填充材料Al-Si合金的表面处理及状态分析.PDFVIP

1 填充材料 Al-Si 合金的表面处理及状态分析 张友寿 1 仲敬荣 1 黄火根 2 殷雪峰 1 (1 中国工程物理研究院，四川绵阳 919 信箱 71 分箱 621900) （2 表面物理与化学重点实验室 四川绵阳 718 信箱 35 分箱 621907） 摘要：对铍激光焊接工艺进行 FMECA 分析，把 “裂”、“漏”、“浅”、“变”等确定为铍激光的主要故障模式，试验研究表明， 添加填充材料 Al-Si 合金是抑制铍焊接件开裂和焊缝裂纹最有效的技术途径之一。但“裂”、“漏”、“浅”等三种故障模式与 Al-Si 合金的表面状态难脱干系。本文对填充材料 Al-Si 合金表面处理前后的表面状态进行了分析，结果表明：（1）采用清 洁干净的 Al-Si 合金焊接铍，限制了一些促进气孔生成的杂质元素的带入焊缝，表面处理能降低铍焊接气孔，对提高焊接质 量有利。（2）用 NaOH 溶液对 Al-Si 合金蚀刻处理后，采再经 HNO3水溶液中和，表面的硅颗粒富集，但不会影响铍的焊接质 量。 关键词：铍焊接 填充材料 Al-Si 合金 表面处理 表面状态分析 0 引言 Al-Si 合金是焊接铍使用的一类最重要的填充 材料，它能有效地降低铍熔焊时的裂纹敏感性。但 加入 Al-Si 合金填充材料进行铍的气体保护熔焊 （如激光焊或 TIG 焊），容易在焊接接头的熔化区 产生过量的气孔 [1] 。铍是焊接性能很差的材料，如 果没有填充材料参与冶金化学反应，就很难通过焊 接结构设计、焊接方法及工艺等方面的协调控制作 用把铍熔焊时的开裂和裂纹的敏感性降下来。因 此，采用填充材料焊接铍早已成为防止铍焊接裂纹 最重要的手段之一，而且已被大量的焊接实验的成 功例证所证实。使用填充材料焊接铍的研究工作最 早起源于 20 世纪 60 年代初，但这一方法一直延续 到铍熔焊的全过程。焊接铍选择和使用填充材料的 原则，笔者在文献[2]已经作了明确阐述。为了限 制铍焊缝气孔的生成，在焊接工艺执行的过程中， 除了进行非常严格的焊接保护措施外，对填充材料 Al-Si 合金也进行了必要的表面处理以去除表面的 氧化物和其它沾污，但在过去的很多研究中没有对 Al-Si 合金表面处理所产生的效果和作用以及表面 状态进行过分析。在铍焊接工艺FMECA分析研究中， 通过对铍焊接工艺引起的故障模式进行分析、归纳 和总结，认为填充材料 Al-Si 合金的净化处理对限 制气孔和裂纹的生成、提高铍的焊接质量产生了明 显的效果。本文结合激光焊接铍工艺过程的 FMECA 研究，对 Al-Si 合金表面处理前后的表面状态进行 了分析和测试，目的是弄清各个工艺工序独立的功 能关系，认识填充材料 Al-Si 合金表面处理对改善 焊接质量产生的效果。 1 表面处理与实验分析 1.1 表面处理工序 将机加工的 Al-Si 合金或者 Al-Si 合金的原始 板材，经过外观目视（或使用 8X 放大镜）检查合 格后，放入浓度为 10%的 NaOH 溶液中，温度控制在 50℃左右，蚀刻 8min，取出用 70℃-90℃的热水漂洗干净。再在 50%的 HNO3水溶液 中和 5min。取出后用清水漂洗干净， 技术基础研究项目，批准文号：科工技[2009]第 1284 号。 张友寿：四川广元市人，1977 年毕业于清华大学核 材料专业，研究员，主要从事核材料的焊接研究。 再用酒精或丙酮脱水，然后放入真空烘箱内，加热 100℃，烘烤 1h。 1.2 表面状态分析 样品经过化学蚀刻处理后，在 10d 内完成所有 的分析工作。主要采用金相显微镜、扫描电镜以及 扫描电镜附带的能谱仪，对表面产生的特征区域进 行观察和成分测定；用原子力显微镜对试样的表面 形貌进行了 AFM 分析。 2 结果与讨论 2.1 铝合金对铍焊接质量的影响 2 铍是难焊接的金属，成功焊接铍需要加焊接填 充材料。由于铍材料的特殊性，只有很少几种能与 铍反应形成共晶的金属才能作熔焊铍的填充材料， 铝硅合金就是其中之一种。但添加焊接填充材料增 加了焊接工艺过程的复杂性，其影响铍焊接质量的 一些故障模式也在相应增加。 （1）铝合金抑制铍焊接裂纹的冶金作用规律。 铝和硅与铍熔化后都可形成共晶合金，没有脆性相 生成，能明显降低焊接裂纹的敏感性。抑制焊接裂 纹可以从两个方面理解：①在焊接熔化区，充分利 用含 12%硅的铝硅合金熔点低（577℃），液态流动 性好，共晶反应充分等特点，充填于优先凝固结晶 的铍晶粒周围的缝歇，并润湿铍，与铍一起凝固形 成形成共晶合金。此过程没有脆性相产生，热裂纹 被抑制；②目前焊接的铍为粉末冶金材料。在加热 过程中，铍的热影响区会有微裂纹形成