[发明专利]铝焊接填充金属

说明书

用于焊接3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列合金的5xxx或6xxx系列铝焊接填充金属合金。该合金被设计为利用焊接过程中存在的从液态到固态金属的高凝固速率，以实现其优异的机械性能。该合金利用Mg₂Si弥散体的弥散强化与Mg₂Si析出物的析出强化并且利用游离镁和锰的固溶强化。该合金具有高焊态机械性能和优异的耐腐蚀性。该合金受到焊后热处理的积极影响，并且无论被焊态使用或者焊后热处理，都提供超过所接合的基体金属的机械性能。合金组合物可在高达250华氏度的高温下使用。这种6xxx系列填充金属特别适合于生产用于汽车、卡车拖车、轨道车辆、船舶、航空航天和其他应用的静态和动态加载的高强度焊接结构。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2015年11月13日提交的美国临时专利申请No.62/254,814的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

本发明涉及焊接高强度铝结构的领域，并且更具体地涉及填充金属合金组合物，该填充金属合金组合物适合用于焊接工艺和优异的焊接件物理性能和机械性能。

焊接就其核心而言仅仅是将两块金属接合在一起的一种方式。有很多种用于接合金属部件的焊接工艺。这些焊接工艺中的一些包括气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、等离子电弧焊(PAW)、电子束焊接、惯性焊接、摩擦搅拌焊等。GMAW、GTAW和PAW工艺使用填充金属来完成焊接接合过程。电子束焊接和在此提到的其他工艺通常不使用填充金属来完成焊接，但它们在某些情况下可能使用填充金属。因此，本文公开的填充金属可适用于所有的焊接接合工艺。

当今，电弧焊是最常用的焊接工艺。它通过熔化一件或多件待接合的基体金属的部分并熔化填充金属(通常为焊丝的形式)以在接头处形成熔融的焊接熔池来接合金属部件。目前可用于焊接铝的填充金属在焊接过程期间可能会改变其机械性能。焊接期间存在的可变因素影响完工的焊接接头所得的机械性能和物理性能。例如，这些可变因素包括例如接头设计、基体金属截面尺寸、热量输入以及焊道对基体金属的焊透深度(由此改变基体金属稀释到填充金属熔池中的量)。现有的用于铝的填充金属的性能可能对在现代制造操作中可以一致且可靠地生产的铝结构的机械性能和物理性能造成严重限制。

也就是说，在使用中，铝结构中的焊缝可能在动态载荷或静态载荷下失效。铝结构可能因多种因素而失效，诸如冲击载荷或疲劳。焊接接头的失效由于焊接接头中经常出现的不连续性或结构缺陷而加速。因此，重要的是用于焊接结构部件的任何填充金属具有比待接合的基体金属更高的机械强度，从而如果发生失效，则失效被导向其中存在远远更少的不连续性的基体材料。现有的铝焊接填充金属通常不能提供机械强度优势，因此焊接接头成为铝焊接结构中的最薄弱环节。因此，焊接设计工程师不断寻求具有更高焊态强度的焊接填充金属，以改善其焊接结构的使用寿命并为其焊接产品提供额外的安全等级。

自从电弧焊接工艺的概念以来，铝填充金属已经得到发展。当今使用的普遍的铝填充金属被开发成仅通过略微改变待接合的基体金属的组成来焊接特定的锻造合金或铸造合金。对于5xxx系列(铝/镁)填充金属合金而言，这些改变主要是通过调整基体金属化学成分来完成，以便在焊接电弧中获得对某些合金元素(诸如镁(Mg))的熔化予以补偿的填充金属化学成分。大部分4xxx系列(铝/硅)填充金属合金通过适应性改变已有的钎焊合金而形成。所得的填充金属的严重局限性在于它们在受到焊接过程中存在的多种可变因素影响时在焊缝中提供一致且可靠的机械性能和物理性能的能力。