文章编号: 1004-0609(2005)01-0019-05
超弹性NiTi合金丝激光点焊接头的组织和性能
阎小军, 杨大智, 刘黎明
(大连理工大学 材料工程系, 大连 116024)
摘 要：
采用脉冲激光焊研究了Ti-50.6%Ni(摩尔分数)合金细丝点焊, 对比分析了接头与母材显微组织、 相变行为、 Ni含量、 显微硬度及应力—应变曲线的变化。 结果表明: 当NiTi合金用做功能材料时, 激光焊接是可取的; 激光点焊接头熔化区由树枝晶组成, 热影响区靠近熔池部分为粗大等轴晶, 靠近母材部分为细小等轴晶; 激光焊会造成Ni的蒸发, 使接头中Ni含量降低0.2%(摩尔分数), 从而影响接头的相变行为; 接头抗拉强度可达母材的70%, 可恢复应变达母材的92%。
关键词: NiTi合金; 激光焊; 超弹性; 组织 中图分类号: TG456.7
文献标识码: A
Microstructures and properties of laser spot-welded joint of superelastic NiTi alloy wire
YAN Xiao-jun, YANG Da-zhi, LIU Li-ming
(Department of Materials Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
Abstract: Ti-50.6%Ni(mole fraction) wires were welded using pulsed YAG laser. The laser spot-welded joints were tested for the microstructure, transformation behavior, Ni-content, micro-hardness and stress—strain curves in comparison with the base metal. The results show that laser welding NiTi alloy is advisable when NiTi alloy is used as functional materials. The fusion zone features dendrite structure, the microstructures of heat-affected zone can be divided into two parts, i.e. coarse equiaxial crystals near the fusion zone and fine equiaxial crystals near the base metal. The transformation behavior of the joint is affected by the vaporization of Ni during the laser welding process. The ultimate tensile strength of the joint is up to 70% of the base metal, the maximum recoverable strain is up to 92% of the base metal.
Key words: NiTi alloy; laser welding; superelasticity; microstructure
NiTi形状记忆合金具有良好的形状记忆效应、 超弹性、 抗腐蚀性和生物相容性, 已经成为应用最广泛的记忆合金。 在实际应用中往往需要将NiTi合金自身或NiTi合金与其它异种金属焊接起来, 以达到减小产品体积、 优化产品性能、 降低产品价格的目的。 随着NiTi合金应用领域的不断扩大, 其焊接技术日益重要, 但有关这方面的研究报道却较少, 目前仅在电阻焊、 摩擦焊、 电子束焊、 激光焊等领域进行了初步研究[1,2]。 激光焊由于具有能量密度高、 焊缝窄、 热影响区小、 焊接变形小、 光束方向性好、 能进行精密加工等优点[3], 越来越受到人们的关注。 另外, NiTi形状记忆合金能很好地吸收波长为1064nm的激光[4], 因此, 利用激光焊接来加工NiTi合金是很有前途的。 已有的研究[5-8]多是用激光焊接NiTi合金板材, 很少涉及到NiTi合金细丝的焊接。 NiTi合金细丝的应用很广泛, 且丝与丝的焊接和板材之间的焊接相比, 在热传导方面有较大不同。 本文作者利用脉冲激光器进行了直径为0.5mm的Ti-50.6%Ni合金细丝对接的点焊实验, 研究了脉冲激光点焊接头的组织和性能。
1 实验
用真空感应炉生产成分为Ti-50.6%Ni的合金锭, 然后经过锻造、 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0.1~12ms。 焊前待焊接端面用1000#砂纸磨平, 用酸的混合溶液除去试件表面氧化膜, 用丙酮清洗除去表面油污。 实验时, 通过改变工艺参数来获得最佳焊接质量。 采用金相显微镜、 差热分析仪(DSC)、 电子探针、 显微硬度计对接头进行分析, 同时测试母材与焊接接头的抗拉强度, 并用扫描电镜观察拉伸断口形貌。 激光点焊接头的DSC试样取整个接头, 以接头中心为对称, 包括热影响区。
2 结果与讨论
2.1 接头的组织
图1所示为激光点焊接头的宏观扫描电镜像。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。 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(图2)。 由图可以看出, 激光点焊接头熔化区由树枝晶组成, 热影响区由2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。
图1 激光点焊接头的扫描电镜像
Fig.1 SEM image of laser spot-welded joint
图2 接头及母材的显微组织
Fig.2 Microstructures of welded joint and base metal
焊缝的结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度、 结晶速度(或晶粒长大速度)和液相温度梯度的综合作用[9]。 激光焊时熔池液态金属的过冷度很大, 有利于树枝晶的生长[10]。 熔池附近的母材组织, 由于受到焊接热输入的影响, 发生了再结晶。 靠近熔池部分的母材温度较高, 形成的等轴晶晶粒较粗大, 而远离熔池部分的母材温度较低, 形成的等轴晶晶粒较细小。 但Hsu等[7]用CO2激光焊接完全退火态的NiTi合金板材时, 热影响区没有出现粗晶。 由此可见, 母材的状态和焊接工艺对接头组织有重要影响。
合金丝的焊接只沿丝的方向传热, 因此对定位及输入能量稳定性要求较高。 激光光斑能量偏大, 金属丝易出现汽化, 焊点区收缩变细, 甚至断开, 若能量偏小, 熔化不充分, 无法形成良好的熔融状态。 为了保证细丝在激光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。 电流的大小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, 焊接时易出现汽化。 脉宽越长, 焊接可靠性越高, 但可能使热影响区增大, 对接头性能不利。
2.2 接头的相变点
NiTi合金的马氏体相变顺序及相变温度可用DSC方法测量。 图3所示为母材和激光点焊接头的DSC测量曲线, 母材组织为冷拔退火态, 激光点焊接头组织可看作固溶处理态。 Miyazaki等[11]的研究表明, Ti-50.6%Ni合金在1273K固溶处理3.6ks后冰水淬火, 所得组织正相变过程为B2→B19′, 逆相变过程为B19′→B2。 HUANG等[12]的研究表明, 冷拔退火态Ti-50.85%Ni合金正相变过程为B2→R→B19′, 逆相变过程为B19′→B2。 退火温度较低时, 冷却过程中R→B19′相变在173K下不能进行到底, 相应的加热过程相变为B19′→B2和R→B2。 本实验所用的DSC设备最低温度只能到213K, 将测量结果与Miyazaki[11]和HUANG等[12]的研究结果对比可知, 母材的正相变过程分2步进行, 即: B2→R及R→B19′。 但由于母材的Ni含量较高, Ms点很低, 而所用的DSC设备最低温度只能到213K, 无法检测到马氏体相变峰, 所以在母材的DSC曲线上只出现了R相变峰而没有出现马氏体相变峰。 焊接接头的正相变过程只有一个相变峰, 即: B2→B19′。 在后来的实验中发现接头进行热循环后出现了R相变, 说明此时接头DSC曲线上的峰对应的是马氏体相变, 而不是R相变。 图3中母材的逆相变过程分2步进行, 即: B19′→B2, R→B2, 但2个相变峰没有完全分开。 焊接接头的逆相变只出现一个相变峰, 即: B19′→B2。 从图中可以看到接头和母材的相变温度也相差很大。 NiTi合金的马氏体相变行为强烈依赖于合金的化学成分、 热机械处理、 时效和热循环。 焊缝的相变行为取决于母材的状态和所采用的焊接参数[6]。 从图2的显微组织中可以明显地看到接头组织和母材组织的不同。 电子探针分析表明, 接头的Ni含量为50.4%, 比母材低, Ni含量较低, Ms点就会较高。 组织和成分的差别造成了接头和母材不同的相变行为。
图3 母材和激光点焊接头的DSC曲线
Fig.3 DSC curves of base metal and laser spot-welded joint
2.3 接头的显微硬度
图4所示为接头组织的显微硬度分布曲线。 从图中可看出, 从接头中心到母材, 显微硬度值先降低后升高, 热影响区有一部分硬度值最低, 约为210HV, 母材的硬度值最高, 约为345HV。 造成这种硬度分布的主要原因是各部分组织状态不同。 由图2所示的显微组织可以看到, 在热影响区有一粗晶区, 这是由于NiTi合金的导热率低, 室温下为10W/(m·K)[13], 焊接过程中的热量来不及扩散, 从而造成局部温度过高, 晶粒长大, 硬度较低。 母材组织为拉拔态的组织时, 其硬度最高。
2.4 接头的拉伸曲线
图5所示为母材和激光点焊接头在室温下的拉伸曲线。 从图中可以看出, 母材的抗拉强度约为1250MPa, 激光焊接接头的抗拉强度约为880MPa, 可达到母材抗拉强度的70%。 应力诱发马氏体所需的应力在母材中约为455MPa, 而在焊接接头中约为288MPa, 是母材的63%, 对应的可恢复应变: 母材为8%, 焊接接头为7.4%,可达母材的92%, 接头的弹性模量比母材的小。 图6(a)所示为母材拉断后的断口形貌, 从图中可以看到明显的韧窝, 属韧性断裂。 图6(b)所示为焊接接头拉伸断口照片, 从图中可以看到明显的河流花样, 说明断口属脆性断裂。 由此可知, 激光焊后, 焊接接头的力学性能及超弹性比母材都有所下降, 其中力学性能下降的程度较大, 超弹性性能降低的程度较小。
图4 接头组织的显微硬度分布曲线
Fig.4 Micro-hardness distribution curve of laser spot-welded joint
图5 母材和接头的拉伸曲线
Fig.5 Stress—strain curves of base metal and welded joint
图6 拉伸断口形貌
Fig.6 Tensile-fractured appearances of base metal (a) and welded joint (b)
从图2所示接头的显微组织可以看到, 接头熔化区由树枝晶组成, 热影响区存在粗晶, 这种组织特征对NiTi合金的力学性能和功能性都有不利的影响[2]。 另外, 激光焊接是一种熔化焊接方法, 在焊接过程中接头温度高, 而Ti在高温下很容易吸收氮气、 氧气、 氢气等气体并在接头中形成脆性化合物; 接头在凝固过程中会析出Ti2Ni、 TiNi3等金属间化合物, 这些因素都会使接头的抗拉强度和超弹性下降[1]。 其次, 接头在凝固过程中易形成凝固裂纹[14], 使接头的性能进一步恶化。
3 结论
1) NiTi合金丝材激光点焊接头熔化区由树枝晶组成, 热影响区靠近熔池部分为粗大等轴晶, 靠近母材的部分为细小等轴晶。
2) 激光点焊接头的相变行为与母材有很大差别, 冷却过程中母材的相变过程为B2→R→B19′, 接头的相变过程为B2→B19′, 接头的Ms、 Af点比母材高。
3) 激光点焊接头抗拉强度达母材的70%, 可恢复应变达母材的92%。
4) 当Ni-Ti合金用做功能材料时, 激光焊接是可取的。
致谢
感谢大连理工大学材料工程系焊接研究室的老师和同学对本实验的大力支持。
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基金项目：国家自然科学基金资助项目（50171015）
收稿日期：2004-05-25；修订日期：2004-11-17
作者简介：阎小军（1983-），男，博士研究生.
通讯作者：阎小军，博士研究生；电话：0411-84708441；E-mail:dreamto2008@sohu.com
(编辑李向群)