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填充材料Al-Si合金的表面处理及状态分析
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
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