金焊丝穿过刮削模具，刮削模具为尺寸公差±0.002mm的硬质合金模具，刮削速率为2-4m/s，得直径为1.2mm的焊丝。

54)将焊丝经过超声清洗、烘干后进行层绕，再真空封装保存，得用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

步骤1)中对锌锭及镁锭的表面进行处理后采用铝箔进行包裹。

步骤2)中加入锌锭及镁锭时，将锌锭及镁锭压入到熔体的底部，再进行搅拌使其熔化。

步骤1)及步骤2)操作过程中使用的工具的表面涂刷有氧化锌层。

实施例一

本发明所述用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝的制备方法包括以下步骤：

1)称取铝锭、锌锭及镁锭，再对铝锭、锌锭及镁锭的表面进行处理；

步骤1)中对铝锭、锌锭及镁锭表面进行处理的具体过程为：对铝锭、锌锭及镁锭表面用砂纸进行打磨，再用丙酮清洗，以去除铝锭、锌锭及镁锭表面的油污及杂质；

步骤1)中对锌锭及镁锭的表面进行处理后采用铝箔进行包裹。

2)将铝锭进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭后进行搅拌熔化，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，再对熔体进行扒渣；

步骤2)的具体操作为：将铝锭放置到石墨坩埚中在750℃下进行熔化，再依次加入锌锭及镁锭，然后对熔体进行氯化物精炼和旋转吹氩，10min后对熔体进行扒渣；

步骤2)中加入锌锭及镁锭时，将锌锭及镁锭压入到熔体的底部，再进行搅拌使其熔化。

步骤1)及步骤2)操作过程中使用的工具的表面涂刷有氧化锌层。

3)对熔体进行降温，再浇铸成铸锭；

步骤3)的具体操作为：当熔体的温度达到720℃，再将熔体浇铸到200℃的铁模中，浇铸成直径为180mm的铸锭；

4)去除铸锭表面的氧化皮，然后进行均匀化处理；

步骤4)的具体操作为：去除铸锭表面的氧化皮，再放置到热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理的温度为470℃，均匀化处理的时间为24h。

5)对经步骤4)处理后的铸锭依次进行挤压、拉拔、机械刮削及包装，得用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

步骤5)的具体操作为：

51)将均质化后的铸锭和挤压模具放置到450℃中保温1h，随后放入挤压机中，将铸锭挤压成直径为10mm的线坯，其中，挤压温度为400℃-450℃，挤压速度为1mm/s-2mm/s；

52)将线坯在380℃-420℃下保温2-4h进行去应力退火，随后进行拉拔，拉拔后进行去应力退火，道次压缩率为14％-18％，拉拔成直径为1.3mm的铝合金焊丝；

53)将铝合金焊丝穿过刮削模具，刮削模具为尺寸公差±0.002mm的硬质合金模具，刮削速率为3m/s，得直径为1.2mm的焊丝。

54)将焊丝经过超声清洗、烘干后进行层绕，再真空封装保存，得到用于电弧增材制造的al-zn-mg系铝合金焊丝。

制备的焊丝表面如图1所示，焊丝表面光滑无毛刺，采用千分尺对焊丝直径检测，检测方法为每隔100mm在同一截面相互垂直方向测量焊丝直径，结果如表1所示，焊丝直径偏差符合《gb/t10858-2008铝及铝合金焊丝》中关于焊丝直径的要求，对焊丝成分进行测试，结果如表2所示。

表1

表2

采用本发明制备的铝合金焊丝进行电弧增材制造铝合金薄壁件。基板为3mm厚5083铝合金，对基板打磨并用丙酮清洗，去除表面氧化层及油污，以熔化极气体保护焊电弧为热源，采用体积分数为99.99％的氩气作为保护气，以本发明制备的直径为1.2mm的焊丝作为填充材料，采用kemppisyn400型焊机。电流102a，电压17v，焊枪行走速度250mm/min，保护气流量为15l/min，干伸长为13mm，进行单道多层堆积，堆积一层后等待10分钟进行下一道次的堆积，直至堆积完成，沉积体切除两端成型不良区域后如图2所示，沉积体无裂纹。按照如图3所示位置切取拉伸试样，拉伸曲线如图4所示。沉积体强度可达349mpa，延伸率达12.01％。