铍材料焊接难度的分析

铍材焊接很困难，其难度主要由铍材自身性能和焊接工艺这两个方面决定。可从8个方面探讨铍的焊接难度：（1）从铍材料的结构和性质来看，其室温延展性非常差，其延展性差还受杂质元素及含量的影响较为明显。铍属于密排六方晶格金属，在性能上表现出严重的各向异性特征，如铍在平行于c轴方向上的延展性非常差，这种性能上的各向异性会在焊接过程中导致不同方向上形变和应力的不均匀性。（2）如今粉末冶金技术仍然是铍材制备的主要工艺方法，经过几十年的发展，虽然使铍材的性能有了显著改善，但目前制得的铍材的伸长率也只有约3%，而且有时候还导致有些批次的铍材的性能不够稳定。如果一种材料在性能上的稳定性较差，必然导致材料内部存在宏观、微观和细观缺陷。这些缺陷在焊接过程中又有可能形成新的缺陷，甚至裂纹。（3）铍的原子半径小，在焊接过程中，铍难于与填充材料或其它微量元素的原子在尺度上相匹配，致使在形成合金时其溶解度降低，使焊接性能和相容性变差。（4）微量元素对铍材及其焊接性能的影响较大。在铍材制备过程中，利用控制杂质元素含量来提高铍材的质量。然而，在焊接过程中，人们已经注意到杂质元素及其含量对铍焊接质量的影响，如氧化铍含量对铍焊接及焊接性能的影响；微量元素铁的存在对铍焊接质量的影响等。（5）机加损伤的存在以及损伤的严重程度对铍焊接质量产生影响。表面损伤的定义为：在机加过程中，由于切屑力的作用，在铍表面产生μm量级或mm量级的机加损伤层。损伤层的存在会导致铍材的力学性能值下降。在焊接中，由于表面损伤层的存在，紧靠焊趾区或者在热影响区，损伤层有可能是焊接裂纹的起裂源。（6）焊接工艺的可重复性差。试验发现，铍在焊接过程中的影响因素相当多，特别是一些制约铍的焊接性的因素，或者说某些次要的因素都不可忽视。在非铍材料上焊接似乎不是问题，而移植到铍材上焊接就会暴露出许多新的问题，从而导致铍焊接的工艺规范和标准难以制定。（7）铍在焊接时，需加异种金属作填充材料或者钎料，如Al，Al-Si，Ag，Ag-Cu，Cu等，根据铍材料性能与合金元素的相互作用规律，这些填充金属与铍通常形成低熔点共晶合金或金属间化合物。由二元合金相图可知，焊接铍时可选用的填充材料的范围较窄（只有Al，Al-Si，Ag，Ag-Cu或Cu等几种）。一般情况下低熔点合金通常富集于晶界或者偏析于焊缝的某些区域内。以Al-Si合金为例，铍与铝形成共晶合金的温度为647℃，这时铝在铍中的溶解度为0.647%。焊接时当铍已经冷却凝固结晶时，铝还处于液体状态，液态铝去充填铍周围的缝隙，从而抑制铍焊接所形成的凝固裂纹。铝在高温下比在室温下的氧化速率快；当温度升至500℃时，氧化速率更快，氧化生成的产物为Al2O3，与铍自身的氧化物BeO一起都会污染焊缝，导致焊接性能变差。（8）铍在加热至熔化过程中，容易吸收环境中的氧、氮等气体。氧与铍在室温条件下就会反应生成BeO，在500~900℃内铍还与氮反应生成Be2N2。在高温条件下铍还与氢反应生成BeH2。焊接过程中由于上述气体的存在会对铍的焊接产生不良后果，其主要危害有4大类：(a)污染焊缝；(b)防碍熔合、影响润湿与漫流；(c)加剧焊缝气孔的形成；(d) 导致焊缝开裂。