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?，即或是采取合理的焊接方法及工藝參?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?，絕大多數(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?cè)O(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(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]。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?。激光焊接在使用填充材料方面，引用了電子束焊和TIG焊的研究成果。通過對(duì)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(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。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?，其價(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(duì)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(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)。
鋁在液態(tài)下對(duì)氫有很高的溶解度，有資料報(bào)道[7]，鋁合金中的氫含量可占85%以上。如在固態(tài)下為0.034ml/100gAl,在液態(tài)的溶解度為0.65ml/100gAl。二者相差了19.1倍。鋁中氫的主要來源于鋁液與水蒸汽的反應(yīng)，液態(tài)鋁中氣體分壓之比為：PH2/PH2O=7.3×1014，表明即使PH20很小，平衡的PH2也可達(dá)到很大。當(dāng)鋁液溫度升到727℃時(shí)，在相當(dāng)于干燥空氣條件(PH2O=2.59×10-20Pa)鋁液也能跟水汽發(fā)生反應(yīng)。這說明,即或是相當(dāng)干燥的環(huán)境或干燥容器的器壁對(duì)鋁液來說都是潮濕的，也還會(huì)使其吸氫。
Al2O3氧化物在焊接攪拌力的作用下，多以夾雜物的形式存在于焊縫中。研究表明：鋁液中的氧化物與氣體氫之間存在共生關(guān)系。鋁很容易被Al2O3氧化物和氣體氫污染，因此，兩者在鋁液中很難去除。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。但靠外側(cè)的氧化膜則是疏松的，氧化膜內(nèi)存在Φ5-10nm的小針孔，被氫、空氣、水汽所占踞。因此，氧化鋁膜中通常至少含有1%-2%的水汽。這樣看來，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，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，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)，此類氧化物的危害性極大，但容易去除；2)產(chǎn)生尺寸為10-20μm的氧化物；3)含有尺寸<10μm的氧化物。在這三類氧化物在焊接時(shí)，容易通過攪拌力混入熔池中，會(huì)使焊縫增加氣體和氧化物夾雜物。(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，其特點(diǎn)是熔點(diǎn)高，非常穩(wěn)定，能吸潮，不易去除。防礙對(duì)鈹?shù)臐櫇?，可在鈹焊縫中生成氣孔。Al2O3為α、β兩種變體，密度比鋁高(3.9-4.0g/cm3)，熔點(diǎn)高達(dá)2050。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。
3.3Al-12Si合金填充材料的性能、結(jié)構(gòu)及其吸氫特性
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，防止鈹焊接開裂。Al-Si合金與鈹?shù)娜埸c(diǎn)差很大，在焊接冷卻過程中，當(dāng)液態(tài)鈹開始凝固形核結(jié)晶時(shí)，Al-Si合金還處于液態(tài)。液態(tài)的Al-Si合金去充填凝固鈹?shù)奈⒘鸭y，因此，Al-Si合金是鈹焊接中比較成功的填充材料。從20世紀(jì)60年代開始直到現(xiàn)在，不管焊接鈹?shù)姆椒ㄈ绾巫冞w，Al-Si合金一直是焊接鈹使用得比較多的一種填充材料。Al-Si合金中的硅含量很高，增加了在液態(tài)的流動(dòng)性，熱收縮比鋁小，焊縫的氣密性較好，熱裂的傾向性小。Al-Si合金經(jīng)過適當(dāng)條件的熱處理，有著優(yōu)良的物理性能、力學(xué)性能和加工性能。與其它鋁合金相比，其抗腐蝕性能也比較好。在鈹?shù)暮附又?，鋁與鈹、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。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，因?yàn)殇X為低密度材料，中子的吸收截面為0.22靶，加硅后并不影響Al-Si合金的整體核性能，因?yàn)楣璧臒嶂凶游战孛姹蠕X還要小，只有0.13靶。因此，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，盡管屬于小平面相，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，{100}和{111}兩個(gè)面為粗糙界面。在Al-Si合金中，隨著硅不同，其凝固條件和成分所表現(xiàn)出的生長行為存在著差別。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，Si晶體存在少量孿晶。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，這些行為也導(dǎo)致小角度分枝、分裂以及兩者的并行行為的存在。
在20世紀(jì)80年代初，根據(jù)界面動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，提出了小面-非小面轉(zhuǎn)變學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，隨著生長速度的增加，Si存在小面生長向非小面生長轉(zhuǎn)變。Si相貌及尺寸的變化與凝固過程中的共晶過冷度密切相關(guān)。在過冷度較小的情況下，Si相以小面化的側(cè)面生長方式生長；當(dāng)過冷度增加時(shí)，Si則以非小面的均勻(uniformgrowth)方式生長。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、Sr、Re等元素[8，9]，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，使共晶過冷度增大，共晶Si由粗大的板條狀(或針狀)轉(zhuǎn)變成細(xì)小的纖維狀，即共晶Si的生長方式發(fā)生了改變。
但是，鈹焊接用的Al-Si合金要求較高，不希望有象Na、Sr、Re等這樣的元素存在，因?yàn)樗鼈兊拇嬖诳赡軙?huì)在焊縫中形成新的腐蝕源，對(duì)焊接構(gòu)件的使用會(huì)帶來不利影響。因此，必須采用其它方法來改善焊接鈹?shù)奶畛洳牧螦l-Si合金中共晶Si形貌和尺寸。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。SiO的顏色為黑色或棕黑色，這一情況在Al-Si合金的處理中也已經(jīng)遇到過。Si和O2的反應(yīng)在400。C以上進(jìn)行。Al-Si合金中的鋁與水反應(yīng)：2Al＋6H2O→2Al(OH)3＋3H2↑，熔化的鋁與周圍的水汽反應(yīng)劇烈，其中的Si與水作用生成SiO2和H2↑。在高溫下，Si也會(huì)與水蒸氣作用產(chǎn)生H2↑。
