鋁合金焊接消耗品和冶金結合的方法
【專利摘要】一種鋁焊接或釬焊用復合物，包含硅(Si)和鎂(Mg)以及一種合金的鋁，適用于焊接及釬焊。硅含量可以是約4.7～10.9的重量百分比，鎂含量可以是約0.20～0.50重量百分比。該合金適用于如下操作：有少量基底金屬稀釋或沒有稀釋影響填充金屬的硅及/或鎂含量。硅含量能改善流動性，避免應力集中和裂縫。鎂含量能提高強度。形成的接頭強度至少等于有少量稀釋或無稀釋(即獲取鎂基)的基底金屬的強度。接頭可進行熱處理及人工時效或自然時效。
【專利說明】錯合金焊接消耗品和冶金結合的方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請是2011年2月8日提出的第13/023,158號、題目為"侶合金焊絲"的美國專利 申請的部分接續(xù)申請，該美國專利申請是2010年2月10日提出的第61 /303，149號、題目為 "侶合金焊絲"的美國臨時專利申請的非臨時專利申請，本申請參考并引用了運兩項美國專 利的全部內容。
【背景技術】
[0003] 本發(fā)明大體上設及焊接用填充金屬領域，具體設及適用于焊接侶合金的復合物。
[0004] 有很多已知并且目前正在使用的金屬件連接工藝，包括針焊和焊接。針焊和焊接 都能連接侶制品和侶合金件。與鋼或其它金屬不同，侶合金因金相、烙點、隨特定合金劑的 變化而變化的強度等因素而存在特殊問題。此外，由于一方面追求減小侶合金工件的厚度， 另一方面又希望工件越來越厚，因此很難選擇性能良好、能夠達到所期望的物理機械性能 的針焊和焊接材料。
[0005] 針焊操作使用烙化溫度低于待連接基底金屬溫度的填充金屬。在針焊中，基底金 屬不烙，根據合金元素特性選擇填充金屬的合金元素，W降低填充材料的烙化溫度并且濕 潤在基底金屬中始終存在的氧化侶，W便在不烙解基底金屬的情況下達到冶金結合。在某 些應用中，可W在置于真空或保護環(huán)境下的烙爐中實施針焊，其中，溫度僅在填充金屬烙化 并且通過液體流動和毛細管作用填滿固體基底金屬元件之間的接頭后才上升。針焊接頭一 般用于低強度的侶合金W及很薄的截面結構，例如，汽車散熱器W及換熱器，例如，用于暖 通空調系統(tǒng)的散熱器W及換熱器。針焊溫度可使非熱處理侶合金和熱處理侶合金退火，從 而改變冷加工或熱處理和時效處理所達到的機械性能。因此，雖然針焊的應用比較廣泛，但 不適用于連接高強度結構用合金。
[0006] 焊接操作通過烙化每個待連接工件的一部分基底金屬，同時烙化填充金屬W在接 頭中形成焊接烙池來連接金屬件。焊接需要在接頭處集中加熱，W形成焊接烙池，焊接烙池 一旦凝固就產生填充金屬和基底金屬的混合化學品的化學復合物。一般可W控制足夠高的 焊接溫度，使填充金屬和基底金屬兩者烙化，并保持最小的基底金屬熱影響區(qū)，W保持機械 性能。
[0007] 針焊和焊接的添加料一般為絲狀，即通過焊炬進給的連續(xù)長絲，或手動進給的短 絲，或甚至為條狀，例如，焊條焊(stick welding)用的涂藥焊條，具體形狀取決于應用。但 是，目前可用的侶合金針焊和焊接焊絲不能滿足眾多現代應用的需求。舉例來說，現有產品 在連接操作中缺乏期望的流動性，或者缺乏當在焊接應用中與基底材料結合時期望的強 度，在一系列現代焊接工藝中尤為如此。此外，當焊弧在烙透力、發(fā)熱量和烙池形成等方面 差異較大時，現有侶合金焊絲及復合物無法使最終接頭的復合物和強度達到期望程度的一 致性要求。
[000引目前需要適合焊接(及針焊)應用(滿足該等需求)的改進型侶合金復合物。

【發(fā)明內容】

[0009] 根據一個方面，本發(fā)明提供了形成焊接接頭或針焊接頭的復合物，包含重量百分 比約為4.7~10.9(包含運兩個值)的娃、重量百分比約為0.15~0.50(包含運兩個值)的儀、 其余為侶及痕量成分。運些成分的特定子范圍具有改進的性能和優(yōu)異的強度，特別引人注 目。此外，本發(fā)明提供了用于焊接或針焊的填充金屬產品（例如，焊接消耗品），包括卷筒焊 絲、直線焊絲或焊條(或者針焊組分，如針焊環(huán)或者針焊膏），其包含重量百分比約為4.7~ 10.9(包含運兩個值）的娃、重量百分比約為0.15~0.50(包含運兩個值）的儀、其余為侶及 痕量成分。
[0010] 根據另一個方面，本發(fā)明提供了焊接接頭或針焊接頭的形成方法，包括烙化至少 一部分工件的基底材料，在烙化的基底金屬中加入填充金屬，所述填充金屬包含重量百分 比約為4.7~10.9(包含運兩個值)的娃、重量百分比約為0.15~0.50(包含運兩個值)的儀、 其余為侶及痕量成分，W及容許形成的焊接接頭或針焊接頭凝固。此處再次說明，某些工藝 和子范圍具有優(yōu)異的性能和強度。本發(fā)明還意在涵蓋由所提供的新方法和材料所制成的接 頭和結構。
【附圖說明】
[0011] 結合附圖閱讀W下詳細說明有助于更好地理解本發(fā)明的上述和其他的特性、方面 及其優(yōu)勢，附圖中用相同的符號表示相同的部件，其中：
[0012] 圖1為一種示范性焊接系統(tǒng)(適合使用本文公開的新型復合物)的圖解視圖；
[0013] 圖2為另一種示范性焊接系統(tǒng)(適合使用新型復合物)的圖解視圖。
【具體實施方式】
[0014] 本公開首先描述了本發(fā)明所提供的新型復合物，其次論述了優(yōu)先配合新型復合物 使用的典型焊接操作，隨后探討了能從復合物的使用中獲益的某些示范性應用。請在整個 論述過程中謹記，運種新型復合物的用途不單單局限于焊接或甚至作為填充金屬，還適合 其他應用和操作，例如針焊。同樣需要理解的是提及"焊絲"時，也同時提及其他適當形式的 添加金屬，包括但不限于，適用于送絲器應用的連續(xù)焊絲(例如，用于金屬惰性氣體(MIG)電 弧焊的連續(xù)焊絲）、焊條(例如，用于鶴極惰性氣體(TIG)保護焊及焊條焊的焊條）W及適用 于焊接、烙合、針焊、板材針焊包覆(braze cladding of sheet)等類似操作的其他形式。
[0015] 在第一方面，提供了用于由侶(Al)和侶合金制成的焊接工件的新型復合物。在廣 義上，復合物包括重量百分比為4.7~10.9的娃(Si)、重量百分比為0.15~0.50的儀(Mg) W 及其余為侶和在侶填充金屬中常見的痕量元素。目前預期的實施方式包括重量百分比為 4.7~8.0的娃，在一個實施方式中，娃的重量百分比為5.0~6.0。另外，在某些實施方式，儀 的重量百分比為0.31~0.50，W提高多種焊縫的強度。
[0016] 就像全球主要的侶生產商提供的那樣，侶可能包含痕量元素雜質，包括但不限于， 鐵(Fe)、銅(Cu)、儘(Mn)、鋒(Zn)、鐵(Ti)和被(Be)。在一個實施方式中，侶合金焊絲可進一 步包含總量多達W下數值的下列元素的任意一種或全部：重量百分比為0.80的鐵、重量百 分比為0.30的銅、重量百分比為0.15的儘、重量百分比為0.20的鋒、重量百分比為0.20的鐵 W及重量百分比為0.0003的被(其他的所有痕量元素的總重量百分比不超過0.15,每種痕 量元素的重量百分比不超過0.05)。在某些實施例中，運些額外的痕量元素可包括錯、筑和/ 或銘。例如，在某些實施例中，侶合金焊絲可包括:多達且包括重量百分比為0.90的鐵(Fe), 多達且包括重量百分比為0.80的鐵(Fe),多達且包括重量百分比為0.70的鐵(Fe),多達且 包括重量百分比為0.45的鐵(Fe),多達且包括重量百分比為0.40的鐵(Fe)等等。另外，在某 些實施例中，侶合金焊絲可包括:多達且包括重量百分比為0.35的銅(化），多達且包括重量 百分比為0.30的銅(Cu),多達且包括重量百分比為0.25的銅(Cu),多達且包括重量百分比 為0.20的銅(Cu),多達且包括重量百分比為0.15的銅(Cu),多達且包括重量百分比為0.10 的銅（Cu)等等。在某些實施例中，侶合金焊絲可包括：多達且包括重量百分比為0.20的儘 (Mn)，多達且包括重量百分比為0.15的儘(Mn)，多達且包括重量百分比為0.10的儘(Mn)，多 達且包括重量百分比為0.05的儘(Mn)等等。在某些實施例中，侶合金焊絲可包括:多達且包 括重量百分比為0.25的鋒(Zn)，多達且包括重量百分比為0.20的鋒(Zn)，多達且包括重量 百分比為0.15的鋒(Zn),多達且包括重量百分比為0.10的鋒(Zn)等等。在某些實施例中，侶 合金焊絲可包括：多達且包括重量百分比為0.25的鐵(Ti )，多達且包括重量百分比為0.20 的鐵(Ti),多達且包括重量百分比為0.15的鐵(Ti)等等。在某些實施例中，侶合金焊絲可包 括:多達且包括重量百分比為0.001的被(Be),多達且包括重量百分比為0.0005的被(Be)， 多達且包括重量百分比為0.0003的被(Be)等等。照此，在某些實施例中，所有的痕量元素 (即，除了娃、儘和侶的元素)可包括:多達且包括侶合金焊絲重量的1.8%，多達且包括侶合 金焊絲重量的1.5 %，多達且包括侶合金焊絲重量的1.0 %，多達且包括侶合金焊絲重量的 0.95%，多達且包括侶合金焊絲重量的0.90%，多達且包括侶合金焊絲重量的0.85%，多達 且包括侶合金焊絲重量的0.80%，多達且包括侶合金焊絲重量的0.75%等等。
[0017] 在復合物形成焊絲的實施方式中，可W提供焊接作業(yè)用直線形焊絲（即填充金 屬）。直線焊絲(連續(xù)或定長剪切狀)的直徑一般不小于0.010英寸，通常小于0.30英寸。在優(yōu) 選實施方式中，直線焊絲具有一種或多種直徑，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] 為了預期的目的，可W對含其余為侶和痕量雜質的填充材料的個別成分的量進行 選擇，生產特定的填充合金。例如，如上所述，合金復合物包含重量百分比約為4.7~10.9的 娃，具體為接近該范圍中間的量，例如，約8.OW下的重量百分比。在特定的實施方式中，娃 含量的重量百分比，舉例來說，可約為5.0~6.0(例如，重量百分比約為5.2~5.8的娃），或 者約介于5.4~6.0(例如，重量百分比約為5.5~5.8)。在某些實施例中，娃含量的重量百分 tk，舉例來說，約介于4.6~6.0,約介于4.7~6.0,約介于4.6~5.9,約介于4.7~5.9,約介 于4.8~5.8等等。
[0019] 在娃的任一范圍內，儀的重量百分比約在0.15~0.50(包含運兩個數值)之間變 化。換言之，在上述娃的任一范圍內，儀的含量可選擇如下重量百分比：約為0.17~0.40、約 為0.20~0.30、約為0.22~0.30、約為0.25~0.30、約為0.15~0.25、約為0.15~0.23、約為 0.15~0.20、約為0.18~0.28和/或約為0.20~0.25。在某些實施例中，儀含量的重量百分 tk，舉例來說，約介于0.20~0.50之間，約介于0.21~0.50之間，約介于0.20~0.49之間，約 介于0.21~50.49之間，約介于0.25~0.45之間等等。在當前預期的實施方式中，儀的數量 接近范圍的上限，其重量百分比約為0.31~0.50，W獨立于基底金屬的稀釋提高焊接強度， 詳情參見下文。擬在侶協(xié)會中登記當前考慮的一個實施方式，并且向美國焊接協(xié)會提交該 實施方式，使其認證為認可的侶焊接合金X4043P (娃含量約為5.0~6.0重量百分比，儀含量 約為0.31~0.50重量百分比）。
[0020] 應了解，在本文描述了侶合金焊絲的娃、儘和痕量元素的組分范圍情況下，剩余物 侶可包括侶合金焊絲重量百分比的約介于88.0~95.0之間，約介于90.0~95.0之間，約介 于92.5~95.0之間，或者約介于92.5~94.0之間。換言之，對于每個元素的分析，在某些實 施例中，本文所描述的侶合金焊絲基本上由娃、儘、侶和上文所述的痕量元素組成。還應當 了解，娃、儘、侶和痕量元素的任一值或范圍都可與某些實施例中其他元素的結合。事實上， 上文描述的對于娃、儘、侶和痕量元素的某些重疊的范圍可W被結合W形成更小或者更大 的范圍。
[0021] 本發(fā)明所述的復合物特別適用于焊接應用，雖然它們也可用于針焊等操作(例如， 電鍛）。圖1和圖2所示的示范性焊接系統(tǒng)可被有效利用來制造利用本文公開的復合物的侶 工件和侶合金工件的接頭。如上所述，可W使用各種焊接系統(tǒng)和工藝，包括金屬惰性氣體保 護焊(MIG)工藝、鶴極惰性氣體保護焊(TIG)工藝、焊條焊(stick welding)工藝等（W及針 焊工藝）。圖1為示范性的金屬惰性氣體保護焊(MIG)系統(tǒng)10,包括電源供應器12和來自氣源 16的保護氣體，電源供應器12用于從輸入電源14處獲取電力。在很多實施中，電源包括電 網，而其他電源也是常見的，例如，內燃發(fā)電機組、電池及其他發(fā)電儲能裝置。一般用加壓瓶 提供保護氣體。
[0022] 電源供應器12包括電源轉換電路18,電源轉換電路18將外來或存儲電能轉換成適 用焊接的形式。正如本領域的技術人員能夠領會的那樣，電源轉換電路可能包括整流電路、 轉換器、逆變器、斷路器、增壓電路等。此外，電路可根據焊接工藝的選擇產生交流電或直流 電輸出。電源轉換電路與控制電路20禪合，用來控制轉換電路的運行。一般而言，控制電路 包括一個或多個處理器22和內存24,內存24存儲由處理器執(zhí)行的用來調節(jié)轉換電路運行的 焊接參數、設定點、焊接工藝程序等。舉例來說，處理器可使轉換電路執(zhí)行恒電流工藝、恒電 壓工藝、脈沖焊接工藝、短路過渡工藝（sho;rt circuit transfer processes)或者適用于 具有該公開的復合物的焊接侶部件的其他合適的工藝。操作員界面28允許焊接操作人員選 擇焊接工藝，并設定如電流、電壓、送絲速度等焊接參數。
[0023] 電源供應器12經由線纜30與送絲器32連接。線纜可能包括輸送焊接電力的電力線 纜，傳遞控制信號和反饋信號的數據線纜、W及提供保護氣體的氣體軟管或線纜。送絲器32 包括根據所公開復合物所述的焊絲卷筒34。送絲驅動36從卷筒中拉出焊絲，將焊絲送往與 焊炬40連接的焊接電纜38。盡管送絲器可能包含自有處理器和內存(未顯示），自有處理器 和內存用于控制或協(xié)同控制送絲速度、自電源至推進的焊絲的電力應用，但送絲驅動一般 根據電源的設置來工作。另外還需要注意的是送絲器可能包含自有界面(未體現），其允許 焊接操作人員改變焊接工藝、焊接設置、送絲速度等。
[0024] 焊接電纜38向焊炬40輸送電力和氣體，并且可W向送絲器(再向電源)輸送數據信 號(例如，檢測電流和/或電壓）。在侶焊接應用中，焊炬40可設置內部電機，在送絲器32協(xié)同 推動焊絲時拉動焊絲。工件電纜42與待焊接工件44相連，并且容許通過焊炬、焊絲和工件建 立閉路，在焊絲和工件之間形成焊弧。焊弧在焊接期間（在選擇特定的焊接工藝和控制體系 時)保持不變，并且烙化焊絲，一般至少烙化一部分工件或待連接的工件。
[0025] 如圖1附圖標記46所示，焊接系統(tǒng)可作調整，W接納焊條焊焊炬。運種焊炬使用的 是電焊條48(可根據公開的復合物制造)而不是連續(xù)卷筒進給的焊絲。正如本領域的技術人 員能夠領會的那樣，焊條焊焊炬可直接連接焊接電源供應器12,焊接電源供應器12可執(zhí)行 其他焊接進程(例如，金屬惰性氣體保護焊(MIG)、鶴極惰性氣體保護焊(TIG))，或者在本項 應用中，電源供應器可W就可用工藝方面而言具有更多有限功能。
[0026] 圖2為能配合公開的新型復合物使用的示范性鶴極惰性氣體保護焊(TIG)系統(tǒng)。鶴 極惰性氣體保護焊(TIG)系統(tǒng)50也包含電源供應器52,電源供應器52與上述系統(tǒng)類似，其用 于接收來自電源54的電力，來自氣源56的保護氣體。正如本領域的技術人員能夠領會的那 樣，所用的保護氣體因所選定的工藝而異。電源供應器52同樣包含電源轉換電路58及相關 控制電路60?？刂齐娐?0包括一個或多個處理器62和內存64，內存64用于存儲焊接設置、焊 接工藝等。同樣，操作員界面68可允許焊接操作人員設置用于鶴極惰性氣體保護焊(TIG)工 藝的此類焊接參數。
[0027] 不過，在鶴極惰性氣體保護焊(TIG)工藝中，焊絲不會被送往工件，僅經由適合的 線纜70輸送電力和氣體。焊炬72接收電力和氣體，并且允許經由內部鶴電極產生焊弧。工件 電纜74與工件76連接，來閉合電路。隨著工件產生焊弧W后，焊絲78被送往焊接位置，并在 該位置被烙化，一般至少烙化工件的一部分基底金屬。腳踏開關78(或另一種操作人員輸入 裝置)可允許操作人員在焊弧持續(xù)時W及焊接進行時對工藝過程進行精細控制。
[0028] 還需要注意的是，配合本發(fā)明所述的復合物使用的工藝可W部分自動化或全自 動。也就是說，在某些設置下，可使接頭被編程為用自動焊接系統(tǒng)、自動機械等來執(zhí)行。在大 多數運種設置下，焊絲如上文所述的從卷筒連續(xù)進給。另外，復合物可與多種其他工藝和應 用配合使用，例如，與激光焊接、點焊、激光針焊等配合使用。雖然工藝可通過設計適用于侶 和侶合金的連接，復合物絕不僅限于該等應用，還可W用于連接鋼等非侶基底材料。
[0029] 上述方法允許形成包含烙融侶填充材料合金W及部分烙融工件的烙池。在某些實 施方式中，烙池包含的侶填充金屬合金的重量百分比超過20%、30%、40%、50%、60%、 70%、80 %、90 %、92 %、94 %、96 %、98 %、或99 %，剩余部分為烙融的基底金屬工件。
[0030] 本發(fā)明所述的復合物使用規(guī)范也可有效用于生成侶結構的熱處理和時效處理。某 些運類操作可在溫度高于室溫W及低于基底金屬工件、侶填充金屬合金及烙池的烙化溫度 進行。例如，在某些實施例中，溫度大約可在1050° F~1185° F范圍內，大約可在1065° F~ 1170°F范圍內，大約可在1080°F~1155°F范圍內，大約可在1095°F~1140°F范圍內等等。熱 處理步驟的時間最好在30分鐘和30小時之間（如1小時~10小時，例如，2小時~8小時）。另 夕h工藝過程可能包括允許焊接的侶結構在高于環(huán)境溫度的溫度下在介于30分鐘和30天 (例如，1小時~1周，例如，2小時~12小時）的一段時間內作時效處理。另外，在環(huán)境溫度下 進行1周~2年(例如，2周~1年，例如，1月~6月）的時效處理對復合物有利。
[0031] 可W相信，通過使用本發(fā)明所述的復合物和焊絲，質量優(yōu)良的焊接侶結構能生產 與利用其他侶填充金屬焊接的侶結構相比的優(yōu)異的焊接性能，包括高的剪切強度和抗拉伸 強度。舉例來說，可W相信，復合物可通過焊態(tài)下的固烙強化W及儀和娃的金屬化合物在焊 接自身和焊接結構焊后熱處理和/或時效處理中的形成和沉降而擁有更大強度的焊接。也 可W相信，本發(fā)明的復合物允許對與較大焊縫的剪切強度等同的較小的角焊縫實施較少的 熱量輸入，從而減小在焊接狀態(tài)下焊接結構的熱影響區(qū)(HAZ)。
[0032] 本發(fā)明所述的復合物，例如單合金板、針焊復合板、板材、管材、條材、棒材、擠壓制 品、鑄件、鍛件、粉末金屬零件W及各種配置的金屬陶瓷(例如，圓形、方形、矩形)或者其中 幾種配置的組合，可有利于各種工件和工件配置?？蒞根據要求設置任何厚度，W打造預期 的焊接結構。運些復合物都能很好地配合基底金屬工件的所有厚度W及具有烙融的基底材 料的烙池的所有稀釋量來工作。
[0033] 具體而言，在^義義、2義義義、3義義義、5義義義直到3%儀、6義義義及7義義義系列侶合金中配合侶 合金基底材料使用時能改善性能。更具體地說，本發(fā)明所述的復合物有利于用6XXX系列侶 合金制作的基底材料工件。由于可進行熱處理，因此6XXX系列合金在很多侶結構中的應用 尤為廣泛。舉例來說，上述結構包括擠壓制品、薄板及板材，應用于汽車、卡車拖車、船舶、軍 用車輛等無數結構的制造。
[0034] 多年來，人們一直用侶-娃二元合金4043焊接6XXX系列侶合金。4043合金不能進行 熱處理。其焊態(tài)強度為采用4043合金焊接的最廣泛使用的6XXX系列合金強度的50%。加入 儀能使4043成為與6XXX系列合金類似的、可進行熱處理的S元合金，加入足夠的儀可使 4043達到更高的焊態(tài)下強度，并且在焊后熱處理和時效處理中達到與6XXX基底金屬類似的 機械性能。在焊接操作中，烙池被一定數量的烙融基底材料稀釋，運種現象簡單稱為稀釋。 如果用4043焊接6XXX系列基底金屬時，舉例來說，發(fā)生稀釋，則填充金屬與基底金屬烙合， 并且烙池需要一定數量的儀。焊接的強度隨著稀釋量的增加而提高。目前已經有例如6061 的基底金屬的焊接規(guī)范，例如，AWS Dl. 2。規(guī)范在假設基底金屬的最小稀釋量為20%的情況 下，規(guī)定最終焊接組件必須達到的剪切強度和抗拉強度。必須在生產中遵守運些設計規(guī)范 規(guī)定的焊接工藝。
[0035] 但是，在本發(fā)明之前，行業(yè)無法始終如一地滿足6XXX系列合金的規(guī)范要求。當基底 金屬和填充金屬的化學范圍與焊接工藝中的所有變化因素相互結合時，烙池的焊后儀含量 缺乏一致性，無法通過控制始終達到規(guī)范要求的含量。在兩種常用焊接設計中，即角接接頭 和對接接頭，80 %的焊接普遍采用角接接頭。由于物理形狀的關系，焊接角接接頭時，稀釋 量很小。同樣，在截面厚度大于3/8英寸或小于3/32英寸的結構中焊接對接接頭時，稀釋量 很小，甚至根本不稀釋。因此，運些焊接接頭沒有從基底金屬中獲取足夠的儀，W達到理想 的焊態(tài)下強度或焊后熱處理及時效處理強度。運已帶來了非常嚴重的行業(yè)問題。侶是減輕 重量、降低能耗的理想金屬，但是現有填充金屬阻礙了侶的應用。
[0036] 本發(fā)明解決了上述問題。本發(fā)明提供了一種侶-娃-儀=元合金，其化學范圍產生 的剪切強度和抗拉強度能滿足AWS Dl.2關于6XXX系列合金規(guī)范的要求，稀釋量很小或根本 不稀釋(例如，大約小于20%的基底金屬稀釋量，大約小于10%的基底金屬稀釋量，大約小 于5 %的基底金屬稀釋量，大約小于0%的基底金屬稀釋量等等）。該基底金屬稀釋量被定義 為被烙融的基底金屬重量除W焊接金屬的總重量(例如，所有的焊接金屬）。例如，對于大約 20%的基底金屬稀釋量，來自烙化電焊條的焊接金屬的部分大約是80%。運種填充金屬復 合物的設計考慮了娃和儀在6XXX系列合金中的化學范圍W及在焊接制造過程中遇到的變 化因素，并且假設最終焊接點含有足夠的娃和儀，W滿足強度要求。如上所述，新型金屬復 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，具體為4.7~ 8.0%，更具體為5.0~6.0%。儀的成分可能為如下重量百分比：0.15~0.50% W及0.15~ 0.30%，但為提高強度起見，可W是0.31~0.50。
[0037] 用運些復合物焊接的接頭不僅能在連接操作中利用復合物的性能，還能獲得更好 的焊態(tài)(或較通常為連接)結構性能。例如，娃成分能降低烙點和表面張力，增加流動性。相 對較高的儀含量使之無須從基底材料中獲取儀才能達到較高的強度(例如，與基底金屬的 強度一致或者超過基底金屬的強度）。運一點特別有利于連接較薄的截面(少量基底材料烙 化的截面或者其中有少量材料可促成焊態(tài)接頭)及較厚的截面(可能需要多條焊道，產生多 條后續(xù)焊道，其從基底材料或初始焊道中獲取儀的能力逐漸減弱）。在連續(xù)焊道中，各個焊 道中的絕大部分(例如，99%或更多)儀由填充金屬提供。
[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填充金屬焊接。 6061合金是儀-娃型合金，含1 %的儀、0.6%的娃，W及少量銅和銘。6061合金通過熱處理達 到最好的機械性能，在熱處理中，合金元素作為金屬互化物烙透，強化侶金屬基體，在運種 情況下，通過仔細控制熱操作控制娃化儀及其在整個基體中的大小和分布。運種熱處理微 觀結構很快就被焊接破壞，焊接點熱影響區(qū)的機械性能損失為30%~50%。6061在-T6熱處 理條件下的非焊接抗拉強度一般是45KSI，而規(guī)范規(guī)定的最小焊態(tài)下抗拉強度是24KSI。 6061的完全退火抗拉強度一般是19KSI。根據采用的焊接條件，完全退火的熱影響區(qū)可W存 在部分6061基底金屬。4043的完全退火抗拉強度一般也是19KSI，可能低至15KSI。此外， 4043是不能進行熱處理的合金。
[0039] 發(fā)布的設計數據說明了用4043焊接的6061在焊態(tài)及焊后熱處理和時效處理下的 機械性能。數據根據不同配置下的實際焊接開發(fā)而來。數據的前提條件是一定比例的基底 金屬在焊接過程中烙化，烙入烙池，產生新的化學品，即4043和6061的混合物。在運種情況 下，一些儀進入4043化學品，如果有足夠的基底金屬烙化，則烙池成為合金，經焊態(tài)條件下 的儀固溶強化，響應焊后熱處理操作。
[0040] 表1為利用4043焊接的6061基底金屬在焊態(tài)條件及焊后熱處理和時效處理條件下 的數據實例：
[0041] 親 1
[0042；
[0043]
[0044] 注意I:在烙池的烙融基底金屬無稀釋的情況下，合金組合的焊態(tài)及焊后熱處理抗 拉強度達不到AWS Dl.2的設計要求。
[0045] 注意2:在烙池的烙融基底金屬無稀釋的情況下，滿足AWS Dl. 2的4643及X4043P的 抗拉強度要求。
[0046] 如上所述，絕大部分焊接采用兩種常用焊接接頭類型，即角接接頭和對接接頭。角 接接頭的焊接接頭角一般是90度，必須用填充金屬填滿。對于很薄的基底金屬截面，必須在 焊接操作中將基底金屬烙融量控制在絕對最小值，W實現很小的烙融基底金屬引起的烙池 稀釋量。對于本處所舉的、采用4043填充金屬的實例，產生的焊接點沒有足夠的儀，達不到 焊態(tài)強度要求，并且不會響應焊后熱處理和時效處理。當角焊縫配合被連接的厚截面尺寸 使用時，也會出現上述情形。在運種情況下，烙融基底金屬使焊接接頭底部有足夠的烙池稀 釋，焊接接頭被多條焊道填滿，后續(xù)焊道中的填充金屬不再接近基底材料，不出現基底金屬 稀釋現象。因此，本處再次說明，焊縫的含儀量不足，達不到焊態(tài)條件下的強度要求，且不響 應焊后熱處理和時效處理。用4043焊接的角焊縫所發(fā)布數據和AWS Dl.2焊接規(guī)范認識到了 運種情況，機械強度數據正確地顯示了在不稀釋的情況下待用4043焊接的接頭強度。另一 方面，對接接頭的基底金屬烙化比例要高得多。對于用4043焊接的6061對接接頭，所發(fā)布的 數據和AWS Dl.2假設烙池充分稀釋，達到焊態(tài)條件和焊后加熱處理和時效處理條件下的強 度要求。但是，對接接頭中的烙池稀釋量很難控制，并且不太可能在生產焊接操作中可靠地 重現。
[0047] 表2為角焊縫的一般最大設計強度，該角焊縫含100%僅用于當前可用合金焊絲的 填充金屬：
[004引表2
[0049]
[0050] 截面大于3/8英寸的對接接頭無法在接頭中屯、形成足夠的基底金屬烙化量，無法 達到烙池的最小稀釋量要求。因此，因為4043必須通過將基底金屬烙融入烙池中稀釋來獲 得儀，所W如果不能在生產中確實地獲得，則很難控制焊態(tài)條件及焊后熱處理和時效處理 條件下的機械性能要求。
[0051] 如上所述，本發(fā)明所述的復合物能與各種焊接工藝一起使用。某些焊接工藝的開 發(fā)推動了薄截面尺寸結構的生產。脈沖焊接等工藝能阻止基底金屬的大量烙化，允許不斷 縮小焊接截面的尺寸。特別是在薄型截面結構方面，當前可用的娃焊接合金為達到理想的 設計強度提供了可能性，運限制了能夠減輕重量、維持強度的零件的設計選擇。解決上述問 題的改進包括，例如，登記為4643的合金，4643合金被認為是為厚截面6061基底材料的對接 焊接提供了一種解決方案。當然也可W用4643合金焊接同樣存在烙池稀釋不足的薄截面。 4643合金是在焊接作業(yè)的烙池中產生的從20%6061和80%4043的混合合金獲取的合金的 一種復制品。與4043相比，4643的娃含量越低，流動性就越小，烙化溫度就越高，凝固和固態(tài) 收縮就越大。此外，4643取決于焊接過程中含6XXX系列合金的低娃稀釋量。生成的合金達不 到最佳焊接特性，當烙池的娃含量在焊接過程中降到2%或W下時，焊接裂縫敏感性問題惡 化。因此，4643并未被視為是4043的可行替代品，僅在少數情況下使用4643解決具體問題。 4643合金的產量非常少，成本是4043的屯倍，沒有經濟可行性。
[0052] 本發(fā)明所述的復合物解決了6061/4043合金組合的缺點。此復合物含有所需含量 的儀，無須依賴烙池稀釋達到理想的焊態(tài)及焊后熱處理機械性能要求。另外，復合物能在焊 接過程中保持足夠的固溶和澤火速率，W便其可W隨著時間的推移自然時效，并且第一年 期間在室溫下強度增加。復合物還為制造商提供了購買-T4回火6XXX系列合金的選擇自 由，-T4回火進行固溶熱處理和澤火，但不作時效處理。于是，用本發(fā)明所述的復合物焊接W 后，對成品焊件進行簡單的時效處理即可達到接近-T6回火的強度水平。
[0053] 此外，與4043相比，本發(fā)明所述的復合物能使每一種焊接接頭(無論類型或稀釋因 子)具有焊態(tài)縱向剪切強度至少自動增加17%左右，橫向剪切強度至少自動增加33%，抗拉 強度至少增加42%，并且焊后熱處理剪切強度能提高130%左右。例如，在某些實施例中，焊 接的焊態(tài)縱向剪切強度可在16-20KSI范圍內，可在17-19KSI范圍內，或者大約是18KSI;焊 接的焊態(tài)拉伸強度可在30-40KSI范圍內，可在32-38KSI范圍內，或者大約是35KSI;焊接的 焊后橫向剪切強度可在25-35KSI范圍內，可在28-33KSI范圍內，或者大約是31KSI;焊接的 焊后拉伸強度可在35-50KSI范圍內，可在40-45KSI范圍內，或者大約是42KSI。相比較焊后 強度(例如，熱處理剪切強度在32-43KSI范圍內，在34-4化SI范圍內等等，熱處理拉伸強度 在46-58KSI范圍內，在49-55KSI范圍內等等），熱處理焊縫可W使運些強度中的一個或者多 個增力日15-30%。應當指出某些強度被稱為"焊后"強度，但是，在使用針焊工藝將填充金屬 (例如，具有本文所述的特性)結合到工件的情況下，運些強度可W被稱為"針焊后"，或者， 更普遍地，"后粘合(post-bonding)"強度。
[0054] 另一個重要考慮因素是制造適合的焊接接頭所需的填充金屬量。用填角的橫截面 焊喉尺寸及相關填充合金的所發(fā)布剪切強度計算角焊縫的剪切強度。各種純填充金屬合金 的一些典型剪切強度請參見上述表1。因為填角尺寸隨著焊接工藝或焊道數的增加而增加， 因此焊喉尺寸的增加與所用填充金屬量之間沒有線性關系。如果焊喉尺寸增加一倍，則W4 倍的因子增加填充填角所需的填充金屬量。因為填充填角所需的焊道數量隨著焊喉尺寸的 增加而迅速增加，并且需要蓋住下面的焊道時電焊工必須處理滿焊道，因此填充填角所需 的填充金屬量更大。在某些情況下，如果基底材料未焊透，不存在烙融基底金屬引起的烙池 稀釋，則設計師不得不增加角焊縫的焊喉尺寸，W達到足夠的焊接強度。結果會消耗更多昂 貴的填充金屬，運提高焊接結構的成本。利用本發(fā)明所述的復合物能提高強度，無須為了達 到強度要求而使烙池具有足夠的儀，因而無須全部焊透，可通過減小角焊縫尺寸極大地降 低成本。另外，使用本發(fā)明所述的復合物W后，焊接接頭將在焊態(tài)條件下自然時效，時效速 度將隨著工作溫度的升高而迅速加快。焊接接頭的機械性能至少在焊后一年內隨著時間的 推移而持續(xù)增強。
[0055] 關于娃和儀在本發(fā)明所述復合物中的絕對量和相對量，發(fā)明人意識到，可W用亞 共晶復合物制作絲狀娃基侶焊接填充金屬合金。隨著娃含量的增加，凝固區(qū)間縮小，液相線 和固相線減少。運使得合金的焊接裂縫敏感性下降。娃的含量（重量百分比）降到0.5~ 2.0%時，侶-娃合金具有凝固裂縫敏感性。娃含量低于4.7%重量百分比所生成的娃-侶合 金可能在達到裂縫敏感區(qū)間之前就限制基底金屬的稀釋總量。運一特性在如下鶴極惰性氣 體保護焊（TIG)中尤為重要：根據焊接工藝，烙融基底金屬形成的烙池稀釋量相對較大。 6XXX系列等合金在熱處理過程中通過娃化儀獲得機械性能，在焊接化學品的結合含量降至 0.6~0.8%重量百分比的娃和0.5~1.0%重量百分比的儀時，或者換言之，娃化儀總量下 降2% (重量百分比）左右時，具有裂縫敏感性。從6005系列到6061系列(包括6061)是對裂縫 最敏感的6XXX系列合金。運就是儀在侶-儀填充金屬合金中的最高實際上限為0.5% (重量 百分比）的原因。如果4043填充合金通過烙融6XXX基底金屬產生的烙池稀釋而獲得了 0.20% (重量百分比）的最小儀含量，則合金獲得的機械性能類似于6XXX基底金屬通過焊后 熱處理和時效處理至-T6回火的機械性能。所述的X40430P復合物應當具有娃含量為5.0~ 6.0%重量百分比，儀含量為0.31~0.50%重量百分比。
[0056] 在某些實施方式中，復合物的規(guī)定值域是5.0~6.0%重量百分比。無祀娃含量一 般為5.2%重量百分比。無祀娃在華氏1292度下烙化，在合金中形成液體粘度，其內摩擦力 為1.1厘泊。焊接行業(yè)早就期待ER4043具有運種流動性，50多年來，符合要求的焊接實踐也 記錄了運種流動性。5.0~6.0% (重量百分比)娃含量的另一個優(yōu)勢是與焊接時烙化填充金 屬所需的電流密切相關。本文所述的變化將使全球焊接工藝規(guī)范及眾多制造用焊接設備的 預編焊接參數發(fā)生變化。
[0057] 娃含量還會影響合金的熱膨脹。娃含量降低時，焊珠的熱膨脹系數增加。例如，復 合物的娃含量為5.2% (重量百分比）時，1.0純侶的熱膨脹系數為0.94。復合物的娃含量為 3.5% (重量百分比）時，熱膨脹系數為0.97。侶和已知填充金屬復合物之間的熱膨脹差異會 增加焊接變形量，使裂縫敏感性大于本發(fā)明所述的復合物。娃含量越大，凝固及固態(tài)收縮率 越小。與現有復合物相比，本發(fā)明所述復合物的娃含量較大，形成較大的共晶相體積分數， 能降低烙池的收縮率。本發(fā)明所述復合物的裂縫敏感性水平等同于或優(yōu)于現有合金。因此， 本發(fā)明所述的復合物可作為現有復合物(例如4043)的直接替代品，且無須改變焊接實踐或 工藝，此外，與4643(雖然4643并未被視作4043的直接替代物)相比，本發(fā)明所述復合物能帶 來更大的強度效益。
[0058] 由于本發(fā)明所述的新型復合物含有儀，其不僅能作為4043的直接替代品還能為各 類焊接帶來顯著優(yōu)勢，即更大的剪切強度和抗拉強度。本發(fā)明所述的復合物能避免烙池缺 乏相應的基底金屬稀釋量而導致的焊接金屬機械性能差的問題?？蒞將運種新型合金的儀 含量控制在裂縫敏感水平W下。儀的含量足夠低，在焊接6XXX系列合金時，能從烙融基底金 屬形成的烙池稀釋中獲得一些額外的儀。因此，新型復合物的最大儀含量為0.50%重量百 分比。運一含量為附加儀(可能加入烙融基底金屬稀釋形成的烙池)提供了安全系數。焊接 強度較低的Ixxx或3XXX系列合金時，烙池有一些非故意的稀釋量，發(fā)明人的X4043P合金具 有0.31的最小儀含量安全系數，能使儀保持滿足要求的含量，ER4043或邸4643都沒有運種 特性。
[0059] 侶合金基底金屬從加工硬化或者從熱處理、時效處理等等獲得其強度，具體方式 取決于合金。焊接工藝引入熱循環(huán)，運造成了退火效應，該退火效應損害靠近焊縫的臨界區(qū) 域(被稱為熱影響區(qū)化AZ))的強度機制。熱影響區(qū)化AZ)被熱循環(huán)軟化并且失去其強度。熱 影響區(qū)(HAZ)的強度流失在侶中比在鐵中更顯著，并且熱影響區(qū)化AZ)可W比接頭中的焊接 金屬弱。當使用本文所描述的侶合金焊絲制作的焊縫變的更強時，運種情況會變得更顯著。 運會不利地影響使用本文所描述的侶合金焊絲制作的焊縫，在運些情況下，整個接頭的強 度由HAZ決定，而不是焊縫本身決定。為了克服運個潛在的問題，當保持相同的焊接強度時， 焊縫的焊縫尺寸或者橫截面面積可能要被減小。越牢固的焊縫使得越小的焊縫尺寸成為可 能，W在接頭(例如，角接接頭)處獲得等同的剪切強度。較小的焊縫能利用較少的熱量輸入 烙敷焊接金屬，從而，除了減少潛在的焊接生產時間之外，在較小的熱影響區(qū)里提供較少的 軟化。另一個解決方案是采用低熱量輸入焊接工藝，W使用本文所描述的侶合金焊絲進行 焊接。一個潛在的解決方案是使用脈沖焊接工藝、交流焊接工藝、受控短路(CSC)工藝、金屬 烙敷控制(RMD)工藝、活絲工藝、熱絲工藝W及冷金屬過渡(CMT)工藝，每一個工藝都采用先 進的波形和算法在特定的時期減小電流和/或電壓，從而減少熱量輸入和飛瓣。運些焊接工 藝可潛在地使用比傳統(tǒng)CV工藝更少的熱量輸入來制作相同的焊縫。
[0060] 本文描述的侶合金焊絲還增加對焊縫不連續(xù)性的耐受性，焊縫不連續(xù)性諸如多孔 性，它會減弱整個接頭的強度。侶接頭設計通常包括安全余量W用于考慮在制造過程中的 不連續(xù)性，諸如多孔性。例如，當在生產過程中表面氧化清潔沒有被適當執(zhí)行時，每單位橫 截面面積的較強的焊縫補償焊縫內部潛在的不連續(xù)性。
[0061] 通過控制焊接工藝形成較小的焊縫或者通過使用較低熱量輸入的焊接工藝獲得 的較低的熱量輸入的另一好處是，減少焊接組件的變形。侶具有大約是鋼的兩倍的熱膨脹 系數，并且焊接變形在焊接侶中比在焊接鋼中為更顯著的問題。使用上文描述的較低熱量 輸入焊接工藝W及本文描述的侶合金焊絲可帶來較低變形傾向。另一好處是當制作較小的 焊縫帶來較快的焊接循環(huán)時間。
[0062] 雖然本文僅列舉、介紹了本發(fā)明的某些特性，但是本領域的技術人員能想到很多 修改和變化。因此，所附權利要求書意在涵蓋所有落入本發(fā)明實質精神之內的所有修改和 變化。
【主權項】
1. 一種形成冶金結合的方法，包括： 將至少部分工件基底金屬和填充金屬冶金粘結以形成冶金結合，其中所述填充金屬是 重量百分比在約4.7 %至約6.0 %之間的硅、重量百分比在約0.20 %至約0.50 %之間的鎂以 及其余為鋁和痕量元素的合金。2. 如權利要求1所述的方法，其中所述冶金結合包括小于基底金屬的約20%。3. 如權利要求1所述的方法，其中所述冶金結合具有在約25KSI至約35KSI之間的后粘 合橫向剪切強度，以及在約35KSI至約50KSI的后粘合拉伸強度。4. 如權利要求3所述的方法，其中所述冶金結合具有在約28KSI至約33KSI之間的后粘 合橫向剪切強度，以及在約40KSI至約45KSI的后粘合拉伸強度。5. 如權利要求1所述的方法，包括重量百分比在約92.5 %至約95.0 %之間的鋁，并且其 余為痕量元素。6. 如權利要求1所述的方法，其中所述痕量組分包括鐵、銅、錳、鋅、鈦、鈹、鋯、鈧和鉻中 的一種或多種，其中所述痕量元素的總重量百分比不超過填充金屬的約1.0重量％。7. 如權利要求1所述的方法，其中所述合金包括重量百分比在約5.0%至約6.0%之間 的硅，以及重量百分比在約0.21%至0.50%之間的鎂。8. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金結合的工藝包括金屬惰性氣體焊 接工藝。9. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金結合的工藝包括鎢極惰性氣體焊 接工藝。10. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金結合的工藝包括焊條焊工藝。11. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金結合的工藝包括脈沖焊接工藝。12. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金結合的工藝包括交流焊接工藝。13. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工藝包括受控短路工藝。14. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工藝包括金屬熔敷控制工 -H- 〇15. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工藝包括活絲工藝。16. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工藝包括熱絲工藝。17. 如權利要求1所述的方法，其中用于形成所述冶金接合的工藝包括冷金屬過渡工 -H- 〇18. 如權利要求1所述的方法，其中所述冶金接合包括焊接接頭。19. 如權利要求1所述的方法，其中所述冶金接合包括釬焊接頭。20. 如權利要求1所述的方法，包括實施多個連續(xù)焊道，在所述焊道中基底金屬或填充 金屬的先前焊道被熔化，并且額外的填充金屬被熔敷。21. 如權利要求20所述的方法，其中在至少一個連續(xù)焊道中，各個焊道中的絕大部分鎂 由所述填充金屬提供。22. 如權利要求1所述的方法，其中所述冶金結合具有至少與基底金屬相同的強度。23. -種焊接消耗品，包括： 重量百分比在約4.7 %至約6.0 %之間的硅，重量百分比在約0.20 %至約0.50 %之間的 鎂，其余為鋁和痕量元素。24. 如權利要求23所述的焊接消耗品，包括重量百分比在約92.5%至約95.0%之間的 鋁，其余為痕量元素。25. 如權利要求23所述的焊接消耗品，其中所述痕量組分包括鐵、銅、錳、鋅、鈦、鈹、鋯、 鈧和絡中的一種或多種，其中所述痕量元素的總重量百分比不超過約1.0重量％。26. 如權利要求23所述的焊接消耗品，包括重量百分比在約5.0%至約6.0%之間的硅， 以及重量百分比在約0.21%至約0.50%之間的鎂。27. 如權利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括卷筒焊絲、直線焊絲或 焊條。28. 如權利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括釬焊組分。29. 如權利要求28所述的焊接消耗品，其中所述釬焊組分包括釬焊環(huán)或釬焊膏。30. 如權利要求23所述的焊接消耗品，其中所述焊接消耗品包括用于在鋁基底合金外 鍍上鋁或者鋁合金基底金屬組分的。
【文檔編號】C22C21/02GK105916628SQ201480073543
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年11月19日
【發(fā)明人】布魯斯·愛德華·安德森, 克里斯托弗·徐
【申請人】伊利諾斯工具制品有限公司