張友壽  謝志強(qiáng)  吳東周  田光學(xué)  劉平 李保亭

(中國(guó)工程物理研究院趣闹，四川綿陽(yáng)919信箱71分箱  621900)

摘要 加填充材料焊接鈹可以有效地抑制鈹?shù)暮附娱_裂豁惨，對(duì)改善鈹?shù)暮附庸に嚰百|(zhì)量，為鈹焊接結(jié)構(gòu)在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了技術(shù)保證箍负。本文敘述了焊接鈹使用的填充材料鋁及Al-Si合金的結(jié)構(gòu)烂辟、性能、加入方法和加入量麦回。以鈹與鋁及鋁合金焊接的冶金化學(xué)反應(yīng)理論與實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)哨叙，分析了鈹在非真空激光焊接和TIG氣體保護(hù)焊接中生成氣孔和縮孔的情況，結(jié)合鋁及鋁合金的吸氫性能缤谎，認(rèn)為使用鋁及Al-Si合金作為填充材料焊接鈹抒倚，生成焊接氣孔和縮孔的主要原因是由焊接環(huán)境中的氫氣和水分引起的，鋁中加入硅可以降低鋁熔體的吸氫能力坷澡。填充材料和鈹?shù)谋砻娲嬖谖廴竞瓦^(guò)多的氧化物托呕，使鈹焊縫中的氣孔有增加之趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 鈹  焊接  填充材料  鋁  Al-Si合金 

1 引 言

鈹與鈹直接熔化焊频敛，容易在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生凝固裂紋项郊。鈹?shù)倪@種開裂缺陷往往導(dǎo)致焊接失敗。另外斟赚，如果不加填充材料進(jìn)行鈹?shù)暮附哟粢郑椿蚴遣扇『侠淼暮附臃椒肮に噮?shù)，也還是難以使鈹?shù)暮附荧@得成功汁展。這說(shuō)明鈹焊接在工藝上實(shí)現(xiàn)的難度很大。其主要原因是：鈹直接熔化焊接厌殉，相當(dāng)于鑄造冶煉過(guò)程食绿，容易使熔化區(qū)形成粗大的柱狀晶結(jié)構(gòu)，加之鈹材料的脆性和復(fù)雜的熱物理性質(zhì)的共同作用选浅，不能承受焊接熱應(yīng)力及熱變形的作用屏酌。在焊接過(guò)程中還由于鈹在高溫狀態(tài)要與周圍環(huán)境的氣體介質(zhì)發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)，使鈹焊縫再次受到污染尚技。這些污染物通過(guò)焊接攪拌進(jìn)入熔池中予问，并以?shī)A雜物的形式存在于焊縫之中，使本來(lái)就很難焊接的鈹更是雪上加霜潭耙。早在20世紀(jì)50年代末涕笛，在鈹焊接的初創(chuàng)時(shí)期燥箍，國(guó)外曾經(jīng)采用過(guò)不加填充材料進(jìn)行鈹?shù)娜刍附?/span>^[1]。所使用的焊接方法是當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的真空電子束焊接和氣體保護(hù)焊接列汽，在焊接過(guò)程中還實(shí)行了預(yù)熱措施朦晋。結(jié)果表明，采用不加填充材料進(jìn)行鈹?shù)闹苯尤刍附拥拇胧┰桑^大多數(shù)焊接實(shí)驗(yàn)沒有取得成功周狱，雖然偶有個(gè)別焊接試樣沒有開裂，但其工藝的控制措施相當(dāng)復(fù)雜赤朽。在20世紀(jì)80年代稿辙，國(guó)外用激光束在開展鈹?shù)狞c(diǎn)焊試驗(yàn)時(shí)，也沒有使用填充材料气忠，其結(jié)果導(dǎo)致焊接成功的比例也沒有明顯增加邻储。根據(jù)這種情況，人們?cè)O(shè)法使用填充材料焊接鈹笔刹，只要添加合適的焊接填充材料芥备，在輔以合理的焊接方法及合適的工藝，就能使焊接成功的幾率大大增加舌菜。其成功之主要原因是填充材料抑制了鈹焊縫的結(jié)晶微裂紋萌壳，防止鈹焊縫開裂。下面就鈹焊接使用填充材料的基本選擇原則日月、種類以及填充材料與鈹在焊接過(guò)程中的相互作用等問題展開分析和討論袱瓮。

2 填充材料的選擇原則

采用什么金屬或合金作鈹?shù)暮附犹畛洳牧鲜氢敽附映晒Φ年P(guān)鍵。早在20世紀(jì)60-70年代爱咬，從事鈹焊接的工藝研究人員就對(duì)鈹焊接使用的填充材料進(jìn)行了大量的研究工作^[2,3,4,5]尺借。并在當(dāng)時(shí)使用了比較先進(jìn)的EB（電子束）焊、TIG（氬痪狻）焊接技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證燎斩。后來(lái)在激光技術(shù)發(fā)展趨于成熟后，又開展了鈹?shù)募す夂附友芯扛μ恪＜す夂附釉谑褂锰畛洳牧戏矫媸骼簦昧穗娮邮负?/span>TIG焊的研究成果。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的總結(jié)和理論分析缚粮，形成了鈹焊接填充材料的選擇原則漫介，歸納起來(lái)有下面3條：

1）  填充材料在液態(tài)下能夠很好地潤(rùn)濕鈹母材。

2）  所使用的填充材料不能與鈹在高溫下形成脆性的金屬間化合物囊叛。

3）  填充材料的熔點(diǎn)最好低于鈹母材的熔點(diǎn)赏碑。

根據(jù)上述三條基本原則，在選擇鈹焊接填充材料時(shí)学蟀，首先考慮到與鈹能形成共晶合金的一些金屬及合金射愧，如純鋁矛熬、Al-Si合金等。

3 鋁及Al-Si合金填充材料的性能分析

根據(jù)鈹?shù)亩辖鹣鄨D^[6]理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明霜甜，比較好的填充材料應(yīng)能與鈹形成共晶型合金的一類金屬材料惹模。最好避免使用與鈹形成金屬間化合物的材料。到目前為止箕昭，鈹?shù)拟F接焊使用過(guò)的填充材料只有純鋁灵妨、Al-Si合金、Al-12Si-1.5Mg合金落竹、純Ag泌霍、Ag-Cu合金等很少幾種材料，但使用最多的是鋁合金填充材料述召。

3.1純鋁填充材料物理化學(xué)性能和核性能

純鋁是一種低密度材料朱转，鋁在地球上的儲(chǔ)量相當(dāng)大，制造和冶煉鋁的技術(shù)在目前研究得比較深入积暖。其實(shí)藤为，鋁材在20世紀(jì)中期就已經(jīng)系列化，因此夺刑，用鋁作鈹?shù)暮附犹畛洳牧厦迮保鋬r(jià)格很便宜。鋁在元素周期表中位于第三周期ⅢA族元素遍愿，原子序數(shù)為13存淫，原子量為26.98154，鋁原子的外圍電子構(gòu)型為3S²3P¹淌影。鋁的13個(gè)電子在各層軌道上分布為1S²2S²2P⁶3S²3P¹游隅。如果同時(shí)失去2個(gè)3S電子和1個(gè)3P電子，則生成二價(jià)鋁離子（Al²⁺）脾韧。如果失去1個(gè)3P電子腊的，則生成一價(jià)鋁離子（Al⁺）。低價(jià)鋁離子在低溫下通常是不穩(wěn)定的聂突。鋁為面心立方晶格金屬敷裁，其晶格參數(shù)為4.04956×10^-10m；當(dāng)體積為999.6mm³/mol原子時(shí)芙捏，其密度為2.6987g/ cm³；鋁的比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度和密度的比值-σ_ｂ/γ）高杰打。導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能良好粤唤，其熱導(dǎo)率大約是不銹鋼的10倍。固體鋁在室溫下的熱導(dǎo)率為2.35-2.237×10^-2W/（m.K）搁鞭；在熔點(diǎn)附近预锅，熱導(dǎo)率將減少到2.1×10^-2W/（m.K）饵来；液體鋁的熱導(dǎo)率比固體鋁要小得多，在熔點(diǎn)附近只有0.9×10^-2W/（m.K）民傻；在1250K時(shí)胰默，增至1.0×10^-2W/（m.K）。鋁對(duì)光和熱具有強(qiáng)烈的反射能力漓踢，可反射95%的熱線牵署。純鋁沒有磁性，不會(huì)產(chǎn)生附加磁場(chǎng)喧半。鋁的延展性可達(dá)25%奴迅，可采用鍛造、擠壓和輥軋的方法加工成焊絲或片狀材料挺据。鋁有吸附環(huán)境水氣之能力取具，其高溫熔體具有強(qiáng)烈的吸氫能力。

鋁的熔化熱和熔化熵：在933K時(shí)扁耐，鋁的熔化熱為10.71±0.21KJ/mol原子（或396J/g）暇检；熔化熵為11.5J/（mol原子.K）。鋁的蒸發(fā)熱為306KJ/mol原子（或113J/g婉称；）块仆；蒸發(fā)熵為112J/（mol原子.K）。

比熱容：在298-933K區(qū)間翠墩，固體鋁的熱容隨溫度的改變而成線性關(guān)系

                         Cp=a+bt                                (1)

式中谴童，a=4.94，b=2.96×10^-3帝匙。液態(tài)鋁的熱容大約為31.76J/（mol.K）整雷。隨著溫度的升高而增大。

從核性能考慮, 鋁的熱中子吸收截面為0.22靶反狞。用純鋁作填充材料焊接鈹時(shí)珠焦，純鋁與鈹熔化凝固結(jié)晶，發(fā)生共晶反應(yīng)跳清，所形成的合金為二元共晶合金股背。但在實(shí)際焊接中，焊縫的組織存在許多偏析客止，這取決于鈹和鋁的熔化量痹橙。經(jīng)分析，焊縫存在共晶成分或偏離共晶點(diǎn)的過(guò)共晶成分一側(cè)巾甲。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)涕克，用純鋁作填充材料，其高溫熔化后的流動(dòng)性不如Al-Si合金的好悬襟，填隙能力要比Al-Si合金差一些衅码。

3.2        鋁的氧化污染狀況分析

在室溫下拯刁，鋁即存在明顯的氧化趨勢(shì)。鋁表面的氧化反應(yīng)逝段，實(shí)際上在2h后就會(huì)明顯減弱垛玻，這時(shí)的氧化膜厚度為2.5-5.0nm。在濕氣存在的情況下奶躯，氧化膜厚度可達(dá)10nm帚桩。經(jīng)過(guò)14天以后，氧化膜的厚度趨于穩(wěn)定巫糙。鋁中一般含有0.002-0.02(質(zhì)量)%氣體朗儒，表面存在的一薄層氧化物，在焊接前如果清理不干凈参淹，這些氧化物可在焊縫中形成氧化物夾雜醉锄。在室溫下，鋁表面形成致密的Al₂O₃氧化物浙值，其結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)恳不。鋁表面Al₂O₃氧化物的厚度為2-10nm，隨著溫度的增加构鸭，氧化物的厚度要不斷增加麸河，當(dāng)溫度為500℃時(shí)，氧化膜的厚度增長(zhǎng)到30nm旬性；溫度到達(dá)或者接近熔點(diǎn)時(shí)冰枯，氧化物的厚度可增至到200nm左右。Al₂O₃氧化物顯示出與純鋁完全不同的性質(zhì)抒崖，隨著溫度升高庵窄，Al₂O₃氧化物要產(chǎn)生α、β婉烈、γ和γ＇相變炉展，700-710℃轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>γ- Al₂O₃。當(dāng)溫度高于900℃時(shí)巩蕊，開始轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α-Al₂O₃結(jié)構(gòu)聪磁。而純鋁從室溫到熔點(diǎn)并不發(fā)生相變。不管Al₂O₃氧化物的化學(xué)成分和相產(chǎn)生何種變化塑验，鋁表面上總有一些或少量氧化物存在瞎暑，了解了Al₂O₃氧化物的一些表面特性對(duì)鈹?shù)暮附邮怯幸饬x的。鋁與氧有很強(qiáng)的相互作用能力并經(jīng)歷3個(gè)不同的作用過(guò)程：（1）氧在新鮮干凈的鋁表面碰撞接觸（物理吸附）与帆；（2）通過(guò)化學(xué)作用生成一層離解的氧化膜（化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)）了赌；（3）氧化膜隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚。

Al₂O₃氧化物具有如下一些特性：（1）Al₂O₃氧化物的保護(hù)特性良好，在一定的氧化階段揍拆，可憑借氧化物的這種特性防止鋁與氣體的進(jìn)一步作用；（2）化學(xué)穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性好茶凳，在進(jìn)行焊接時(shí)嫂拴，從Al₂O₃氧化物還原鋁幾乎不可能；（3）熔化溫度高贮喧，在鋁填充材料和鈹材料早已熔化筒狠，Al₂O₃氧化物還處于固態(tài)；（4）Al₂O₃氧化物在液態(tài)鋁和固態(tài)鋁中的溶解度低箱沦，塑性比鋁低辩恼，具有較高硬度和脆性；（5）線脹系數(shù)僅為鋁的1/3谓形，在焊接加熱時(shí)荸速，Al₂O₃氧化物有時(shí)會(huì)產(chǎn)生開裂；（6）Al₂O₃氧化物吸附水汽的能力比較強(qiáng)柒谈。

鋁在液態(tài)下對(duì)氫有很高的溶解度穴阱，有資料報(bào)道^[7]，鋁合金中的氫含量可占85%以上胖辨。如在固態(tài)下為0.034ml/100g Al,在液態(tài)的溶解度為0.65ml/100g Al爱蚣。二者相差了19.1倍。鋁中氫的主要來(lái)源于鋁液與水蒸汽的反應(yīng)讹毁，液態(tài)鋁中氣體分壓之比為：P_H2/P_H2O=7.3×10¹⁴间炮，表明即使P_H20很小，平衡的P_H2也可達(dá)到很大让多。當(dāng)鋁液溫度升到727℃時(shí)卫银，在相當(dāng)于干燥空氣條件（P_H2O=2.59×10^-20Pa）鋁液也能跟水汽發(fā)生反應(yīng)。這說(shuō)明,即或是相當(dāng)干燥的環(huán)境或干燥容器的器壁對(duì)鋁液來(lái)說(shuō)都是潮濕的身音，也還會(huì)使其吸氫沥葛。

Al₂O₃氧化物在焊接攪拌力的作用下，多以?shī)A雜物的形式存在于焊縫中叔收。研究表明：鋁液中的氧化物與氣體氫之間存在共生關(guān)系齿穗。鋁很容易被Al₂O₃氧化物和氣體氫污染，因此饺律，兩者在鋁液中很難去除窃页。液相鋁表面上的氧化膜緊靠鋁液的一層是致密的，對(duì)鋁液具有保護(hù)作用复濒。但靠外側(cè)的氧化膜則是疏松的脖卖，氧化膜內(nèi)存在Φ5-10 nm的小針孔，被氫、空氣畦木、水汽所占踞袖扛。因此，氧化鋁膜中通常至少含有1%-2%的水汽十籍。這樣看來(lái)蛆封，Al₂O₃氧化物對(duì)焊接氣孔的形成起著重要作用。氫依附于氧化物生核主要是從熱力學(xué)方面考慮的勾栗，對(duì)于鋁處于高溫下的氧化物與氣體之間的行為及相互作用機(jī)制惨篱，必須從氧化物的特性和結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行分析。按氧化物的形態(tài)可分為3大類：1）出現(xiàn)分布不均的大塊氧化物（>20μm）幌侧，此類氧化物的危害性極大令掠，但容易去除；2）產(chǎn)生尺寸為10-20μm的氧化物整栏；3）含有尺寸<10μm的氧化物辫扯。在這三類氧化物在焊接時(shí)，容易通過(guò)攪拌力混入熔池中碗昭，會(huì)使焊縫增加氣體和氧化物夾雜物牲课。(2)鋁與氧的反應(yīng)：4Al+3O₂→2Al₂O₃。鋁合金在空氣中及焊接時(shí)極易氧化生成氧化鋁瞎励，其特點(diǎn)是熔點(diǎn)高女灸，非常穩(wěn)定，能吸潮蒜肥，不易去除但雨。防礙對(duì)鈹?shù)臐?rùn)濕，可在鈹焊縫中生成氣孔碟堵。Al₂O₃為α螺谅、β兩種變體，密度比鋁高（3.9-4.0g/cm³）来累，熔點(diǎn)高達(dá)2050砚作。2）與水反應(yīng)：2Al＋6H₂O→2Al（OH）₃＋3H₂↑，熔化的鋁與周圍的水汽反應(yīng)劇烈嘹锁。

3.3        Al-12Si合金填充材料的性能葫录、結(jié)構(gòu)及其吸氫特性^[8-19]

    采用Al-12Si合金作填充材料焊接鈹，能夠有效地抑制鈹焊縫中的微裂紋领猾，防止鈹焊接開裂米同。Al-Si合金與鈹?shù)娜埸c(diǎn)差很大，在焊接冷卻過(guò)程中摔竿，當(dāng)液態(tài)鈹開始凝固形核結(jié)晶時(shí)面粮，Al-Si合金還處于液態(tài)少孝。液態(tài)的Al-Si合金去充填凝固鈹?shù)奈⒘鸭y，因此熬苍，Al-Si合金是鈹焊接中比較成功的填充材料稍走。從20世紀(jì)60年代開始直到現(xiàn)在，不管焊接鈹?shù)姆?a target="_blank" class="mmstipc1" >法如何變遷柴底，Al-Si合金一直是焊接鈹使用得比較多的一種填充材料腻危。Al-Si合金中的硅含量很高，增加了在液態(tài)的流動(dòng)性碰素，熱收縮比鋁小，焊縫的氣密性較好战辨，熱裂的傾向性小媒邀。Al-Si合金經(jīng)過(guò)適當(dāng)條件的熱處理，有著優(yōu)良的物理性能莱火、力學(xué)性能和加工性能滴推。與其它鋁合金相比，其抗腐蝕性能也比較好驻碟。在鈹?shù)暮附又幸谴樱X與鈹、鈹與硅以及硅與鋁等三者之間都發(fā)生共晶反應(yīng)而沒有金屬間化合物生成卸禽。從核性能考慮,加填充材料Al-Si合金對(duì)核性能的影響較小潜狭，因?yàn)殇X為低密度材料，中子的吸收截面為0.22靶洪稿，加硅后并不影響Al-Si合金的整體核性能谭央，因?yàn)楣璧臒嶂凶游战孛姹蠕X還要小，只有0.13靶疟位。因此瞻润，Al-Si合金是被公認(rèn)的焊接鈹?shù)妮^好的填充材料。

Si屬于面心立方晶格甜刻，盡管屬于小平面相绍撞，但其{111}密排面的Jackson因子數(shù)并不高。Si晶體的{111}面為光滑界面得院，{100}和{111}兩個(gè)面為粗糙界面傻铣。在Al-Si合金中，隨著硅不同祥绞，其凝固條件和成分所表現(xiàn)出的生長(zhǎng)行為存在著差別矾柜。對(duì)未經(jīng)變質(zhì)處理的Al-Si合金，共晶Si呈粗大的板條狀就谜，Si晶體存在少量孿晶怪蔑。片狀共晶Si擁有兩種分枝類型：1）與孿晶行為有關(guān)的大角度分枝行為，與{111}密排面成70.5o夾角；2）由于Si相和Al相的熱膨脹系數(shù)不同缆瓣，這些行為也導(dǎo)致小角度分枝哮瓦、分裂以及兩者的并行行為的存在。

    在20世紀(jì)80年代初啼厌，根據(jù)界面動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)岛盗，提出了小面-非小面轉(zhuǎn)變學(xué)說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為终于，隨著生長(zhǎng)速度的增加萄尽，Si存在小面生長(zhǎng)向非小面生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。Si相貌及尺寸的變化與凝固過(guò)程中的共晶過(guò)冷度密切相關(guān)禁脏。在過(guò)冷度較小的情況下倡照，Si相以小面化的側(cè)面生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)；當(dāng)過(guò)冷度增加時(shí)谣泄，Si則以非小面的均勻（uniform growth）方式生長(zhǎng)声屯。對(duì)Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理可以使Si的形貌和尺寸改變，如在Al-Si合金中加入Na褂圣、Sr去园、Re等元素^[8，9]懊悯，合金中的共晶溫度（冷卻曲線中的共晶平臺(tái)）比未變質(zhì)的要低許多蜓谋，使共晶過(guò)冷度增大，共晶Si由粗大的板條狀（或針狀）轉(zhuǎn)變成細(xì)小的纖維狀炭分，即共晶Si的生長(zhǎng)方式發(fā)生了改變孤澎。

但是，鈹焊接用的Al-Si合金要求較高欠窒，不希望有象Na覆旭、Sr、Re等這樣的元素存在岖妄，因?yàn)樗鼈兊拇嬖诳赡軙?huì)在焊縫中形成新的腐蝕源型将，對(duì)焊接構(gòu)件的使用會(huì)帶來(lái)不利影響。因此荐虐，必須采用其它方法來(lái)改善焊接鈹?shù)奶畛洳牧?/span>Al-Si合金中共晶Si形貌和尺寸七兜。硅與O₂的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)構(gòu)不同的硅的氧化物：1） 2Si+O₂→2SiO；2） 2Si+ O₂→2SiO₂福扬。SiO的顏色為黑色或棕黑色腕铸，這一情況在Al-Si合金的處理中也已經(jīng)遇到過(guò)。Si和O₂的反應(yīng)在400^铛碑。C以上進(jìn)行裂体。Al-Si合金中的鋁與水反應(yīng)：2Al＋6H₂O→2Al（OH）₃＋3H₂↑势纺，熔化的鋁與周圍的水汽反應(yīng)劇烈，其中的Si與水作用生成SiO₂和H₂↑息队。在高溫下演茂，Si也會(huì)與水蒸氣作用產(chǎn)生H₂↑。

Al-Si合金的宏微觀組織結(jié)構(gòu)沿硕、晶粒尺寸件银、雜質(zhì)含量、合金的均勻化程度以及表觀質(zhì)量對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能依特、耐蝕性能郊片、使用性能以及表面質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生重要影響。Al-Si合金是一種典型的共晶型合金契畔。其共晶成分為Al+12.5%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)焚惰，%），共晶溫度為577℃僵禁。在此溫度下，合金液體交替結(jié)晶析出α-Al和第二相β-Si色罚，Al與Si形成共晶體碰缔。α-Al是硅在鋁中的固溶體，β-Si是鋁在硅中的固溶體戳护，β-Si相的量少金抡、而且性脆；α-Al相的含量高腌且、但非常軟韌梗肝。經(jīng)過(guò)共晶轉(zhuǎn)變形成的α相和β相，是一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹枝狀結(jié)構(gòu)铺董。由Al-Si合金二元合金相圖可知巫击，在共晶溫度下平衡條件結(jié)晶時(shí)，Si在鋁中的溶解度為1.65%精续，冷至室溫時(shí)則降為0.05%坝锰，而鋁在β-Si中的溶解度極低。在非平衡條件下凝固結(jié)晶形成過(guò)飽和固溶體重付，這時(shí)Si的含量可達(dá)到3%左右顷级。實(shí)際上對(duì)Al-Si合金可以這樣理解：鑄態(tài)Al-Si合金的組織在室溫下就是金屬鋁（α相）與單晶硅（β相）通過(guò)熔煉所構(gòu)成的混合物。

鈹在非真空條件下的激光焊接涵店，加Al-S?合金填充材料在焊縫中出現(xiàn)的主要缺陷是焊接氣孔和縮孔裁国。人們?cè)缫阎溃冧X在焊接或鑄造時(shí)的加熱過(guò)程中會(huì)吸收環(huán)境中的氫卫跺，冷卻時(shí)熔體要釋放氫, 形成以氫為特征的氫氣孔表季，從而影響鋁加工的質(zhì)量肯窜。這表明鋁及鋁合金焊接形成的氣孔主要是與氫含量有關(guān)批先。

    文獻(xiàn)[10]報(bào)道脉鼻，Si能降低氫在鋁熔體中的溶解度奈泪，對(duì)鋁熔體的吸氫能力起到抑制作用胯甩。孟慶格痢士、邊秀房等人對(duì)自制的Al-Si合金熔體的氫含量進(jìn)行了測(cè)量和分析概作。測(cè)量時(shí)的環(huán)境相對(duì)濕度為55%左右（山東地區(qū)）辈殃，他們共測(cè)量了三種不同溫度的Al-Si合金熔體中的氫含量：（1）測(cè)量了Al-Si合金液態(tài)的氫含量丰扁；（2）測(cè)量了過(guò)熱10°C時(shí)的Al-Si合金熔體的氫含量断猩；（3）測(cè)量了過(guò)熱100°C時(shí)Al-Si合金熔體中的氫含量善婉。結(jié)果表明，三種溫度范圍的Al-Si合金熔體中的氫含量的曲線具有與液相線變化相類似的關(guān)系肪瘤。并對(duì)亞共晶區(qū)抄瓦、共晶區(qū)和過(guò)共晶區(qū)的氣孔率進(jìn)行了金相分析與觀察，也得出了類似的結(jié)果：即在共晶點(diǎn)附近陶冷，氣孔率最懈奇ⅰ；在亞共晶區(qū)和過(guò)共晶區(qū)氣孔率都相應(yīng)地增加埂伦。

    氫在Al-Si合金熔體中以三種方式存在煞额，即原子氫、分之氫和化合物狀態(tài)的氫沾谜。由于材料熔體中含有夾雜元素但其含量相當(dāng)少膊毁，故試樣中以化合物形態(tài)存在的氫相當(dāng)少，可以忽略基跑。氫主要以間隙固溶體的形式存在于Al合金中婚温。孟慶格、邊秀房等人對(duì)Al-Si合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了X射線衍射分析媳否，從中獲取了Al-Si合金熔體中Si含量與氫含量之間的內(nèi)在聯(lián)系栅螟，分析得出2點(diǎn)結(jié)論：（1）鋁合金熔體中氫含量的多少或氣孔的生成率與Al-Si合金在不同過(guò)熱條件下的原子密度有關(guān)。隨著Si含量的增加篱竭，原子密度逐漸增加嵌巷，在共晶區(qū)附近達(dá)到最大值。此后芭贬，隨著Si含量的增加恋都，原子密度又逐漸減少。原子密度越大坚呜，氫含量越小程伞，當(dāng)溫度升高，原子密度則會(huì)減少闸虹，從而導(dǎo)致氫含量增加暴既，但當(dāng)溫度高于875°C辽察，原子密度降低的速率卻變慢了。（2）在給定成分的合金磁饮，對(duì)不同過(guò)熱度的氫含量曲線來(lái)說(shuō)腰步，隨著過(guò)熱度增大，氫含量的曲線將上移减少。

加Al-Si合金進(jìn)行鈹?shù)募す夂附踊?/span>TIG焊接堆鸦，其保護(hù)條件不是處在真空狀態(tài)，而是氣體保護(hù)狀態(tài)填抬。焊接后在焊縫中存在不同數(shù)量的氣孔烛芬，同時(shí)還在焊縫的根部存在縮孔。有時(shí)還有夾雜物（特別是非金屬夾雜物）存在飒责。上述缺陷的存在往往導(dǎo)致焊縫的力學(xué)性能變壞赘娄，使焊縫的氣密性和抗腐蝕性能下降。

4 填充材料的厚度

填充材料厚度對(duì)鈹焊接質(zhì)量的影響很大宏蛉。張友壽等人^[20]曾經(jīng)采用0.2-1.0mm厚的Al-Si合金填充材料對(duì)鈹進(jìn)行過(guò)激光束焊接的實(shí)驗(yàn)研究遣臼，并獲得3點(diǎn)結(jié)果：（1）按高能束的束斑直徑考慮加入Al-Si合金片的厚度。激光束拾并、電子束和微束等離子焊經(jīng)過(guò)聚焦后揍堰，束斑的直徑都很小，通常只有零點(diǎn)幾mm甚至更細(xì)辟灰，如果填充材料較厚个榕，束斑只能照射到填充材料上篡石，只加熱熔化填充材料芥喇，而鈹母材本身熔化得很少，往往造成焊接連接不好或未連接上凰萨。（2）對(duì)激光焊接來(lái)說(shuō),激光對(duì)Al-Si合金和鈹材料的反射率不一樣继控，在焊接時(shí)，激光能的高斯峰值至少應(yīng)有三分之二照射到Al-Si合金填充材料片上笤碍，其余的激光能量照射到鈹母材上况饥，這樣才能在焊接時(shí)形成激光能量的合理分配，使焊接連接的質(zhì)量能夠得到保證支赖。（3）根據(jù)鈹焊縫中填充材料的成分控制和選擇填充材料的厚度荸冒。首先，必須確認(rèn)所加填充材料的厚度不致使鈹?shù)暮附娱_裂访跪。在這個(gè)基礎(chǔ)上確定填充材料的厚度扬饰。資料已經(jīng)報(bào)道，當(dāng)鈹焊縫中Al-Si合金的平均含量大于20%時(shí)化威，鈹焊縫才不會(huì)開裂班跟。由試驗(yàn)確定鈹?shù)碾娮邮图す馐附逾斒褂玫奶畛洳牧系淖罴押穸葢?yīng)為0.3-0.4mm属荤。當(dāng)Al-Si合金片的厚度小于0.3mm時(shí)，將導(dǎo)致焊縫中填充材料的平均鋁含量降低板径，抑制焊縫開裂的傾向就很小就初。當(dāng)填充材料厚度大于0.8mm時(shí)，高能束密度焊接的束斑只照射到填充材料上疾捍，只能加熱熔化填充材料部分奈辰，而鈹母材則相對(duì)熔化得很少，難以形成良好的連接拾氓，或者造成未熔合乃至脫焊冯挎。采用氣體保護(hù)鎢極電弧焊接，由于焊縫的熱輸入大咙鞍，焊縫的深寬比較小房官，焊縫的熔深比較淺，鈹母材熔化的量較多续滋，因此所加填充材料的厚度可以適當(dāng)增加一些翰守。張友壽等人在鈹?shù)逆u極電弧焊接中，使用0.4-1.0mm等不同厚度的Al-Si合金填充材料都可以使鈹?shù)暮附硬划a(chǎn)生開裂疲酌。

    在Al-Si合金中蜡峰，當(dāng)硅的含量≤5%時(shí)，合金的流動(dòng)性不太好朗恳。當(dāng)硅含量在5%-15%的范圍內(nèi)湿颅，隨著硅含量的增加，流動(dòng)性也增加渠余。當(dāng)硅含量達(dá)到15%的過(guò)共晶成分時(shí)斟策，流動(dòng)性最好。當(dāng)硅的含量超過(guò)15%采散，其流動(dòng)性反而減少胡傅。流動(dòng)性減少的原因是：（1）Si的熔化潛熱比基體金屬Al的熔化潛熱大許多，使合金液體的流動(dòng)性隨Si含量的增加而變好猩琳。（2）液體金屬的流動(dòng)性可以用某一特定條件下流動(dòng)的長(zhǎng)度來(lái)表示母烘。長(zhǎng)度的極大值不在共晶成分（含Si量為12%）范圍，而是移向右邊的過(guò)共晶成分（Si含量為15%）一邊侈兄，這是因?yàn)?/span>Al-Si合金在急冷的非平衡條件下惨侵，共晶點(diǎn)偏移到過(guò)共晶一邊的原因。

5 填充材料的加入方法

    從鈹?shù)暮附舆^(guò)程來(lái)看版痪，加填充材料的方法會(huì)受到一些限制蓉肤。象焊接界常使用的送絲機(jī)構(gòu)或送粉式加入填充材料的方法則用的很少。另外，由于目前沒有使用填充材料焊條焊接鈹继射，所以佣盒，焊接時(shí)焊件不能開成V型坡口。

5.1 夾入式加入顽聂。

將鈹件加工止口時(shí), 留出填充材料厚度的余量肥惭。在加工鈹?shù)暮附蛹r(shí)，同樣用機(jī)加工的方法加工Al-Si合金片紊搪。在對(duì)加工時(shí)蜜葱，可以將數(shù)片0.4mm厚的Al-Si合金重疊在一起, 裝在一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的專用夾具內(nèi)，這樣一次可以加工多片填充材料耀石，同時(shí)還可防止Al-Si合金變形牵囤。在焊接前，將加工好的填充材料作清潔處理和除氣處理后滞伟，再進(jìn)行裝配和焊接揭鳞。夾入式加入的填充材料，焊縫的成型質(zhì)量好梆奈，焊縫熔池中Al-Si合金的含量相對(duì)均勻野崇。

5.2 送入式加入 

鈹在焊接后經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)產(chǎn)生的氣孔缺陷需要進(jìn)行補(bǔ)焊亩钟，補(bǔ)焊時(shí)可以用送粉機(jī)構(gòu)將Al-Si合金粉體材料加入乓梨。填充材料直接送入氣孔處，然后用激光束照射粉體材料使之熔化林慷，封住氣孔浓蜈。用粉體材料填充補(bǔ)焊，存在焊縫成型不好否胸、焊縫成分的均勻性差芳迅、粉體材料與原焊縫（鈹鋁硅熔化形成的焊縫）的潤(rùn)濕效果差和粉體材料比表面大易氧化等問題。但由于氣孔是整個(gè)焊縫中的一個(gè)局部位置或微小的區(qū)域沫十，補(bǔ)焊時(shí)存在局部位置的填充材料的堆垛蛋昙，補(bǔ)焊后再用機(jī)械打磨的方法進(jìn)行修復(fù)是允許的宵绒。另外建淘，也可以采用腐蝕性較低的釬劑，以去除焊縫浴恐、鈹及釬料表面的氧化膜咪枷，改善填充材料對(duì)鈹?shù)臐?rùn)濕性，提高釬接質(zhì)量总枢。

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