铝在液态下对氢有很高的溶解度，有资料报道[7]，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：PH2/PH2O=7.3×1014，表明即使PH20很小，平衡的PH2也可达到很大。当铝液温度升到727℃时，在相当于
干燥空气条件（PH2O=2.59×10-20Pa）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。
Al2O3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关系。铝很容易被Al2O3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Φ5-10 nm的小针孔，被氢、空气、水汽所占踞。因此，
氧化铝膜中通常至少含有1%-2%的水汽。这样看来，Al2O3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（>20μm），此类氧化物的危害性极大，但容易去除；
2）产生尺寸为10-20μm的氧化物；3）含有尺寸<10μm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：4Al+3O2→2Al2O3。铝合金在空气中及焊接时极易氧化生成氧化铝，其特点是熔点高，非常稳定，能吸潮，不易去除。防碍对铍的润湿，可在铍焊缝中生成气孔。Al2O3为α、β两种变体，密度比铝高（3.9-4.0g/cm3），熔点高达2050。2）与水反应：2Al＋6H2O→2Al（OH）3＋3H2↑，熔化的铝与周围的水汽反应剧烈。
3.3 Al-12Si合金填充材料的性能、结构及其吸氢特性
采用Al-12Si合金作填充材料焊接铍，能够有效地抑制铍焊缝中的微裂纹，防止铍焊接开裂。Al-Si合金与铍的熔点差很大，在焊接冷却过程中，当液态铍开始凝固形核结晶时，Al-Si合金还处于液态。液态的Al-Si合金去充填凝固铍的微裂纹，因此，Al-Si合金是铍焊接中比较成功的填充材料。从20世纪60年代开始直到现在，不管焊接铍的方法如何变迁，Al-Si合金一直是焊接铍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。
在铍的焊接中，铝与铍、铍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铍的较好的填充材料。
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Al-Si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晶体存在少量孪晶。片状共晶Si拥有两种分枝类型：1）与孪晶行为有关的大角度分枝行为，与{111}密排面成70.5º夹角；2）由于Si相和Al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关。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[8，9]，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的生长方式发生了改变。
但是，铍焊接用的Al-Si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铍的填充材料Al-Si合金中共晶Si形貌和尺寸。硅与O2的反应会产生两种结构不同的硅的氧化物：
1） 2Si+O2→2SiO；2） 2Si+ O2→2SiO2。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O2的反应在400。C以上进行。Al-Si合金中的铝与水反应：2Al＋6H2O→2Al（OH）3＋3H2↑，熔化的铝与周围的水汽反应剧烈，其中的Si与水作用生成SiO2和H2↑。在高温下，Si也会与水蒸气作用产生H2↑。
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Al+12.5%Si（质量分数，%），共晶温度为577℃。在此温度下，合金液体交替结晶析出α-Al和第二相β-Si，Al与Si形成共晶体。α-Al是硅在铝中的
固溶体，β-Si是铝在硅中的
固溶体，β-Si相的量少、而且性脆；α-Al相的含量高、但非常软韧。经过共晶转变形成的α相和β相，是一种三维网状结构和树枝状结构。由Al-Si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β-Si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（α相）与
单晶硅（β相）通过
熔炼所构成的混合物。
铍在非真空条件下的激光焊接，加Al-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。这表明铝及
铝合金焊接形成的气孔主要是与氢含量有关。
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（山东地区），他们共测量了三种不同温度的Al-Si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10°C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关系。并对亚共晶区、共晶区和过共晶区的气孔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Al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Al-Si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Al-Si合金在不同过热条件下的原子密度有关。随着Si含量的增加，原子密度逐渐增加，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。
上一页123下一页
