鋁合金焊絲生產(chǎn)的研究現(xiàn)狀

郭 旭,趙志浩,2

(1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.東北大學(xué)金屬型線材研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著我國(guó)輕量化的深入發(fā)展,具有高比強(qiáng)度的鋁合金在汽車、軌道交通、航空航天[1-5]等領(lǐng)域的使用量與日俱增,而鎢極氬弧焊(TIG)和熔化極氬弧焊(MIG)作為應(yīng)用最廣泛的鋁合金焊接方法[6-7],其焊接所使用焊絲的需求也越來(lái)越大。其中軌道交通焊接所使用的鋁合金焊絲占總體的46%,每年約3 000～4 000 t[8]。焊絲作為重要填充材料,直接影響著焊接件的使用性能,如果焊絲中氫含量較高,則焊接后易產(chǎn)生氣孔;焊絲中的氧化夾渣焊接后會(huì)帶進(jìn)焊縫,影響焊接質(zhì)量[9]。國(guó)產(chǎn)鋁合金焊絲在成分控制、表面質(zhì)量、焊接工藝穩(wěn)定性等方面仍略低于進(jìn)口焊絲[10-11]。主要構(gòu)件和焊縫所使用的高端鋁合金焊絲均依靠進(jìn)口。要實(shí)現(xiàn)高端鋁合金焊絲的國(guó)產(chǎn)化仍有很多問(wèn)題需要解決。

綜述了國(guó)內(nèi)外鋁合金焊絲生產(chǎn)的主要制備技術(shù)、生產(chǎn)原理、優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問(wèn)題,為國(guó)產(chǎn)焊絲的生產(chǎn)提供參考。

1 鋁合金焊絲線坯制備

鋁合金線坯制備是鋁合金焊絲生產(chǎn)的第一道工序,也是焊絲生產(chǎn)的重要工序,其質(zhì)量直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量。目前,鋁合金焊絲線坯制備方法主要包括立式半連續(xù)鑄造-擠壓法、連鑄連軋法、水平連鑄連拉法[12-15]。以下就這三種方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 立式半連續(xù)鑄造-擠壓法

立式半連續(xù)鑄造-擠壓法制備鋁合金焊絲的工藝流程:配料→熔煉→立式半連續(xù)鑄造(獲得實(shí)心長(zhǎng)錠)→鋸切→均勻化處理→擠壓→Φ9.5 mm線坯[16]。

直接水冷半連續(xù)鑄造(Direct-Chill casting)也稱DC鑄造,該技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)30年代。其原理是將熔煉合格的金屬熔體經(jīng)分流系統(tǒng)導(dǎo)入結(jié)晶器,并在結(jié)晶器內(nèi)凝固、結(jié)殼,凝固到一定狀態(tài)后,拉動(dòng)引錠裝置牽引鑄錠以一定的速度向下運(yùn)動(dòng),凝固結(jié)殼的鑄錠離開結(jié)晶器,隨后被噴出的冷卻水直接冷卻,當(dāng)熔體在結(jié)晶器內(nèi)的凝固速度與鑄錠的下降速度一致時(shí),便達(dá)到了鑄錠連續(xù)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)平衡[17-18],DC鑄造原理如圖1[19]。其工藝參數(shù)包括:鑄錠規(guī)格、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、鑄造溫度、冷卻強(qiáng)度、鑄造速度等,而結(jié)晶器則是鋁合金半連續(xù)鑄造中最關(guān)鍵的部件[20]。與傳統(tǒng)模鑄生產(chǎn)的金屬錠相比,該方法制備的金屬錠更長(zhǎng),生產(chǎn)效率更高,也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,因此被廣泛應(yīng)用于大規(guī)格實(shí)心圓錠、扁錠的生產(chǎn)。

圖1 DC鑄造原理圖[19]

由于立式半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的金屬錠易出現(xiàn)成分偏析和枝晶偏析,因此,在擠壓前需要對(duì)其進(jìn)行均勻化退火以確保成分均一。隨后將金屬錠按照一定的工藝進(jìn)行鋸切、車皮,并加熱到要求溫度進(jìn)行擠壓,獲得線坯。擠壓工藝參數(shù)包括:擠壓力、擠壓比、擠壓溫度、擠壓速度、擠壓潤(rùn)滑條件等。

立式半連續(xù)鑄造-擠壓法的優(yōu)點(diǎn):

1)用鑄造-擠壓法工藝能最大限度發(fā)揮金屬的塑性,甚至能加工一些用軋制方法很難加工的高強(qiáng)鋁合金,基本適合所有系列的變形鋁合金。

2)通過(guò)擠壓,能破碎鋁合金鑄錠中存在的粗大脆性化合物相,顯著改善鋁合金線材的力學(xué)性能。

3)產(chǎn)品質(zhì)量好、性能穩(wěn)定,靈活性高,生產(chǎn)鋁合金焊絲的同時(shí)亦可以生產(chǎn)其他一些鋁合金線材。

該工藝生產(chǎn)焊絲線坯存在的缺點(diǎn):

1)生產(chǎn)效率低,難以連續(xù)生產(chǎn)。由于擠壓設(shè)備(擠壓筒)和擠壓工藝(擠壓比)的限制,擠壓出的單根線材重量不會(huì)超過(guò)被擠壓金屬錠的重量,擠壓后的線桿需要采用合適的焊接方式連接在一起,最后通過(guò)拉拔工藝得到大卷重鋁合金線材。

2)焊絲線材具有較多的焊接接頭,焊接接頭作為拉拔過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié),處理不當(dāng)在后續(xù)拉拔過(guò)程中易發(fā)生斷絲。

3)由于擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)不均勻,擠壓線桿存在組織性能不均的問(wèn)題。

4)設(shè)備投資大、能耗高,模具消耗大,線桿成品率相對(duì)較低。

我國(guó)軍工用鋁合金焊絲線坯的生產(chǎn)主要采用立式半連續(xù)鑄造-擠壓法[21]。隨著鑄造-擠壓法生產(chǎn)焊絲在國(guó)內(nèi)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)學(xué)者如黎天保[22]等人采用該方法制備了ER5356鋁合金焊絲,并檢驗(yàn)了焊接性能,滿足了列車用大型鋁合金型材的焊接。葉於龍[23]等人制備的ER4043鋁合金焊絲達(dá)到力學(xué)性能規(guī)定要求。陜倩[24]對(duì)采用不同工藝方法生產(chǎn)的5356 鋁合金焊絲進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比,發(fā)現(xiàn)國(guó)外連鑄連軋法生產(chǎn)的焊絲表面光潔度、晶粒尺寸和硬度各項(xiàng)指標(biāo)都是最好的。鑄造-擠壓法和國(guó)內(nèi)連鑄連軋法得到的焊絲質(zhì)量次之,水平連鑄連拉法制備的焊絲質(zhì)量最次。

目前采用立式半連續(xù)鑄造-擠壓法生產(chǎn)的鋁合金焊絲存在主要問(wèn)題:①我國(guó)在DC鑄造方面的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新能力不足,關(guān)鍵部件結(jié)晶器多以仿制為主,缺乏研發(fā)能力;②對(duì)于直徑越大的半連續(xù)鑄造圓錠,冷卻速度越慢,越容易出現(xiàn)心部組織粗大、縮松。這些問(wèn)題會(huì)直接導(dǎo)致鋁合金線坯擠壓的金屬錠組織、性能不一,擠壓后在焊絲線坯中出現(xiàn)組織性能不均的問(wèn)題。

1.2 連鑄連軋法

連鑄連軋法制備鋁合金焊絲的工藝流程:配料→熔煉→連續(xù)鑄造(梯形截面坯料)→熱連軋(13道次)→Φ9.5 mm線坯[25]。

連鑄連軋?jiān)O(shè)備由連鑄機(jī)和連軋機(jī)組組成,其生產(chǎn)原理是鋁合金熔體經(jīng)在線除氣、過(guò)濾除渣后,流入由鑄輪與鋼帶圍成的結(jié)晶腔,并在內(nèi)外冷卻水的作用下結(jié)晶,隨著鑄輪和鋼帶的同步旋轉(zhuǎn),凝固的金屬錠在鑄輪和鋼帶分離處出坯。連鑄機(jī)示意圖如圖2[26]。連續(xù)鑄造出的梯形連鑄坯經(jīng)校直、感應(yīng)加熱后進(jìn)入連軋機(jī)組,連軋機(jī)多為Y型三輥式,在多道次軋制后得到直徑Φ9.5 mm線坯。軋制工藝參數(shù)包括:軋制溫度、軋制速度、工藝潤(rùn)滑等,合理的軋制工藝是獲得高質(zhì)量鋁桿的前提[27]。

圖2 連鑄機(jī)示意圖[26]

連鑄連軋法生產(chǎn)焊絲線坯的優(yōu)點(diǎn):

1)流程短,生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度高?？梢赃B續(xù)生產(chǎn)大卷重、無(wú)接頭的線坯,避免了因焊接接頭而導(dǎo)致的性能下降問(wèn)題,為后續(xù)拉拔和機(jī)電一體化生產(chǎn)提供了保證。

2)質(zhì)量較穩(wěn)定,性能好。采用連鑄法生產(chǎn)的線坯,拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是傳統(tǒng)重力鑄造的兩倍[28-29]。

3)鋁合金連鑄后利用余熱進(jìn)行連軋,節(jié)能環(huán)保。

4)連鑄連軋?jiān)O(shè)備投資相對(duì)較少,線材成品率高(90%以上)。

該工藝生產(chǎn)焊絲線坯的不足有:由于連鑄連軋工藝生產(chǎn)線坯時(shí)冷卻強(qiáng)度低,容易造成心部疏松;連鑄連軋法焊絲線坯只適合生產(chǎn)中低強(qiáng)度的鋁合金焊絲線坯,無(wú)法生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度460 MPa以上的高強(qiáng)度鋁合金線材[30]。

國(guó)外鋁合金焊絲線坯的生產(chǎn)多采用連鑄連軋法。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,該法在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用,目前我國(guó)擁有鋁合金輪帶式連鑄連軋生產(chǎn)線200多條,年產(chǎn)能在400萬(wàn)t以上,但也面臨著如下一些問(wèn)題:

1)熔煉、澆鑄過(guò)程中除氣、除渣等配套設(shè)備不完善,熔體易吸氫,無(wú)法保證鋁合金質(zhì)量。

2)國(guó)產(chǎn)連鑄連軋?jiān)O(shè)備的自動(dòng)化程度較國(guó)外的低,軋機(jī)能力低,部分關(guān)鍵部件無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。部分國(guó)產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)能力不夠,生產(chǎn)4043、5056等鋁合金過(guò)程中,常出現(xiàn)悶車現(xiàn)象,導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行[31]。

連鑄連軋技術(shù)目前主要用來(lái)生產(chǎn)電工鋁線材、鋁合金焊絲、Al-Ti-B絲等產(chǎn)品。連鑄連軋自動(dòng)化程度高,生產(chǎn)效率高,成品率高,可實(shí)現(xiàn)高端鋁合金焊絲的國(guó)產(chǎn)化。

1.3 水平連鑄連拉法

水平連鑄連拉法制備鋁合金焊絲的工藝流程:配料→熔煉→水平連鑄連拉→Φ12 mm線坯。

鋁合金在熔煉爐中進(jìn)行熔煉,熔煉合格后將熔體導(dǎo)入引流管,引流管上方通冷卻水加強(qiáng)冷卻效果,合金在引流管內(nèi)完成結(jié)晶,最后通過(guò)牽引機(jī)構(gòu)將結(jié)晶的線坯拉出卷取。

該方法生產(chǎn)鋁合金焊絲線坯存在著以下問(wèn)題:

1)水平連鑄連拉工藝生產(chǎn)線坯的組織基本為鑄造組織,氣孔數(shù)量多,塑性較差,在后續(xù)拉拔中極易出現(xiàn)斷絲。

2)合金焊絲線坯中常出現(xiàn)比重偏析、枝晶偏析和晶界偏析,影響焊接質(zhì)量。

3)從開始連鑄到結(jié)束,熔體在爐內(nèi)存放時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于含有易燒損元素Mg的合金,前后鑄造的合金成分有偏差,同時(shí)熔體吸氫較多。

4)連鑄連拉線坯無(wú)法進(jìn)行扒皮,表面偏析層最終會(huì)帶入焊絲。

徐曉龍[32]等人經(jīng)過(guò)將連鑄連拉法與連鑄連軋法生產(chǎn)的5356鋁合金線桿進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在氫氧含量、氣孔夾渣、強(qiáng)度與塑性等方面,連鑄連軋均比水平連鑄連拉線桿質(zhì)量好。雖然水平連鑄連拉法生產(chǎn)的鋁合金焊絲目前尚存在諸多問(wèn)題,但由于其流程短,設(shè)備投資少,線材的成品率高(90%以上)等特點(diǎn),適合拉伸性能優(yōu)良、成分單一的純鋁焊絲及一些低端鋁合金焊絲的生產(chǎn),被我國(guó)大部分鋁合金焊絲企業(yè)所采用。

2 焊絲線材拉拔

拉拔是鋁合金焊絲生產(chǎn)的第二道工序,通過(guò)對(duì)制得的線坯進(jìn)行多道次拉拔、退火等工序,可以獲得很大的減徑量,最終接近所生產(chǎn)焊絲直徑,為光亮化處理做準(zhǔn)備。

拉拔的原理是對(duì)線坯一端施以拉力,使其通過(guò)直徑小于線坯直徑的圓形?？撞l(fā)生塑性變形,以達(dá)到減小直徑的目的。實(shí)現(xiàn)拉拔的必要條件是被拉出金屬在出?？谔幍睦螒?yīng)力要小于金屬出?？缀蟮那?qiáng)度,但隨著鋁合金線材在拉拔過(guò)程中累積變形量的增加,線材發(fā)生加工硬化,強(qiáng)度、硬度上升,塑性下降[33],拉拔應(yīng)力也隨之增加,當(dāng)拉拔應(yīng)力超過(guò)合金屈服強(qiáng)度時(shí)則出現(xiàn)細(xì)頸甚至拉斷現(xiàn)象。為了后續(xù)順利拉拔,需要對(duì)線材進(jìn)行再結(jié)晶退火以降低強(qiáng)度,提高塑性。所以在進(jìn)行拉拔配模設(shè)計(jì)時(shí),既要防止拉拔過(guò)程中的斷線,又要充分利用金屬的塑性,在兩次退火間獲得較大的減徑量以提高生產(chǎn)效率。

鋁合金焊絲拉拔工藝流程:線坯→退火→拉拔(多道次)→退火→拉拔(多道次)→Φ3 mm左右線材,最終方案可根據(jù)合金特點(diǎn)及總變形量確定中間退火次數(shù)和拉拔道次。

拉拔設(shè)備包括單模拉拔機(jī)和多模連續(xù)拉拔機(jī),相比于單模拉拔的單道次變形,多模連續(xù)拉拔機(jī)上的線材同時(shí)進(jìn)行數(shù)次或十幾次變形,拉拔效率成倍提高。拉拔設(shè)備簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,非常適合鋁合金焊絲連續(xù)化生產(chǎn)。

3 焊絲光亮化處理

光亮化處理是鋁合金焊絲生產(chǎn)的最后一道工藝,其工藝包括機(jī)械刮削光亮化工藝和化學(xué)拋光工藝。鋁合金焊絲在加工過(guò)程中表面生成氧化膜,氧化膜會(huì)吸附水分,在焊接時(shí)使焊縫出現(xiàn)氣孔[34]。焊絲在拉拔時(shí)表面也會(huì)存在機(jī)油等潤(rùn)滑劑,如不進(jìn)行拋光,焊接時(shí)會(huì)發(fā)生大量飛濺,影響焊縫成形。

鋁合金化學(xué)拋光工藝多采用磷酸基溶液或堿性溶液[35],只能對(duì)微觀表面缺陷進(jìn)行處理,無(wú)法去除焊絲在加工過(guò)程中形成的疲勞層等缺陷,焊絲表面光亮度差?；瘜W(xué)拋光工藝目前已較為落后,但相比于機(jī)械刮削工藝,化學(xué)拋光設(shè)備投資更小,生產(chǎn)成本更低。

機(jī)械刮削光亮化工藝是鋁合金焊絲拋光的先進(jìn)工藝,其原理如圖3[36],將多道次拉拔獲得的直徑Φ3 mm左右線坯經(jīng)過(guò)定徑模進(jìn)行整圓處理,保證焊絲的圓度,之后再經(jīng)過(guò)刮削模進(jìn)行刮削,通過(guò)刮削,可去除掉焊絲表面的疲勞層、氧化層和吸水層,經(jīng)過(guò)刮削的焊絲最后再通過(guò)聚晶模具進(jìn)行光亮處理,去除焊絲的擦傷毛刺層[37],提高焊絲表面致密度和光亮化程度。光亮處理后的焊絲經(jīng)過(guò)超聲波清洗,最終得到成品Φ1.6 mm/Φ1.2 mm焊絲。

圖3 光亮化處理[36]

通過(guò)光亮化處理,能去除焊絲表面的氧化皮和油污,保證了焊絲的光潔度,獲得了較高的表面密度,使焊絲在存放過(guò)程中能減少氧化,提高焊接性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)目前鋁合金焊線的生產(chǎn)主要包括:線坯制備→拉拔→光亮化處理三個(gè)步驟。線坯制備作為最初也是最重要的工序,直接影響著成品焊絲的質(zhì)量,鋁合金線坯制備方法主要分為立式半連續(xù)鑄造-擠壓法、連鑄連軋法和水平連鑄連拉法。

2)立式半連續(xù)鑄造-擠壓法生產(chǎn)的鋁合金焊絲產(chǎn)品質(zhì)量好、性能穩(wěn)定,基本適用所有型號(hào)變形鋁合金,但投入較大,成品率低,生產(chǎn)效率低,適合小批量焊絲的生產(chǎn)。用這種線坯連續(xù)化生產(chǎn),線材上焊接接頭較多,需提高焊接接頭處質(zhì)量。另外,需要加強(qiáng)在DC鑄造方面的基礎(chǔ)研究,為擠壓提供更優(yōu)鑄錠。

3)連鑄連軋法是比較先進(jìn)的鋁合金焊絲生產(chǎn)工藝,設(shè)備投資適中,生產(chǎn)效率、成品率高,沒有焊接接頭的影響,但不適合生產(chǎn)高強(qiáng)度鋁合金。目前若要提高焊絲質(zhì)量,需要對(duì)連鑄連軋配套設(shè)備進(jìn)行完善,加強(qiáng)對(duì)熔體質(zhì)量的控制,提高連鑄連軋?jiān)O(shè)備的自動(dòng)化程度。用該技術(shù)生產(chǎn)高端鋁合金焊絲是發(fā)展趨勢(shì)。

4)水平連鑄連拉法生產(chǎn)鋁合金焊絲雖然質(zhì)量不如立式半連續(xù)鑄造-擠壓法和連鑄連軋法,但由于其設(shè)備投資少,成品率高等特點(diǎn),在一些低端鋁合金焊絲領(lǐng)域被我國(guó)大部分鋁合金焊絲企業(yè)所采用。