铝锂合金焊丝制备工艺发展研究

铝锂合金焊丝制备工艺发展研究

徐远帆（ 1） 张立华（ 1， 2）

1）中南大学轻合金研究院，长沙 410083 2）中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083

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摘要：本文阐明了铝锂合金焊接件在制造业中的重要地位，阐述了铝锂合金焊接配用焊丝研究的发展过程，具体整理了三种主流的铝锂合金焊丝制备工艺：半连铸-挤压、连铸连轧、水平连铸连拉。并针对主流工艺，明确提出了当前研究的重点方向，以及亟待开展重点研究工作的四个技术难点：铸造缺陷、拉伸断裂、挤压成型、合金化困难。

关键词：铝锂合金；焊丝；焊接技术；制造工艺。

1. 研究背景

(1)铝锂合金发展

在人类社会的发展中，制造业对于轻质结构件的追求是没有尽头的课题，这种需求是长期存在的，尤其是在航空航天领域中，对于材料的综合性能要求日益提高的同时，也提出了轻量化的要求。可以看到，航空业未来发展的趋势必然是轻量化、高性能。

锂是最轻的金属元素，作为铝合金中和合金化元素的一个选择，为航空航天获得主要轻合金结构材料提供了新的研究方向。每加入一个单位的锂，就能降低铝合金大约3%的密度，同时提高约6%的弹性模量。锂元素的加入不仅可以改善铝合金的高周疲劳性能和疲劳裂纹扩展抗力，还能提高铝合金的拉伸强度。相较于传统常规铝合金，铝锂合金在低温条件下的强度-断裂韧性综合性能也更具有优势。具有以上优势的铝锂合金，是一种十分理想的航空航天结构材料，也是制造领域发展的必然方向。

(2)焊接技术应用

在铝锂合金应用的重点领域——航空航天领域中，过去为了连接飞机机身，机身结构中的铝合金一般采用机械方式联接，其中主要使用传统的铆接工艺进行联接。作为一种机械连接的工艺，铆接工艺具有工艺简单、可靠性强、便于排查以消除故障隐患等的优势。且机械方式连接的效率不高、安装速度相对较慢，不适用于厚件。随着航空制造业的不断发展，由于不可避免地使用数量巨大的铆钉及其附属材料，使用铆接工艺的飞机普遍重量过大，且生产周期长、效率低。机械方式联接已经严重拖慢了航空航天领域的生产效率。进入21世纪以来，铆接工艺已经不能满足当下航空制造业轻量化、快速生产的需求，航空制造业迫切地需要一种新的联接技术来取代传统机械方式联接。故此，焊接技术被引在航空航天领域中并大量运用，显著降低了飞机的重量和生产成本，提高了生产效率，并仍旧保持了航天器机身结构的可靠性。故此，铝合金焊接技术进入了人们的视野，被用于航空航天领域中，并在后续的发展中大量运用。

(3)焊丝制备需求

先前提到，焊接热裂纹对于铝锂合金的应用有着极大的影响。改善铝锂合金焊接热裂纹敏感性的重要方法之一，就是选择适当的填充金属。对于大部分焊接工艺而言，即意味着需要制备更高质量的焊丝。我国早在上世纪五十年代就开始进行焊丝研制，随着各个行业的迅速发展，市场对于焊丝的需求量也迅速提高。在航天结构件中涉及到很多的焊接问题，铝锂合金母材具有很好的综合性能，但在焊接过程中同样存在焊缝气孔多、焊接热裂纹倾向大和焊接强度低等问题。截至目前，国内厂家对于铝锂合金焊丝的生产仍处于起步阶段，大部分焊丝来自于进口，进口焊丝不仅价格昂贵，并且供货时间长，不利于我国批量生产铝锂合金产品。故此，开展对于铝锂合金焊丝制备的相关研究具有重要的意义。

2.国内外发展历程

(1)发展历史

人们很早就意识到，填充金属对于铝锂合金焊接成品的影响至关重要，对于可焊铝锂合金配套焊丝的研制从铝锂合金出现开始就成为了研究领域内的重点课题。焊接热裂纹、焊缝成分组织对于铝锂合金焊接构件成品的质量有着极大的影响。改善铝锂合金焊接热裂纹敏感性的重要方法之一，就是选择适当的填充金属，而对于大部分焊接工艺而言，即意味着需要制备更高质量的焊丝。

铝锂合金的焊丝研究已经进入到第三代铝锂合金的配适。以广泛应用于航天器低温推进剂贮箱和航天器结构中的AA 2195为例，采用针对2195设计的填充金属制成焊丝进行焊接，可以影响焊缝凝固阶段出现的大量共晶液体，从而改善抗裂纹性，甚至做到有效避免所有裂纹。

我国早在上世纪五十年代就开始进行焊丝研制，随着各个行业的迅速发展，市场对于焊丝的需求量也迅速提高。铝锂合金母材具有很好的综合性能，但在焊接过程中同样存在焊缝气孔多、焊接热裂纹倾向大和焊接强度低等问题。截至目前，国内厂家对于铝锂合金焊丝的生产仍处于起步阶段，大部分焊丝来自于进口，进口焊丝不仅价格昂贵，并且供货时间长，不利于我国批量生产铝锂合金产品。故此，开展对于铝锂合金焊丝制备的相关研究具有重要的意义。

(2)主要技术手段

①半连铸-挤压

该工艺的优点在于生产的焊丝质量较好，在拉伸过程中可以保证拉伸的连续性。但是该工艺所需设备的投资较大，生产占地面积广，生产工序较多且对于工具、模具的消耗较高，生产过程中产出的废料占比高，相对的产品成品率较低，存在成分分布不均匀现象，不利于商业投资和开展大规模生产。

立式半连续铸造-挤压法制备铝合金焊丝线坯的工艺流程如下：

配料→融化→精炼→立式半连续铸造→铸锭均匀化→铸锭加热→热挤压→盘圆杆坯（或多级拉伸至线坯→表面处理）。

②连铸连轧

该工艺多用于电线电缆行业，也会用来制备空调冷凝管等构件。该工艺则是使用热轧，将棱形坯料制成线坯。连铸连轧工艺设备投资成本适中，产品单重大，成材率高，可达到90%以上，且由于采用的是热轧工艺，产品得质量相对稳定。但如何有效控制浇筑过程中氧化夹杂物得进入、轧制过程中氧化膜和润滑油得进入依然亟待解决，这严重影响了最终产品的加工性能和成品率。

连铸连轧制备铝合金焊丝线坯的工艺流程如下：

配料→熔化→精炼→连续铸造(边长为40～50 mm菱形截面的坯料)→热连轧(13道次)→Ф9.8mm左右的线坯。

③水平连铸连拉

该方法生产工艺简单，设备、场地投资成本低且生产率高，和连铸连轧法一样可以达到90%，十分适合中小型企业进行投资生产。但由于该工艺采用的是冷拉，生产中极易出现拉断丝的情况，生产工艺相对固定，只能用于制备如纯铝线坯这种拉伸性能好的合金。并且，水平连铸合金杆坯中不可避免的出现较常见比重偏析、枝晶偏析、晶界偏析和区域偏析，在后续拉拔工艺中难以消除。相对于前两种生产工艺，水平连铸连拉具有十分显著的局限性，发展前景并不明朗。

水平连铸连拉发制备铝合金焊丝线坯的工艺流程如下：

配料→熔化→精炼→水平连铸连拉(12个或24个结晶器并联) → Ф10-12 mm左右的线坯。

3.研究内容和关键点

(1)主要研究内容

①成分设计

铝合金焊丝的材料选择遵循一般钢件焊接材料选择的原则，一般而言着重考虑焊接工艺、焊接接头性能、焊接材料性能这几个主要方面。

铝锂合金的元素组成十分复杂多元，许多铝锂合金中的Li含量会低于合金中除Al外的其他合金元素含量，并且Li的化学性质活泼，在焊接过程中烧损现象严重，并且伴随着一系列的如氧化、吸氢等化学反应。配用焊丝的成分设计原则尚无定论，一般相比名义成分多添加1-2%的锂，以抵消烧损。

②熔炼和铸造

铸造工艺所获得的铝锂合金质量好坏很大程度上影响了最后制的的焊丝成品质量。铝锂合金熔炼和铸造的主要难点在于Li与氧气、氮气极易发生反应，在熔炼、铸造过程中会发生多种反应，生成有害于铝锂合金品质的化合物。温度在500-800℃时，Li还会与氢发生反应，生成氢化物。通过改进熔炼时添加Li的方法、在铸造前进行除气、过滤等和在铸造过程引入除气除杂工艺，情况可以得到一定的改善。

目前在熔炼中添加Li有三种主流方法：

通过Al-Li中间合金添加Li。中间合金的制备相对简单、安全，且中间合金十分容易添加。但如果制备的铝锂合金Li含量超过2%，则需要添加大量的中间合金，一次性大量添加常温的中间合金，会导致熔融铝的温度瞬间下降，打乱熔化周期。中间合金的储存、运输的成本也十分高昂。故此在商业生产中，使用中间合金添加不如直接添加纯锂的优势大。

在熔剂保护下添加Li。熔剂又称覆盖剂，熔剂保护法是使用熔剂覆盖金属熔体的表面，可以有效地隔离液态金属和空气。除了保护熔体隔离大气，熔剂同时也可以起到通过反应，去除熔体中有害的碱金属杂志、净化熔体的作用。最理想条件下的熔剂应当具有熔点低、流动性好且不会污染合金，在金属液面上扩散性良好，吸水性低、密度小的特点。使用该工艺前，需要对熔剂进行烘干处理。

惰性气体保护下添加Li。该方法成本更为低廉。工业上一般使用高纯度的氩气或是氦气充满真空感应炉、电阻熔化炉，在氩气或氦气的保护下熔炼锂，生产高质量的铝锂合金铸锭。

③挤压

在利用挤压法制备铝锂合金焊丝时，通常会采用正向挤压、反向挤压，或与半连续铸造配合度更高的连续挤压法。可以采用多孔模挤压的方式，降低挤压系数，以提高挤压效率和成品率。在挤压工艺中，挤压力、挤压温度、挤压速度是最为重要的工艺技术参数。

1、挤压力

由挤压杆通过挤压垫主动施加，使铸锭从模孔流出的力被称为挤压力，通常指的是挤压过程中的突破压力pmax。在进行挤压前通常对铸锭进行充分的均匀化退火可以降低需要的挤压力；坯料与挤压筒内壁的接触面积越大，摩擦力越大，所需要的挤压力也就越大；铝锂合金一般采取无润滑挤压，采用平面模或者大角度锥模可以降低挤压力。

2、挤压温度

合理的挤压温度范围可以使得区间内金属的变形抗力较低且塑性较好，制品的组织性能均匀良好。一般来说，挤压温度的上限应当低于单相金属的固相线温度T0，设为（0.85~0.90）T0。单相合金的挤压温度下限取（0.65~0.70）T0，多相合金的下限要高于相变温度50~70℃。

由于金属会与挤压筒内壁、模具、垫片之间会产生摩擦，加上金属变形产生的热量，整个挤压过程中的温度其实是逐渐升高的。为了实现等温挤压，使挤压过程中的金属保持较好的塑性，可以通过梯度加热铸锭、挤压筒，冷却模具，实时调节挤压速度等方式实现略有浮动的等温挤压，显著提高了生产效率和产品质量。

3、挤压速度

挤压速度和产品的生产效率直接相关，也直接影响着产品的质量，挤压速度通常指挤压时金属从模孔中流出的速度v1。挤压速度会在制品的表面品质、缩尾长度上产生影响。v1越大，外层金属与挤压筒内壁、模具、垫片之间的摩擦就越剧烈，会显著提高外层金属的附加拉应力，导致表面裂纹的产生，所以挤压速度的设定必须以不产生挤压裂纹为上限。同时，挤压速度的提高会导致金属不均匀流动的倾向性增加，原本留存在死区的表面氧化物、杂质会被提前挤入制品内部，导致缩尾长度的增加，降低产品的生产效率和质量。

④拉伸

要获得比挤压所得铝线直径更小的焊丝时，一般对焊丝进行多级拉伸。拉伸工艺要尽可能地减少拉伸次数，以提高生产效率、节约成本。铝锂合金的拉伸难点主要在于其断面收缩率较小，在多级拉伸的过程中非常容易出现断丝的情况。合理的设计逐级拉伸的拉伸比、拉伸速度，以及在合适的时机进行中间退火消除线坯的内应力，可以有效地解决断丝问题。

(2)关键技术难点

在现有工艺中，主要存在以下几个问题难点，影响最终铝锂合金焊丝的成品质量：

一、使用铸造法时，难以避免的铸造气孔、缩孔、缩松等缺陷，以及成分不均匀现象。浇铸过程中的铝熔体温度、模具的温度、形状、大小和厚度、浇铸方法以及是否加入晶粒细化剂等因素，都会造成对生产的铸锭成分、组织、性能上的影响。

二、采用拉伸工艺时，由于铝锂合金的抗拉强度高、断口收缩率小，一般采用的冷拉很容易将线坯拉断，必须要设置多级逐步拉伸，控制每道拉伸的拉伸比例，设计次数，必要时需在拉伸后进行中间退火以消除形变强化和残余应力，再进行下一级拉伸。否则制备的焊丝会存在密度不均的缺点，在进行焊接时容易出现断弧的现象。

三、铝锂合金的挤压性指数相对传统铝合金来说要更高一些，且由于锂元素的存在，对于挤压时的温度更为敏感，挤压后的表面质量差，挤压难度高。

四、合金化困难。如何将锂以更为安全、高效的方式添加到铝基体中去，保证铝锂合金的成分质量，仍旧是尚无定论的研究难点。

4.结束语

铝锂合金作为铝合金家族中重要的分支，已经在越来越多的领域内展现出其独特的价值，铝锂合金的配套焊丝广泛应用于机械、冶金、能源、造船、化工、航空航天、建筑、桥梁、交通、军工等制造行业，是铝及铝合金产品的连接方式中不可缺少辅助材料。我国关于铝锂合金焊丝制备领域的研究相对国外来说还有不足，相关的生产厂家仍旧处于起步阶段，该领域的研究具有较强的社会意义，具有极大的发展创新空间，是我国的制造业发展不可或缺的重要部分。

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