焊接铍使用的铝及Al-Si合金填充材料（一）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　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、Al-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ⅢA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3S23P1。铝的13个电子在各层轨道上分布为1S22S22P63S23P1。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4.04956×10-10m；当体积为999.6mm3/mol原子时，其密度为2.6987g/ cm3；铝的比强度(抗拉强度和密度的比值-σb/γ)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2.35-2.237×10-2W/(m.K)；在熔点附近，热导率将减少到2.1×10-2W/(m.K)；液体铝的热导率比固体铝要小得多，在熔点附近只有0.9×10-2W/(m.K)；在1250K时，增至1.0×10-2W/(m.K)。铝对光和热具有强烈的反射能力，可反射95%的热线。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) 　　式中，a=4.94，b=2.96×10-3。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。

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