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铍合金的焊接组织与结合性能

2020/6/14    作者:未知    来源:网络文摘    阅读:5

由于铍是低密度金属,具有优良的核性能、机械性能和高温尺寸稳定性,而被广泛地应用于核能技术、空间技术、X射线仪表、光子和家电系统等领域。很多应用需要对铍构件进行焊接组合。铍属于难焊接金属材料之一,通过研究,弄清焊接组织随工艺的变化规律,有助于焊接工艺人员改进焊接工艺,少走弯路,具有实际意义和科学价值。

研究铍:

—铍及铍—铝、铝硅合金的钎焊、钎接焊、烙焊的焊接组织特征和组合性能;Be–Al、Be–Monel合金等异种组织。共用了三类样品: Be–Be电子束焊接试样; Be–Al电子束焊接试样; Be–Monel合金焊接试样。研究内容包括:同种和异种材料焊接的金相组织的制样及侵蚀的方法的研究;弄清了钎焊、钎接焊、烙焊的组织特征与变化规律;焊接缺陷(气孔、裂纹、夹杂)的形态及其分布状况。

铍的异种金属焊接,除上述内容外,还使用相图和相容性分析了实现焊接结合的可能性。研究结果表明:铍与铍采用电子束焊接、钎焊或加异种材料烙焊,能够实现焊接结合,但焊接组织的差异性较大。铍与铝的烙焊焊缝的组织除了Be–Al共晶外,还有铝、铍的机械混合物。铍与Monel合金采用了熔焊焊接,由于铍与Monel合金各元素与相金属间化合物而导致焊接失败,因此,从组织分析角度出发,需要改变焊接方法。

用试验测定和理论计算相结合,分析了Be–Be焊缝中铝的含量。理论计算公式为Al(%)=Al/(Al+Be)′ 100%,二者都高于国外报道的铍焊缝中铝的含量范围,从而否定了文献推测的防止铍焊缝开裂的铝的含量。分析中还测定了焊缝的力学性能数据和显微硬度。


铍激光焊接的组织结构及力学性能:

人们在实践中已经认识到,铍是一种焊接性极差的材料。其焊接性差主要表现在钎接焊和熔化焊两个方面,其它焊接方法如钎焊、扩散焊等焊接方法相对钎接焊或熔焊要容易一些。目前激光焊接方法已经成为焊接铍的主导技术,焊接方式为钎接焊。在钎接焊过程中,铍母材和填充材料均要熔化,冷凝结晶形成焊缝。由于铍材料的特殊性,焊接涉及的因素较多,必须考虑铍材和填充材料的性能、尺度和前处理条件。铍系脆性材料,为了改善其焊接性,焊接时要加延性相对好的材料(如铝- 硅合金)作焊接填充材料,使其冶金反应的优势互补。

在焊接方法及工艺上,必须尽量限制铍的熔化量和防止焊缝受到污染,电子束焊接和激光焊接方法均属于高能束焊接,可以在一定程度上限制铍母材过多的熔化而防止接头质量变坏。由激光束与材料相互作用的热辐射过程,又分为激光热导焊和深熔焊。焊接时不预热,将导致焊接变形量难于控制,在其它因素影响的情况下,激光深熔焊接将导致铍母材和焊缝开裂的几率增大,而且,裂纹扩展的方向无规则,无规则的裂纹难于补焊。采用热导焊焊接铍,由于输给工件的能量较小,焊接熔深较浅,可使焊接成功的概率大为增加。针对激光热导焊的特点,用低功率参数焊接试样,并进行力学性能试验,对断口进行电子显微分析。此外,对并行焊接的金相样品,检测了焊接熔深、显微组织和缺陷。

在力学性能试样设计中,充分考虑两种因素:(1) 按国家标准的规定取样,国家标准GB 2651-89“焊接接头拉伸试验方法”中规定了管状试样的具体尺寸和形状。(2) 充分考虑到铍材料的脆性特征,设计的试样为易夹持拉伸的试样(见图1)。焊接的主要参数为:输入功率为1.2kW,焊接速度为700mm/min。保护气体流量在15~20L/min之间变化。填充材料为0.4mm厚的Al-Si合金。铍试样在机加工时的进刀量为0.08~0.12mm。机加工后,铍件经过真空除气处理后再焊接。其参数是真空度为10-2Pa,加热温度为200~400℃,保温时间2h。

经过金相检测发现:(1) 焊缝成形良好;(2) 焊缝及热影响区域没有贯穿性的焊接微裂纹;(3) 焊缝根部区域存在大小不等的缩孔,且大多沿焊缝呈链状分布,几乎沿环缝形成贯通态势,个别缩孔朝焊缝表面生长,离焊缝表面只有0.11mm厚;(4) 焊缝的结晶组织大多以细小的枝晶和等轴晶构成。根据金相检验结果得到的面积,计算出焊缝的抗拉强度值为181~252MPa。在焊接试样拉断后,用电子显微镜观察了断口形貌。结果表明,试样的大部分区域断在焊缝中,也有极少区段断在铍母材上。断口属于解理断裂-脆性断裂。个别试样存在较大的气孔缺陷,较大气孔约有f 0.47mm,几乎横贯整个焊缝。


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