铍焊接技术研究进展
引言
铍是一种轻稀有金属，具有原子序数低、密度低、线膨胀系数小、比热容大、熔点高、弹性模量高、比强度大、吸热力强、高温尺寸与性能变化小等优异性能。这些优异的物理性能和力学性能，使铍在核工业、航空航天工业、武器系统、光学系统、高能物理、仪表仪器等许多领域得到了应用。同时铍具有室温延展性差、焊接性能差、高温抗氧化性能差、脆性大、对残余气氛吸附能力强、机械加工损伤严重以及剧毒性等缺点[1-4]。
铍是金属材料中焊接难度较大的材料之一。铍及铍合金的焊接困难主要与其本身的性能有很大关系。铍属于密排六方晶格结构，在性能上表现出严重的各向异性特征，在焊接过程中会导致不同方向上的形变和应力分布的不均匀性；铍表面吸附能大，对表面残余气体吸附能力很强，在高温下易与氧、氮反应生成化合物，从而导致其焊接接头性能变差，因此铍的焊接对保护性气氛或真空度有严格的要求，焊接前必须严格清洗焊件表面，否则铍表面易与残余气体发生反应形成化合物，这些化合物在钎焊时会妨碍钎料润湿，在扩散焊时会增加原子扩散难度，增加焊缝缺陷；铍的低延展性、各向异性和在焊接过程中形成粗大晶粒，导致铍焊缝变脆，在热应力的作用下易产生开裂。铍的机械加工损伤比较严重，在机械应力的作用下，铍表层会产生应力、孪晶、微裂纹和织构等缺陷，大大降低其强度和塑性，严重影响铍构件焊接接头性能。
国外花了很长时间才解决了铍的焊接难题，原因是无论采用何种焊接方法，焊接工艺的可重复性较差，致使铍焊接很难确定出相应的工艺标准。另外，有些铍焊件要求在苛刻的环境条件下使用，使铍焊接增加了新的难点[5]。国内对于铍的焊接研究较少，航天材料与工艺研究所、中国工程物理研究院、清华大学、北京航空航天大学、北京科技大学等几家研究所、院校对铍的焊接开展了一定的研究，但关于铍焊接的实际应用现在还没有。因此有必要对国内外铍的焊接技术研究进展进行综述，以便于在该领域做更深入的研究从而促进铍焊接技术不断向前发展。
1 铍的钎焊
钎焊是焊接铍的首选方法。铍与铍、铍与其他金属的焊接都可以采用钎焊方法。钎焊方法和钎焊试验参数取决于焊件工作温度、接头几何形状和强度要求，钎焊铍时所发生的问题随着温度的升高而增多。因此在满足力学性能的前提下应尽量选用低熔点钎料[6]。
钎焊铍的软钎料主要有锌基钎料和熔点范围为（427~454℃）的铟基钎料等。试验表明，铟基钎料对铍的润湿效果较差。常用的软钎料有5%Ag-Pb、3%Zn-Sn-Pb、99.9%Zn等。软钎焊的特点是钎焊温度低、形变较小，但是接头强度低，因而应用较少。
采用硬钎焊焊接铍可以获得较好的焊接接头，硬钎料的种类比较多。钎料主要有铝基钎料、银基钎料、铜基钎料等。其中铝基钎料的应用最为广泛。日本的Banaim等人采用0.3mm的Al钎料对铍进行钎焊，在熔合区和热影响区有生成显微裂纹的倾向[7]。美国的Cadden等人采用铝基钎料钎焊Be和Cu取得了一定的进展[8]。蒋元清等人研究了Al和Al10-Si两种钎料对铍的钎焊，结果表明，采用Al10-Si对铍进行钎焊获得均匀致密的接头，剪切强度较高，纯铝钎料的钎焊性较差[9]。张鹏程采用Al-12Si对铍与HR-1不锈钢进行了钎焊[10]。
铍焊接接头强度要求高时，可选择银基钎料进行高温钎焊。选用Ag-28Cu钎料在800℃和较高真空度下钎焊铍，接头强度有了很大的提高，但由于铍的缺口敏感性大，局部应力集中导致铍母材的断裂，因此无法准确测出接头的剪切强度。如果加热温度高或保温时间长，则在近铍侧可发现空洞，此时的铍虽然保持带状组织，但是已经发生再结晶（铍的再结晶温度为700-900）可见更高的工作温度对钎焊铍是很不利的。同时由于Ag-Cu钎料元素可能渗入铍金属形成脆性化合物而降低接头性能[11]。
随着钎焊铍的热源不同，铍钎焊又可分为多种，如炉中钎焊、感应钎焊、电子束钎焊、氩弧钎焊和激光钎焊等。目前对铍的钎焊多采用电子束钎焊和激光钎焊，采用塑性和润湿性均较好的铝或铝硅合金作钎料。
张友寿等对电子束钎焊铍的显微组织进行了研究分析，试验分别采用Al-12Si 和Al-12Si-1.5Mg 作为填充材料。结果表明加铝或硅合金做填充材料，消除焊接裂纹的作用是明显的。如果母材有裂纹，铝、硅填充材料还可以填充裂纹。填充铝后，在高温区铝组分可有较宽的范围，随着温度降到647℃，除了铝与铍形成共晶外，多余的铝富集于晶界，造成微区铝严重偏聚。另外，铍高温塑性好，室温塑性差，因此在焊接的降温过程中高、低温间存在塑-脆性转变过程，易使焊缝产生热应力，如果没有铝在铍中起衔接作用就会导致裂纹的生成[12]。
Robinson. SL采用电子束钎焊Be-38Al，试验结果表明钎焊接头的晶粒细化，塑性略有下降，材料的屈服强度没有明显下降[13]。
董平研究了预热对激光钎焊铍的影响，结果表明激光束钎焊铍时的温度梯度减小，钎焊缝附近塑性变形区域的残余应力明显减小[14]。
2 铍的熔化焊
钎焊最常见的问题是钎料润湿性差，接头综合强度较低。因此对于接头强度要求较高的结构件，钎焊方法就会有一定的困难。而采用熔化焊方法则可以有效提高铍焊接接头的强度。铍的熔化焊有两大难点：一是热影响区(近缝区)受热的作用而导致该区域的性能变坏；二是焊接裂纹。
铍的熔化焊接所采用的方法有电子束焊、激光焊、钨极气体保护焊等。熔化焊接的关键问题是焊接接头的保护。国外早在20世纪50年代就开始研究铍的碳弧焊、气体保护焊等焊接工艺。即使在充氩的密封小室中焊接，铍的氧化仍然很严重，BeO会影响焊缝表面成形，并增加焊缝产生裂纹的可能性。另外，在铍焊接中选用小电流，高焊速，可以使焊接区冷却速度加大，减小热影响区，避免晶粒长大[15]。Passmore等人在60年代开展了铍的钨极氩弧焊工艺试验，结果表明，焊接线能量的大小与预热温度的高低及焊缝中的铝含量是影响焊接裂纹敏感性的主要因素；减小熔化区宽度也会使裂纹敏感性减小[16-18]。
真空电子束焊热输入低、焊缝热影响区窄、晶粒细、形变小、有真空保护，可以焊接同种或异种铍材料，是熔化焊接铍比较好的方法，该方法已经逐步取代了早期的气体保护焊。
Perkins利用中压电子束焊机开展了铍的焊接研究，结果表明，焊接接头的拉伸强度高于母材，所有拉伸试件均断裂在母材上。为得到无裂纹的焊缝，焊缝中的铝含量应控制20%-27%之间[19]。
凌泽民等人采用有限元方法，定量分析了电子束焊接工艺参数与铍环内表面温度的关系。结果表明，随着加热深度或电子束斑点半径增加，内表面温度增加，随着焊接速度增加，内表面温度降低。调整电子束加热斑点半径和焊接速度，可以控制内表面温度[20]。
激光焊接由于它的能量集中、焊接热影响区小、工作稳定以及易控制的特点而受到人们的重视，与电子束焊接铍相比，其最大的优点是易于防护。有关铍的激光焊接的文章国内外公开报道的很少。
林志等人对Be/Al合金的YAG激光焊接进行了研究，通过控制激光束的能量密度和焊接速度，在严格控制真空度和严格清洗焊接表面的条件下，可以消除其他焊接方法容易产生的焊接缺陷，得到良好的接头显微组织，铍/铝合金的焊缝组织为典型的共晶组织[21]。秦有钧介绍了铍的CO2激光焊，指出激光焊比电子束焊困难，采用电阻或感应热源焊前预热焊件，预热温度为350℃[22]。Lingenfelter用脉冲Nd: YAG激光进行铍/钽准直器的激光焊接研究，并成功实现了25μm厚的铍和钽箔组装焊接[23]。李盛和等人对铍的YAG激光焊接裂纹敏感性进行研究，分析了激光焊接焊前预热、短焦距及焊接工艺参数等因素对裂纹敏感性的影响。结果表明：选择合适的焊接参数可减少裂纹产生，但其作用有限不能从根本上消除裂纹。焊前预热及焊后缓冷对抑制裂纹作用显著，且随着预热温度提高裂纹率呈下降趋势。此外焊接中减少铍的熔化量对减少裂纹也发挥了重要作用[24]。
James E等人介绍了0.25mm、0.30mm、0.35mm 铍材脉冲激光焊接的工艺参数，而且得出激光焊接0.35mm铍材的优化焊接参数[25]。
3 铍的扩散焊接
采用扩散焊焊接铍时，不会出现裂纹和再结晶过分长大等熔化焊常见到缺陷。20世纪70年代以来，国内外采用扩散焊实现了铍与铍、铍与钢、铍与钛、铍与铍铜合金、铍与铜的焊接[26,27]。
据报道国外学者利用Ag、BeCu、Al、Ti、Cu、Ti/Ni、Al/Mo/Cu、Cr/Cu、无氧铜、作中间过渡层在温度为300-900℃，压力为20-140MPa，时间为2-4h之间的条件下，对铍和无氧铜进行了热等静压扩散焊和热压扩散焊。结果表明，用Ag作为中间层，在700℃下进行热等静压，可以得到性能优良的接头；在Be/DSCu（Al弥散强化的铜）直接连接和BeCu合金作中间层时，发现在Be侧出现Be2Cu相，在DSCu侧出现了Cu+BeCu相，这些脆性相降低了接头性能。同时研究表明扩散层的厚度与结合时间的平方根成正比，接头的剪切强度主要决定于Be侧的Be2Cu相的形成。以Ti作为中间层时，在过渡区内也产生了中间相。
将Be直接与不锈钢进行扩散焊接，会产生中间相，增加接头脆性，接头会产生沿晶界或结合界面开裂，导致焊接接头强度不高。铍与316L不锈钢扩散焊的结合强度在50MPa以内。采用向铍和不锈钢之间加中间层材料可以防止形成脆性高且硬度大的中间相，改善铍和不锈钢的连接性能。国外学者采用过Ti、Be-Cu合金、Cu和Ag等作中间层材料对Be与不锈钢进行扩散焊接。研究结果表明：Be-Cu合金和Ag合金是比较好的中间层。铍与316L不锈钢进行扩散焊接，加Ag中间层，在788℃真空中2h可以完成扩散焊接；Be-Cu合金是一种比较好的过渡材料，在800℃下2h可以实现扩散焊接。
国内，张鹏程等对Be与HR-21不锈钢的扩散焊进行了系统的研究，并取得了很大进展。铍与HR-21 锈钢的相容性差，从铍向HR-21不锈钢过渡，生成Be2Fe、Be2Cr、Be2Ni、Be2Mo等金属间化合物。这些脆性相的生成导致焊接应力和裂纹，致使铍与HR-21不锈钢的焊接存在很大的困难。试验结果表明，随着压力的增加，中间相的数量增加，使界面的脆性加大。而降低铍与HR-21不锈钢接头质量的主要原因是铁和不锈钢合金元素在铍晶界的偏聚和脆性中间相在扩散区的产生。采用Cu作为中间层材料，结果显示，Cu中间层有效地阻挡了不锈钢中合金元素Ni、Cr等向铍基体的扩散，从而阻止了金属间化合物Be2Ni5、Be12Cr和NiBe等在铍基体内的生成；它也有效地阻止了Be和Fe之间的互扩散。另一方面，Cu没能完全阻止对接头性能有害的金属间化合物Be11Fe在界面处的生成，还产生了新的金属间化合物Be2Cu，因此Cu作为中间层材料对接头的性能优化只起到一定的作用[28]。
4 铍的其它焊接方法
铍的焊接方法中，除了上述的3类常用方法外，还可以采用电阻焊、超声波焊等技术来实现铍或铍与其他金属的连接。
5 结束语
目前国内外采用不同的工艺进行铍及铍合金的焊接，已经取得了很多成果。随着核工业、航空航天、真空电子技术的迅速发展，铍及铍合金的应用越来越广泛,对铍及铍合金焊接质量的要求也越来越高。氧化、气孔和裂纹是其主要问题。随着人们对铍焊接技术研究的不断深入,新的焊接方法和技术不断出现, 铍焊接中的各种难题必然会得到解决。铍的焊接技术必然会得到更进一步的发展。
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作者简介：常志龙 男，陕西人，工程师 ，主要从事焊接工艺及焊接材料研究工作，发表文章3篇。
