焊接铍使用的铝及Al-Si合金填充材料

焊接铍使用的铝及Al-Si 合金填充材料

1 引言

铍与铍直接熔化焊，容易在冷却过程中产生凝固裂纹。铍的这种开裂缺陷往往导致焊接失败。另外，如果不加填充材料进行铍的焊接，即或是采取合理的焊接方法及工艺参数，也还是难以使铍的焊接获得成功。这说明铍焊接在工艺上实现的难度很大。其主要原因是：铍直接熔化焊接，相当于铸造冶炼过程，容易使熔化区形成粗大的柱状晶结构，加之铍材料的脆性和复杂的热物理性质的共同作用，不能承受焊接热应力及热变形的作用。在焊接过程中还由于铍在高温状态要与周围环境的气体介质发生冶金化学反应，使铍焊缝再次受到污染。这些污染物通过焊接搅拌进入熔池中，并以夹杂物的形式存在于焊缝之中，使本来就很难焊接的铍更是雪上加霜。早在20世纪50年代末，在铍焊接的初创时期，国外曾经采用过不加填充材料进行铍的熔化焊接[1]。所使用的焊接方法是当时比较先进的真空电子束焊接和气体保护焊接，在焊接过程中还实行了预热措施。结果表明，采用不加填充材料进行铍的直接熔化焊接的措施，绝大多数焊接实验没有取得成功，虽然偶有个别焊接试样没有开裂，但其工艺的控制措施相当复杂。在20世纪80年代，国外用激光束在开展铍的点焊试验时，也没有使用填充材料，其结果导致焊接成功的比例也没有明显增加。根据这种情况，人们设法使用填充材料焊接铍，只要添加合适的焊接填充材料，在辅以合理的焊接方法及合适的工艺，就能使焊接成功的几率大大增加。其成功之主要原因是填充材料抑制了铍焊缝的结晶微裂纹，防止铍焊缝开裂。下面就铍焊接使用填充材料的基本选择原则、种类以及填充材料与铍在焊接过程中的相互作用等问题展开分析和讨论。

2 填充材料的选择原则采用什么金属或合金作铍的焊接填充材料是铍焊接成功的关键。早在20世纪60-70 年代，从事铍焊接的工艺研究人员就对铍焊接使用的填充材料进行了大量的研究工作[2,3,4,5]。并在当时使用了比较先进的EB（电子束）焊、TIG （氩弧）焊接技术进行实验验证。后来在激光技术发展趋于成熟后，又开展了铍的激光焊接研究。激光焊接在使用填充材料方面，引用了电子束焊和TIG焊的研究成果。通过对实验技术的总结和理论分析，形成了铍焊接填充材料的选择原则，归纳起来有下面

3 条：

1）填充材料在液态下能够很好地润湿铍母材。

2）所使用的填充材料不能与铍在高温下形成脆性的金属间化合物。

3）填充材料的熔点最好低于铍母材的熔点。根据上述三条基本原则，在选择铍焊接填充材料时，首先考虑到与铍能形成共晶合金的一些金属及合金，如纯铝、Al-Si 合金等。

3 铝及Al-Si 合金填充材料的性能分析

根据铍的二元合金相图[6]理论和实验研究都表明，比较好的填充材料应能与铍形成共晶型合金的一类金属材料。最好避免使用与铍形成金属间化合物的材料。到目前为止，铍的钎接焊使用过的填充材料只有纯铝、Al-Si合金、AI-12Si-1.5Mg合金、纯Ag、Ag-Cu合金等

很少几种材料，但使用最多的是铝合金填充材料。

3.1 纯铝填充材料物理化学性能和核性能

纯铝是一种低密度材料，铝在地球上的储量相当大，制造和冶炼铝的技术在目前研究得比较深入。其实，铝材在20世纪中期就已经系列化，因此，用铝作铍的焊接填充材料，其

价格很便宜。铝在元素周期表中位于第三周期川A族元素，原子序数为13,原子量为26.98154 , 铝原子的外围电子构型为3S23P1O铝的13个电子在各层轨道上分布为1S'2S22F63S'3P1O如果同时失去

2个3S电子和1个3P电子，则生成二价铝离子（Al2+）。如果失去1个3P电子，则生成一价铝离子（Al+）。低价铝离子在低温下通常是不稳定的。铝为面心立方晶格金属，其晶格参数为

4.04956 x 10-10m当体积为999.6mnn/mol原子时，其密度为2.6987g/ cm 3;铝的比强度（抗拉强度和密度的比值-C b/ 丫）高。导热和导电性能良好，其热导率大约是不锈钢的10倍。固体铝在室温下的热导率为 2.35-2.237 x 10-2W/（m.K）;在熔点附近，热导率将减少到2.1x10-2W（/ m.K）液体铝的热导率比固体铝要小得多，在熔点附近只有0.9x10-2W/ （m.K）;在1250K时，增至1.0 x 10-2W/ （m.K）。铝对光和热具有强烈的反射能力，可反射95%勺热线。纯铝没有磁性，不会产生附加磁场。铝的延展性可达25%可采用锻造、挤压和

辊轧的方法加工成焊丝或片状材料。铝有吸附环境水气之能力，其高温熔体具有强烈的吸氢能力。

铝的熔化热和熔化熵：在933K时，铝的熔化热为10.71 ± 0.21KJ/mol原子（或

396J/g ）; 熔化熵为11.5J/ （mol原子.K）°铝的蒸发热为306KJ/mol原子（或113J/g ;）;蒸发熵为112J/ （mol 原子.K）°

比热容：在298-933K 区间，固体铝的热容随温度的改变而成线性关系

Cp=a+bt

（1）

-3

式中，a=4.94，b=2.96 x 10-。液态铝的热容大约为31.76J/ （mol.K）。随着温度的升高而增大。

从核性能考虑，铝的热中子吸收截面为0.22靶。用纯铝作填充材料焊接铍时，纯铝与铍熔化凝固结晶，发生共晶反应，所形成的合金为二元共晶合金。但在实际焊接中，焊缝的组织存在许多偏析，这取决于铍和铝的熔化量。经分析，焊缝存在共晶成分或偏离共晶点的过共晶成分一侧。在实验中还发现，用纯铝作填充材料，其高温熔化后的流动性不如Al-Si 合金的好，填隙能力要比Al-Si合金差一些。

3.2 铝的氧化污染状况分析

在室温下，铝即存在明显的氧化趋势。铝表面的氧化反应，实际上在2h后就会明显

减弱，这时的氧化膜厚度为2.5-5.0nm。在湿气存在的情况下，氧化膜厚度可达10nm经过

14天以后，氧化膜的厚度趋于稳定。铝中一般含有0.002-0.02（质量）%气体，表面存在的一薄层氧化物，在焊接前如果清理不干净，这些氧化物可在焊缝中形成氧化物夹杂。在室温下，铝表面形成致密的AI2Q氧化物，其结构为非晶态。铝表面AI2Q氧化物的厚度为2-10nm,随着温度的增加，氧化物的厚度要不断增加，当温度为500 E时，氧化膜的厚度增长到30 nm

温度到达或者接近熔点时，氧化物的厚度可增至到200nm左右。AI2Q氧化物显示出与纯铝完

全不同的性质，随着温度升高，AI2Q氧化物要产生a、B、丫和丫/相变，700-710 C转变为丫- AI2Q。当温度高于900C时，开始转变为a -AI2Q结构。而纯铝从室温到熔点并不发生相变。不管AI2Q氧化物的化学成分和相产生何种变化，铝表面上总有一些或少量氧化物存在，了解了AI2Q氧化物的一些表面特性对铍的焊接是有意义的。铝与氧有很强的相互作用能力并经历3个不同的作用过程：（1）氧在新鲜干净的铝表面碰撞接触（物理吸附）;（2）通过

化学作用生成一层离解的氧化膜（化学吸附和化学反应）；（3）氧化膜随时间的延长而增厚。

AI2Q氧化物具有如下一些特性：（1）AI2Q氧化物的保护特性良好，在一定的氧化阶段，可凭借氧化物的这种特性防止铝与气体的进一步作用；（2）化学稳定性和高温稳定性好，在进行焊接时，从AI2Q氧化物还原铝几乎不可能；（3）熔化温度高，在铝填充材料和铍材料早已熔化，Al 203氧化物还处于固态；（4）Al 203氧化物在液态铝和固态铝中的溶解度低，塑性比铝低，具