焊接铍使用的铝及Al-Si合金填充材料（三）

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　　Al-Si合金的宏微观组织结构、晶粒尺寸、杂质含量、合金的均匀化程度以及表观质量对焊接接头的力学性能、耐蚀性能、使用性能以及表面质量等都会产生重要影响。Al-Si合金是一种典型的共晶型合金。其共晶成分为Al+12.5%Si(质量分数，%)，共晶温度为577℃。在此温度下，合金液体交替结晶析出α-Al和第二相β-Si，Al与Si形成共晶体。α-Al是硅在铝中的固溶体，β-Si是铝在硅中的固溶体，β-Si相的量少、而且性脆；α-Al相的含量高、但非常软韧。经过共晶转变形成的α相和β相，是一种三维网状结构和树枝状结构。由Al-Si合金二元合金相图可知，在共晶温度下平衡条件结晶时，Si在铝中的溶解度为1.65%，冷至室温时则降为0.05%，而铝在β-Si中的溶解度极低。在非平衡条件下凝固结晶形成过饱和固溶体，这时Si的含量可达到3%左右。实际上对Al-Si合金可以这样理解：铸态Al-Si合金的组织在室温下就是金属铝(α相)与单晶硅(β相)通过熔炼所构成的混合物。

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　　铍在非真空条件下的激光焊接，加Al-S¡合金填充材料在焊缝中出现的主要缺陷是焊接气孔和缩孔。人们早已知道，纯铝在焊接或铸造时的加热过程中会吸收环境中的氢，冷却时熔体要释放氢,形成以氢为特征的氢气孔，从而影响铝加工的质量。这表明铝及铝合金焊接形成的气孔主要是与氢含量有关。

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　　文献[10]报道，Si能降低氢在铝熔体中的溶解度，对铝熔体的吸氢能力起到抑制作用。孟庆格、边秀房等人对自制的Al-Si合金熔体的氢含量进行了测量和分析。测量时的环境相对湿度为55%左右(山东地区)，他们共测量了三种不同温度的Al-Si合金熔体中的氢含量：(1)测量了Al-Si合金液态的氢含量；(2)测量了过热10°C时的Al-Si合金熔体的氢含量；(3)测量了过热100°C时Al-Si合金熔体中的氢含量。结果表明，三种温度范围的Al-Si合金熔体中的氢含量的曲线具有与液相线变化相类似的关系。并对亚共晶区、共晶区和过共晶区的气孔率进行了金相分析与观察，也得出了类似的结果：即在共晶点附近，气孔率最小；在亚共晶区和过共晶区气孔率都相应地增加。

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　　氢在Al-Si合金熔体中以三种方式存在，即原子氢、分之氢和化合物状态的氢。由于材料熔体中含有夹杂元素但其含量相当少，故试样中以化合物形态存在的氢相当少，可以忽略。氢主要以间隙固溶体的形式存在于Al合金中。孟庆格、边秀房等人对Al-Si合金的液态结构进行了X射线衍射分析，从中获取了Al-Si合金熔体中Si含量与氢含量之间的内在联系，分析得出2点结论：(1)铝合金熔体中氢含量的多少或气孔的生成率与Al-Si合金在不同过热条件下的原子密度有关。随着Si含量的增加，原子密度逐渐增加，在共晶区附近达到最大值。此后，随着Si含量的增加，原子密度又逐渐减少。原子密度越大，氢含量越小，当温度升高，原子密度则会减少，从而导致氢含量增加，但当温度高于875°C，原子密度降低的速率却变慢了。(2)在给定成分的合金，对不同过热度的氢含量曲线来说，随着过热度增大，氢含量的曲线将上移。

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　　加Al-Si合金进行铍的激光焊接或TIG焊接，其保护条件不是处在真空状态，而是气体保护状态。焊接后在焊缝中存在不同数量的气孔，同时还在焊缝的根部存在缩孔。有时还有夹杂物(特别是非金属夹杂物)存在。上述缺陷的存在往往导致焊缝的力学性能变坏，使焊缝的气密性和抗腐蚀性能下降。

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　　4填充材料的厚度

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　　填充材料厚度对铍焊接质量的影响很大。张友寿等人[20]曾经采用0.2-1.0mm厚的Al-Si合金填充材料对铍进行过激光束焊接的实验研究，并获得3点结果：(1)按高能束的束斑直径考虑加入Al-Si合金片的厚度。激光束、电子束和微束等离子焊经过聚焦后，束斑的直径都很小，通常只有零点几mm甚至更细，如果填充材料较厚，束斑只能照射到填充材料上，只加热熔化填充材料，而铍母材本身熔化得很少，往往造成焊接连接不好或未连接上。(2)对激光焊接来说,激光对Al-Si合金和铍材料的反射率不一样，在焊接时，激光能的高斯峰值至少应有三分之二照射到Al-Si合金填充材料片上，其余的激光能量照射到铍母材上，这样才能在焊接时形成激光能量的合理分配，使焊接连接的质量能够得到保证。(3)根据铍焊缝中填充材料的成分控制和选择填充材料的厚度。首先，必须确认所加填充材料的厚度不致使铍的焊接开裂。在这个基础上确定填充材料的厚度。资料已经报道，当铍焊缝中Al-Si合金的平均含量大于20%时，铍焊缝才不会开裂。由试验确定铍的电子束和激光束焊接铍使用的填充材料的最佳厚度应为0.3-0.4mm。当Al-Si合金片的厚度小于0.3mm时，将导致焊缝中填充材料的平均铝含量降低，抑制焊缝开裂的倾向就很小。当填充材料厚度大于0.8mm时，高能束密度焊接的束斑只照射到填充材料上，只能加热熔化填充材料部分，而铍母材则相对熔化得很少，难以形成良好的连接，或者造成未熔合乃至脱焊。采用气体保护钨极电弧焊接，由于焊缝的热输入大，焊缝的深宽比较小，焊缝的熔深比较浅，铍母材熔化的量较多，因此所加填充材料的厚度可以适当增加一些。张友寿等人在铍的钨极电弧焊接中，使用0.4-1.0mm等不同厚度的Al-Si合金填充材料都可以使铍的焊接不产生开裂。

　　在Al-Si合金中，当硅的含量≤5%时，合金的流动性不太好。当硅含量在5%-15%的范围内，随着硅含量的增加，流动性也增加。当硅含量达到15%的过共晶成分时，流动性最好。当硅的含量超过15%，其流动性反而减少。流动性减少的原因是：(1)Si的熔化潜热比基体金属Al的熔化潜热大许多，使合金液体的流动性随Si含量的增加而变好。(2)液体金属的流动性可以用某一特定条件下流动的长度来表示。长度的极大值不在共晶成分(含Si量为12%)范围，而是移向右边的过共晶成分(Si含量为15%)一边，这是因为Al-Si合金在急冷的非平衡条件下，共晶点偏移到过共晶一边的原因。

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　　5填充材料的加入方法

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　　从铍的焊接过程来看，加填充材料的方法会受到一些限制。象焊接界常使用的送丝机构或送粉式加入填充材料的方法则用的很少。另外，由于目前没有使用填充材料焊条焊接铍，所以，焊接时焊件不能开成V型坡口。

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　　5.1夹入式加入。

　　将铍件加工止口时,留出填充材料厚度的余量。在加工铍的焊接件时，同样用机加工的方法加工Al-Si合金片。在对加工时，可以将数片0.4mm厚的Al-Si合金重叠在一起,装在一个事先设计好的专用夹具内，这样一次可以加工多片填充材料，同时还可防止Al-Si合金变形。在焊接前，将加工好的填充材料作清洁处理和除气处理后，再进行装配和焊接。夹入式加入的填充材料，焊缝的成型质量好，焊缝熔池中Al-Si合金的含量相对均匀。

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　　5.2送入式加入

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　　铍在焊接后经质量检测，对产生的气孔缺陷需要进行补焊，补焊时可以用送粉机构将Al-Si合金粉体材料加入。填充材料直接送入气孔处，然后用激光束照射粉体材料使之熔化，封住气孔。用粉体材料填充补焊，存在焊缝成型不好、焊缝成分的均匀性差、粉体材料与原焊缝(铍铝硅熔化形成的焊缝)的润湿效果差和粉体材料比表面大易氧化等问题。但由于气孔是整个焊缝中的一个局部位置或微小的区域，补焊时存在局部位置的填充材料的堆垛，补焊后再用机械打磨的方法进行修复是允许的。另外，也可以采用腐蚀性较低的钎剂，以去除焊缝、铍及钎料表面的氧化膜，改善填充材料对铍的润湿性，提高钎接质量。

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