1.引 言
鈹與鈹直接
熔化焊，容易在
冷卻過程中產(chǎn)生凝固
裂紋。 鈹?shù)倪@種
開裂缺陷往往導(dǎo)致
焊接失敗。另外，如果不加填充材料進(jìn)行鈹?shù)暮附樱椿蚴遣扇『侠淼暮附臃椒肮に噮?shù)，也還是難以使鈹?shù)暮附荧@得成功。這說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，相當(dāng)于
鑄造冶煉過程，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，不能承受焊接
熱應(yīng)力及熱
變形的作用。
在焊接過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。這些污染物通過焊接攪拌進(jìn)入熔池中，并以夾雜物的形式存在于焊縫之中，使本來就很難焊接的鈹更是雪上加霜。早在20世紀(jì)50年代末，在鈹焊接的初創(chuàng)時(shí)期，國外曾經(jīng)采用過不加填充材料進(jìn)行鈹?shù)娜刍附覽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，在焊接過程中還實(shí)行了
預(yù)熱措施。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^大多數(shù)焊接實(shí)驗(yàn)沒有取得成功，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。
在20世紀(jì)80年代，國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，其結(jié)果導(dǎo)致焊接成功的比例也沒有明顯增加。根據(jù)這種情況，人們設(shè)法使用填充材料焊接鈹，只要添加合適的焊接填充材料，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。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，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、種類以及填充材料與鈹在焊接過程中的相互作用等問題展開分析和討論。
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，從事鈹焊接的工藝研究人員就對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]。并在當(dāng)時(shí)使用了比較先進(jìn)的EB（電子束）焊、TIG（氬弧）焊接技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。后來在激光技術(shù)發(fā)展趨于成熟后，又開展了鈹?shù)募す夂附友芯俊＜す夂附釉谑褂锰畛洳牧戏矫妫昧穗娮邮负蚑IG焊的研究成果。通過對實(shí)驗(yàn)技術(shù)的總結(jié)和理論分析，形成了鈹焊接填充材料的選擇原則，歸納起來有下面3條：
1） 填充材料在液態(tài)下能夠很好地潤濕鈹母材。
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。
3） 填充材料的
熔點(diǎn)最好低于鈹母材的熔點(diǎn)。
根據(jù)上述三條基本原則，在選擇鈹焊接填充材料時(shí)，首先考慮到與鈹能形成共晶合金的一些金屬及合金，如
純鋁、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，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。最好避免使用與鈹形成金屬間化合物的材料。到目前為止，鈹?shù)拟F接焊使用過的填充材料只有純鋁、Al-Si合金、Al-12Si-1.5Mg合金、純Ag、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。
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，鋁在地球上的儲量相當(dāng)大，制造和冶煉鋁的技術(shù)在目前研究得比較深入。其實(shí)，
鋁材在20世紀(jì)中期就已經(jīng)系列化，因此，用鋁作鈹?shù)暮附犹畛洳牧希鋬r(jià)格很便宜。鋁在元素周期表中位于第三周期ⅢA族元素，原子序數(shù)為13，原子量為26.98154，鋁原子的外圍電子構(gòu)型為3S23P1。鋁的13個(gè)電子在各層軌道上分布為1S22S22P63S23P1。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+）。如果失去1個(gè)3P電子，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。鋁為面心立方晶格金屬，其晶格參數(shù)為4.04956×10-10m；當(dāng)體積為999.6mm3/mol原子時(shí)，其密度為2.6987g/ cm3；鋁的比
強(qiáng)度（
抗拉強(qiáng)度和密度的比值-σｂ/γ）高。
導(dǎo)熱和
導(dǎo)電性能良好，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）；在熔點(diǎn)附近，熱導(dǎo)率將減少到2.1×10-2W/（m.K）；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）；在1250K時(shí)，增至1.0×10-2W/（m.K）。鋁對光和熱具有強(qiáng)烈的反射能力，可反射95%的熱線。純鋁沒有磁性，不會(huì)產(chǎn)生附加磁場。鋁的延展性可達(dá)25%，可采用鍛造、
擠壓和輥軋的方法加工成
焊絲或片狀材料。鋁有吸附環(huán)境水氣之能力，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)，鋁的熔化熱為10.71±0.21KJ/mol原子（或396J/g）；熔化熵為11.5J/（mol原子.K）。鋁的蒸發(fā)熱為306KJ/mol原子（或113J/g；）；蒸發(fā)熵為112J/（mol原子.K）。
比熱容：在298-933K區(qū)間，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，a=4.94，b=2.96×10-3。液態(tài)鋁的熱容大約為31.76J/（mol.K）。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。用純鋁作填充材料焊接鈹時(shí)，純鋁與鈹熔化凝固結(jié)晶，發(fā)生共晶反應(yīng)，所形成的合金為二元共晶合金。但在實(shí)際焊接中，焊縫的組織存在許多偏析，這取決于鈹和鋁的熔化量。經(jīng)分析，焊縫存在共晶成分或偏離共晶點(diǎn)的過共晶成分一側(cè)。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，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，填隙能力要比Al-Si合金差一些。
3.2 鋁的
氧化污染狀況分析
在室溫下，鋁即存在明顯的氧化趨勢。鋁表面的氧化反應(yīng)，實(shí)際上在2h后就會(huì)明顯減弱，這時(shí)的
氧化膜厚度為2.5-5.0nm。在濕氣存在的情況下，氧化膜厚度可達(dá)10nm。經(jīng)過14天以后，氧化膜的厚度趨于穩(wěn)定。鋁中一般含有0.002-0.02(質(zhì)量)%氣體，表面存在的一薄層氧化物，在焊接前如果清理不干凈，這些氧化物可在焊縫中形成氧化物夾雜。在室溫下，鋁表面形成致密的Al2O3氧化物，其結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)。鋁表面Al2O3氧化物的厚度為2-10nm，隨著溫度的增加，氧化物的厚度要不斷增加，當(dāng)溫度為500℃時(shí)，氧化膜的厚度增長到30nm；溫度到達(dá)或者接近熔點(diǎn)時(shí)，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)，隨著溫度升高，Al2O3氧化物要產(chǎn)生α、β、γ和γ＇相變，700-710℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣? Al2O3。當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，開始轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3結(jié)構(gòu)。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，鋁表面上總有一些或少量氧化物存在，了解了Al2O3氧化物的一些表面特性對鈹?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)不同的作用過程：
（1）氧在新鮮干凈的鋁表面碰撞接觸（物理吸附）；
（2）通過化學(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)）；
（3）氧化膜隨時(shí)間的延長而增厚。
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，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，在進(jìn)行焊接時(shí)，從Al2O3氧化物還原鋁幾乎不可能；（3）熔化溫度高，在鋁填充材料和鈹材料早已熔化，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，
塑性比鋁低，具有較高
硬度和脆性；（5）線脹系數(shù)僅為鋁的1/3，在焊接
加熱時(shí)，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)。
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