NiTi合金激光点焊接头的组织和性能.doc

NiTi合金激光点焊接头的组织和性能为了进一步拓宽NiTi记忆合金的应用范围，优化NiTi合金产品的加工工艺，降低产品价格，必须研究其焊接性及焊接接头的性能。目前，对于NiTi记忆合金焊接性的研究，国内外报道的相对较少，仅在电阻点焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等领域进行了初步研究。NiTi合金是一种金属间化合物，其导热率低，室温下为10W/(mK)1,电阻大。高温下Ti对N、O、H的亲和力特强，在焊接的过程中NiTi合金很容易吸收这些气体并在接头中形成脆性化合物，降低了接头的力学性能、形状记忆效应和超弹性。因此，固态连接方法或连接初期产生液相后又被挤掉的加压连接方法是连接NiTi记忆合金的最佳方法。但这些方法受到工件形状和接头复杂程度及尺寸大小等因素的限制，灵活性不高。从生产实际出发，熔焊用得最为广泛。普通的熔化焊接方法焊接NiTi合金时，易在接头中形成铸造状组织且在凝固过程中会析出Ti2Ni、TiNi3等金属间化合物，使得焊接接头的组织与母材的组织存在着显著的差异，这对NiTi合金的力学性能和功能性都有不利的影响。因为NiTi合金的形状记忆效应和超弹性强烈依赖于合金的化学成分、处理状态及晶体取向和织构。所以，普通的焊接方法，如钨极氩弧焊，焊接NiTi合金很困难。激光焊具有能量密度高、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、熔化金属量少、高温停留时间短、熔池冷却速度快、光束方向性好、能进行精密加工等优点，成为NiTi合金最有希望的焊接方法。1. NiTi合金丝激光点焊工艺参数的选择（1） 电流、脉宽的选择电流的大小其实反映了激光脉冲峰值功率密度的大小。电流越大，脉冲峰值功率密度越大。较大的脉冲峰值功率密度一方面会使材料表面升温过程加剧，对于给定的脉冲宽度，相应增加了液相金属的加热时间，使其达到沸点的可能性增大，汽化几率增大。同时由于功率密度增大所导致的固体表面直接升华成气态（包含直接喷发、烧蚀）的可能性增大2。电流较小时，材料表层温度达到沸点需经历数毫秒，并在表层汽化前，底层可到达熔点，易形成良好的熔融焊接.丝焊接时热量只沿丝的方向传播，因此对定位及输入能量稳定性要求较高。光斑能量偏大，金属丝易出现汽化，焊点区收缩变细，甚至断开,而且会造成焊点处合金元素蒸发，使其成分发生变化；光斑能量偏小，熔化不充分，无法形成良好的熔融状态，易产生焊接缺陷，使接头性能降低。为了保证细丝在焊接过程中无大量汽化，工件上功率密度应较低，选择小电流、大脉宽。脉宽越大，焊接可靠性越高。因为在大脉宽时，功率密度较低，较安全。在多数情况下，应根据熔深要求确定脉宽。按照热传导方程，其最大熔深既是光斑功率密度的函数，也是材料热力学参数的函数2，即:I0Xmax=1.2K(Tv-Tm)（1）式中I0为工件上的光斑功率密度，Xmax表示所需达到的最大熔深，K为材料的导热系数，Tv、Tm分别为材料的熔点和沸点。（2）工件上光斑尺寸和离焦量的选择在细丝对焊中，另一个需要考虑的因素是光斑和离焦量的大小。为避免细丝的断裂，光斑上能量分布要均匀，光斑应覆盖细丝的整个接头。脉冲激光焊接时通常需要一定的离焦量。因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，光斑能量分布相对均匀些，容易获得合适的功率密度。离焦方式有两种正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方的为正离焦；反之为负离焦。从几何光学理论可知，当正、负离焦量相等时，相应平面的功率密度近似相同。但在这两种情况下，所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深。工件上光斑面积的变化是由离焦量变化引起的，它可由下式计算1：（2.7）式中Sf为焦面面积，F为透镜的焦距，L为离焦量，S是离焦后的光斑面积。在细丝对焊中，为避免细丝的断裂，光斑上的功率密度要低一些，光斑上的能量分布要均匀，选择小电流、大脉宽。在此情况下，为获得更大的熔深，应选择负离焦。（3）保护气体的选择 Ti在高温下易吸收N、O、H，使接头变脆。因此，在焊接时必须采用保护气体，如氦、氩气等。其中，使用最多的是高纯Ar气。2 NiTi合金丝激光点焊接头的组织和性能2.1 实验过程本实验所用的材料为超弹性Ti-50.6at.%Ni的合金丝，它经过锻造、轧制、旋锻、多次冷拔，形成直径为0.5mm的细丝，最后经773K真空退火。焊接时采用对接焊的方式，所用焊机为国产500W脉冲激光焊机，最小电流100A，最大频率100Hz，脉冲宽度0.112ms。焊前待焊接端面用酸的混合溶液除去试件表面氧化层，用1000#砂纸磨平，在丙酮溶液中经超声波清洗除去表面油污，然后放在去离子水中经超声波清洗后用吹风机吹干。试验时，通过改变工艺参数，来获得最佳焊接质量。点焊示意图如图1.1所示，其中1为激光器，2为保护气体。图1激光点焊示意图Fig.1 Schematic illustration of laser spot welding金相显微组织观察在MeF3型金相显微镜上进行。点焊试样用环氧树脂固定在有机玻璃管内，固化后用600#1000#的砂纸进行机械研磨，然后用抛光膏抛光。显微组织的腐蚀剂化学配比为HF:HNO3:H2O=1:4:5（体积比）。测量显微硬度时沿丝的长度方向测量，试样在抛光后轻微腐蚀。测定规范是：载荷100g，加载时间15秒。母材和点焊接头的抗拉强度及超弹性测试在万能试验机上进行，拉伸试样如图2所示。测量时使用标距为25mm的引伸计，取三种不同的环境温度，拉伸应变速率为1.6710-4S-1，并用JSM5600LV型扫描电镜观察了拉伸断口形貌。图2激光点焊接头拉伸试样示意图Fig.2 Schematic illustration of laser spot-welded joint specimen for tensile test2.2 NiTi合金丝激光点焊接头及母材的显微组织图3为激光点焊接头的宏观扫描电镜照片。为了防止因两个待焊端面装配间隙大而造成焊接缺陷，在激光点焊过程中沿丝的轴向施加一定的顶锻力，所获得的点焊接头直径略大于丝的原始直径。从图中可以看出，接头表面平滑，成形良好。图3激光点焊接头的扫描电镜照片Fig.3 SEM image of laser spot-welded joint金相组织观察表明，从接头中心熔化区到母材的组织依次为树枝晶粗大等轴晶细小等轴晶带状组织，如图4中（e），（d），（c），（b）所示。激光点焊接头熔化区由树枝晶组成，热影响区由两部分组成，靠近熔化区的部分为粗大等轴晶，而靠近母材的部分为细小等轴晶，母材为带状组织。(a) (b) (c) (d) (e)图4 NiTi合金激光点焊接头及母材的显微组织：(a) 整个街头；（b）母材的显微组织；（c）热影响区的粗晶；（d）热影响区的细晶；（e）熔化区的显微组织Fig.2.6 Microstructures of laser spot-welded NiTi and base metal：(a) microstructure of fusion zone; (b) coarse crystals of heat-affected zone; (c) fine crystals of heat-affected zone; (d) microstructure of base metal焊缝的结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度C0，结晶速度（或晶粒长大速度）R0和液相温度梯度G的综合作用3。激光焊时熔池液态金属的过冷度很大，有利于