焊接铍使用的铝及Al-Si合金填充材料

1、 焊接镀使用的铝及Al-Si合金填充材料 1引言 镀与镀直接熔化焊，容易在冷却过程中产生凝固裂纹。镀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镀的焊接，即或是采取合理的焊接方法及工艺参数，也还是难 以使镀的焊接获得成功。这说明镀焊接在工艺上实现的难度很大。其主要原因是：披直接熔化焊 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，加之镀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披在高温状态要与 周围环境的气体介质发生冶金化学反应，使披焊缝再次受到污染。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

2、中，使本来就很难焊接的披更是雪上加霜。早在20世纪 50年代末，在镀焊接的初创时期，国外曾经采用过不加 填充材料进行披的熔化焊接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披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 在开展镀的点焊试验时，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披，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

3、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披焊缝的结 晶微裂纹，防止镀焊缝开裂。下面就披焊接使用填充材料的基本选择原则、种类以及填充材料与披 在焊 接过程中的相互作用等问题展幵分析和讨论。 2填充材料的选择原则采用什么金属或合金作镀的焊接填充材料是镀焊接成功的尖键。早在20世 纪60-70年代，从事披焊接的工艺研究人员就对镀焊接使用的填充材料进行了大量的研究工作 234,5。并在当时使用了比较先进的EB （电子束）焊、TIG （氮弧）焊接技术进行实验验证。后来 在激光技术发展趋于成熟后，又开展了披的激光焊接研究。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。

4、通过对实验技术的总结和理论分析，形成了镀焊接填充材料的选 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镀母材。 2) 所使用的填充材料不能与镀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镀母材的熔点。根据上述三条基本原则，在选择彼焊接填充材料 时，首先考虑到与披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 根据镀的二元合金相图理论和实验研究都表明，比较好的填充材料应能与镀形成共晶型 合金的一类金属材料。最好避免使用与镀形成金属间化合物的材料。到目前为止，披的钎接焊使用 过的填充材料只有纯铝、Al-Si合金、

5、AI-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，用铝作披的焊接填充材料，其 价格很便宜。铝在元素周期表中位于第三周期川A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3S23P1o铝的13个电子在各层轨道上分布为1S*2S22F63S*3P1o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（AF+）。如果失去1个3P电子，则生成

6、一价铝 离子（AI+）。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 x 10-10m当体积为999.6mnn/mol原子时，其密度为2.6987g/ cm彳；铝 的比强度（抗拉强 度和密度的比值Cb/ 丫）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 x 102W/ （m.K）;在熔点附近，热导率 将减少到2.1x10-2W （/m.K） 液体铝的热导率比固体铝要小得多，在熔点附近只有0.9x10-%/ （m.K）;在1250K时，增至1.0 x 102W/ （m.K）。铝对光和热具有强烈的反射能

7、力，可反射95%勺热线。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 银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。 铝的熔化热和熔化癇：在933K时，铝的熔化热为10.71 0.21KJ/mol原子（或 396J/g ）;熔化燔为11.5J/ （mol原子.K）。铝的蒸发热为306KJ/m ol原子（或113 J/g ;）;蒸发 爛为 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尖系 Cp=a+bt （1） 3 式中，a=4.94，b=2.96 x 2。液态铝的热容大约为

8、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披时，纯铝与镀 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，这取决于镀和铝的熔化量。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。 3.2 铝的氧化污染状况分析 在室温下，铝即存在明显的氧化趋势。铝表面的氧化反应，实际上在 2h后就会明显 减弱，这时的氧化膜厚度为2.5-5.0nm。在湿气存在的情

9、况下，氧化膜厚度可达10nm经过 14天以后，氧化膜的厚度趋于稳定。铝中一般含有0.002-0.02 （质量）气体，表面存在的一薄 层氧化物，在焊接前如果清理不干净，这些氧化物可在焊缝中形成氧化物夹杂。在室温下，铝 表面形成致密的Ale氧化物，其结构为非晶态。铝表面Alm氧化物的厚度为2-1 Onm,随着温度的增 加，氧化物的厚度要不断增加，当温度为500 e时，氧化膜的厚度增长到30 nm 温度到达或者接近熔点时，氧化物的厚度可增至到200nm左右。AI2Q氧化物显示出与纯铝完 全不同的性质，随着温度升高，AI2Q氧化物要产生a、B、丫和丫 /相变，700-710 C转变为丫 - AbQ。当

10、温度高于900C时，开始转变为a -AI2Q结构。而纯铝从室温到熔点并不发生相变。不管 ALQ氧化物的化学成分和相产生何种变化，铝表面上总有一些或少量氧化物存在，了解了 AkQ氧 化物的一些表面特性对披的焊接是有意义的。铝与氧有很强的相互作用能力并 经历3个不同的作用 过程：（1）氧在新鲜干净的铝表面碰撞接触（物理吸附）；（2）通过 化学作用生成一层离解的氧化膜（化学吸附和化学反应）；（3）氧化膜随时间的延长而增厚。 Ale氧化物具有如下一些特性：（1） AbQ氧化物的保护特性良好，在一定的氧化阶段， 可凭借氧化物的这种特性防止铝与气体的进一步作用；（2）化学稳定性和高温稳定性好，在进 行焊接

11、时，从Alm氧化物还原铝几乎不可能；（3）熔化温度高，在铝填充材料和镀材料早已熔 化，AI 3氧化物还处于固态；（4） AI如3氧化物在液态铝和固态铝中的溶解度低，塑性比铝低，具有较高硬度和脆性；（5）线胀系数仅为铝的1/3，在焊接加热时，AIzq氧化物有时会产生开裂； （6） 4如3氧化物吸附水汽的能力比较强。 铝在液态下对氢有很高的溶解度，有资料报道，铝合金中的氢含量可占85%以上。如在 固态下为0.034ml/100g Al,在液态的溶解度为0.65ml/100g Al。二者相差了 19.1倍。铝中氢的 主要来源于铝液与水蒸汽的反应，液态铝中气体分压之比为：Ph/Ph2（=7.3 X 1

12、0巴表 明即使Ph2。很小，平衡的Ph2也可达到很大。当铝液温度升到727C时，在相当于干燥空气条件 （Ph2（=2.59 X 10-20Pa）铝液也能跟水汽发生反应。这说明，即或是相当干燥的环境或干燥容器的 器壁对铝液来说都是潮湿的，也还会使其吸氢。 AI2O3氧化物在焊接搅拌力的作用下，多以夹杂物的形式存在于焊缝中。研究表明：铝 液中的氧化物与气体氢之间存在共生尖系。铝很容易被 AI如3氧化物和气体氢污染，因此，两 者在铝液中很难去除。液相铝表面上的氧化膜紧靠铝液的一层是致密的，对铝液具有保护作用。但 靠外侧的氧化膜则是疏松的，氧化膜内存在5-10 nm的小针孔，被氢、空气、水汽所占踞。因

13、 此，氧化铝膜中通常至少含有1%2%勺水汽。这样看来，AbQ氧化物对焊接气孔 的形成起着重要作用。氢依附于氧化物生核主要是从热力学方面考虑的，对于铝处于高温下的氧化 物与气体之间的行为及相互作用机制，必须从氧化物的特性和结构出发进行分析。按氧化物的形态 可分为3大类：1 ）出现分布不均的大块氧化物（20卩m，此类氧化物的危害性极大，但容易去 除；2）产生尺寸为10-20卩m的氧化物；3）含有尺寸V10卩m的氧化物。在这三类氧化物在焊 接时，容易通过搅拌力混入熔池中，会使焊缝增加气体和氧化物夹杂物。（2）铝与氧的反应： 4AI+3Q- 2ALQ。铝合金在空气中及焊接时极易氧化生成氧化铝，其特点是

14、熔点高，非常稳定， 能吸潮，不易去除。防碍对彼的润湿，可在镀焊缝中生成气孔。AbOs 为a、B两种变体，密度比铝高（3.9-4.0g/cm 3），熔点高达2050。2）与水反应：2AI + 6HO -2AI （OH 3+ 3H4,熔化的铝与周围的水汽反应剧烈。 3.3 AI-12Si合金填充材料的性能、结构及其吸氢特性 采用AI-12SI合金作填充材料焊接披，能够有效地抑制镀焊缝中的微裂纹，防止披焊接 开裂。Al-Si合金与彼的熔点差很大，在焊接冷却过程中，当液态披幵始凝固形核结晶时，Al-Si 合金还处于液态。液态的Al-Si合金去充填凝固被的微裂纹，因此，Al-Si合金是披焊接中比较成 功

15、的填充材料。从20世纪60年代开始直到现在，不管焊接镀的方法如何变迁，Al-Si合金一直是 焊接披使用得比较多的一种填充材料。Al-Si合金中的硅含量很高，增加了在液态的流动性，热 收缩比铝小，焊缝的气密性较好，热裂的倾向性小。Al-Si合金经过适当条件的热处理，有着优良 的物理性能、力学性能和加工性能。与其它铝合金相比，其抗腐蚀性能也比较好。在披的焊接中， 铝与镀、镀与硅以及硅与铝等三者之间都发生共晶反应而没有金属间化合物生成。从核性能考虑， 加填充材料Al-Si合金对核性能的影响较小，因为铝为低密度材料，中子的吸收截面为0.22靶， 加硅后并不影响Al-Si合金的整体核性能，因为硅的热中子

16、吸收截面比铝还要小，只有0.13靶。 因此，Al-Si合金是被公认的焊接披的较好的填充材料。 Si属于面心立方晶格，尽管属于小平面相，但其 111密排面的Jackson因子数并不 高。Si晶体的111面为光滑界面，100和111两个面为粗糙界面。在AISi合金中，随 着硅不同，其凝固条件和成分所表现出的生长行为存在着差别。对未经变质处理的Al-Si合金，共 晶Si呈粗大的板条状，Si晶体存在少量李晶。片状共晶Si拥有两种分枝类型：1 ）与李晶行为 有尖的大角度分枝行为，与111密排面成70.5。夹角；2）由于Si相和AI相的热膨胀系数不 同，这些行为也导致小角度分枝、分裂以及两者的并行行为的存

17、在。 在20世纪80年代初，根据界面动力学观点，提出了小面非小面转变学说。该学说认 为，随着生长速度的增加，Si存在小面生长向非小面生长转变。Si相貌及尺寸的变化与凝固过程 中的共晶过冷度密切相尖。在过冷度较小的情况下，Si相以小面化的侧面生长方式生长；当过冷 度增加时，Si则以非小面的均匀（uniform growth ）方式生长。对Al-Si合金进行变质处理可以 使Si的形貌和尺寸改变，如在Al-Si合金中加入Na Sr、Re等元素r8.91，合金中的共晶温度（冷 却曲线中的共晶平台）比未变质的要低许多，使共晶过冷度增大，共晶Si由粗大的板条状（或针 状）转变成细小的纤维状，即共晶Si的生

18、长方式发生了改变。 但是，披焊接用的AISi合金要求较高，不希望有象Na Sr、Re等这样的元素存在，因为 它们的存在可能会在焊缝中形成新的腐蚀源，对焊接构件的使用会带来不利影响。因此，必须采 用其它方法来改善焊接镀的填充材料Al-Si合金中共晶Si形貌和尺寸。硅与Q的反应会产生两种 结构不同的硅的氧化物：1 ） 2SI+O2- 2SIO; 2） 2Si+O 22SCh。SiO的颜色为黑色或棕黑 色，这一情况在Al-Si合金的处理中也已经遇到过。Si和Q的反应在400C以上 进行。Al-Si合金 中的铝与水反应：2AI + 6HC-2AI （OH 3+ 3H21，熔化的铝与周围的水汽反应剧烈，

19、其中的Si与 水作用生成SiO?和H4。在高温下，Si也会与水蒸气作用产生H4。 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AI+125%Si （质量分数，%，共晶温度为577C。在此温度下，合 金液体交替结晶析出a -Al和第二相B -Si，Al与Si形成共晶体。aAI是 硅在铝中的固溶体，B -Si是铝在硅中的固溶体，B -Si相的量少、而且性脆；a -Al相的含量高、但 非常软韧。经过共晶转变形成的 a相和B相，是一种三维网状

20、结构和树枝状结构。 由AISi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BSi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（a相）与单晶硅（B相）通过熔炼所构成的混合物。 披在非真空条件下的激光焊接，加AI-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

21、表明铝及铝合金焊接形成的气孔主要 是与氢含量有尖。 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（111东地区），他们共测量了三种不同温度的AISi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10C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尖系。并对亚共晶区、共晶区和过共晶区的气 孔

22、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。 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AI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 AISi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AISi合金在不同过热条件下的原子密度 有尖。随着Si含量的增加，原子密度逐

23、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。 加Al-Si合金进行镀的激光焊接或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。 4填充材料的厚

24、度 填充材料厚度对披焊接质量的影响很大。张友寿等人【2】曾经采用0.210mm厚的AISi合 金填充材料对镀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，而镀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合金和披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披母材上，

25、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）根据镀 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镀 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，当镀焊缝中Al-Si合金的平均含 量大于20%时，披焊缝才不会开裂。由试验确定披的电子束和激光束焊接披使用的填充材料的最 佳厚度应为030.4mm。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，而披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脫焊。采用气体保护鸨极电弧 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，镀母材熔化的量较多，因此所加填充材料的厚度可以适当增加一 些。张友寿等人在披的鸨极电弧焊接中，使用0.4-1.0mm等不同厚度的Al-Si合金填充材料都可以 使披的焊接不产生开裂。 在Al-Si合金中，当硅的含量w 5%寸，合金的流动性不太好。当硅含量在5%15%勺范 围内，随