采用純銅中間層的TiNi形狀記憶合金激光焊接

李洪梅,孫大千,王文權,韓耀武,董 鵬

(吉林大學材料科學與工程學院汽車材料教育部國家重點實驗室,長春130025)

采用純銅中間層的TiNi形狀記憶合金激光焊接

李洪梅,孫大千,王文權,韓耀武,董 鵬

(吉林大學材料科學與工程學院汽車材料教育部國家重點實驗室,長春130025)

采用純Cu中間層,對 TiNi形狀記憶合金絲脈沖激光焊接進行研究。利用光學顯微鏡,掃描電鏡,微區XRD等分析測試手段,研究了TiNi形狀記憶合金絲激光焊接頭的微觀組織特點。為研究接頭的力學性能和形狀記憶效應,對其進行拉伸和彎曲試驗。結果表明,焊縫區組織分布不均勻,不同形貌區域的成分差別較大,XRD分析焊縫區生成了B2,B19’,Ti3Ni4,Cu基固溶體及Cu與 Ti的金屬間化合物相CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti等。TiNi形狀記憶合金激光焊接頭抗拉強度為489～536MPa,斷口呈典型的韌-脆混合斷裂特征。形狀記憶恢復率達99%以上。

激光焊;TiNi形狀記憶合金;組織;力學性能

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)是近幾十年發展起來的一種新型功能材料,它具有獨特的形狀記憶效應和超彈性。在已發現的具有形狀記憶效應的合金中應用最廣的是近等原子比的TiNi合金。它除了具有形狀回復率高的優點外,還具有優良的力學性能,抗腐蝕性和生物相容性等特點,在航空航天,原子能,海洋開發,儀器儀表,家用電器以及醫療器械領域獲得了廣泛的應用[1-4]。因此,TiNi形狀記憶合金的連接技術便成為制約其廣泛應用的瓶頸技術。

形狀記憶合金的連接除了要求沒有缺陷和具有一定的力學性能外,還必須保證連接后接頭的形狀記憶效應和超彈性達到要求。因此,它比一般的金屬材料的焊接性更差,焊接質量更難把握,連接方法亦受到限制。激光焊具有功率密度高,焊縫細窄,熱變形小及光束方向性好等特點,特別適用于 TiNi形狀記憶合金小型器械的精密和微細焊接成型連接[5-7]。但是,TiNi合金直接對焊得到的接頭強度不高,多呈脆性斷裂特征,且很少有關形狀記憶效應的研究[8-10]。因此,采用合適的中間層改善接頭的脆硬性,以獲得較高力學性能的接頭是必要的。Cu具有熔點低,屈服強度低,塑性好,變形能力強,耐蝕性好等特點,有利于激光焊接過程中降低接頭應力,改善接頭性能。本工作采用純Cu作為中間層,對 TiNi形狀記憶合金進行了激光對接接頭的成分,組織與力學性能的研究,同時對接頭的形狀記憶效應進行了研究,為改善 TiNi形狀記憶合金的連接質量提供實驗數據和必要的理論依據。

1 實驗材料及方法

實驗材料為 Ti-49.8%(原子分數/%,下同)Ni形狀記憶合金絲(TiNi SMA),TiNi SMA組織由B2相和少量B19’相組成,其組織形貌如圖1所示。尺寸規格為:0.48mm×0.64mm×30mm。采用厚度為40μm的純Cu作為中間層。采用J HM-1GY-300B型YA G激光焊接機,在脈沖頻率 1HZ,光斑直徑φ0.5mm,單脈沖能量5.23J,脈沖寬度6ms條件下進行雙面點焊。焊前將 TiNi SMA絲待焊端面分別用800,1200#砂紙磨平,用丙酮去除試件表面的油脂,然后用氫氟酸,硝酸混合溶液去除材料表面的氧化膜,清水沖洗后吹干,裝在自制的夾具上,在氬氣保護下施焊。激光焊示意圖如圖 2所示。采用 OL YMBUS OSL3000型激光共聚焦掃描顯微鏡(Confocal Laser Scan Microscopy,CLSM),EVO18型掃描電鏡(Sanning Electron Microscopy,SEM)研究接頭的微觀組織,成分分布及斷口形貌。采用D8 Discover with GADDS型微區 X射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)分析接頭的相組成。

采用MTS810型拉伸試驗機對接頭進行拉伸試驗,拉伸速率為0.2mm/min,重復5次;用MH-3型顯微硬度計測量焊接接頭的顯微硬度,加載力為200g力,作用時間為5s。

TiNi SMA接頭的形狀記憶效應采用國內外常采用的彎曲變形方法測定,試驗原理圖如圖3所示。將試樣放在自制的模具上均勻彎曲,卸載后即發生彈性回彈,測出試樣的彈性回彈角θe,然后將變形后的試樣放在100℃的沸水中直到試樣形狀不再發生改變,同時測量出回復角θm。變形恢復率η用下式計算:

圖3 彎曲試驗宏觀示意圖Fig.3 Macro schematic diagram of bending test

2 實驗結果與討論

2.1 接頭組織

圖4為TiNi SMA激光焊對接接頭焊縫區形貌。由圖4可見,接頭焊縫區組織分布不均勻,且呈現出多種不同形貌區。為了研究方便將焊縫不同形貌區域分為柱狀晶區A,灰色細針狀區B,白色針狀區C和黑色針狀區D。結晶形態主要決定于合金中的溶質濃度,結晶速度和液相中溫度梯度的綜合作用。激光焊過程中各種力相互作用,熔池運動復雜;加之激光焊的加熱和冷卻速度相當快,熔池持續時間非常短,溶質元素沒有充分混合均勻的情況下就已經凝固了,因此焊縫組織不再是連續的金屬間化合物層,取而代之的是形態各異的不規則組織。

圖4 接頭的微觀組織Fig.4 Microstructures of welded joint

進一步將各區進行能譜分析,圖5為用點分析法得到的能譜圖。能譜分析表明,A區中Cu,Ti,Ni含量分別為24.37%,37.30%,38.33%,根據 Ti-Ni,Ti-Cu和Ni-Cu二元相圖推斷,A區可能形成B2+B19’+CuTi+Cu4Ti3+Cu3Ti2+Cu的混合相。B區 Cu(14.06%)的含量較 A區少,Ti(41.60%),Ni(41.34%)的含量較高,推斷該區主要形成B2+B19’+CuTi2+CuTi的混合相。C區能譜分析中未檢測到Cu元素,Ti,Ni含量分別為48.13%,51.87%(Ni含量略高于母材),表明該區僅為母材的重新熔化凝固,激光焊的加熱冷卻速度極快,該區熔化的母材來不及充分混合便凝固,使該區成分與母材基本保持一致,由此推斷C區主要為B2+B19’+TiNi3形成的混合相。在D區,Cu(74.46%)元素含量明顯增大,Ti(12.84%),Ni(12.70%)含量較少,推斷該區主要為Cu+Cu3Ti2+Cu4Ti的混合相。

圖5 圖4中A區(a),B區(b),C區(c),D區(d)的EDS分析結果Fig.5 EDS spectra of region(a),(b),(c),(d)in fig.4

為了進一步確定激光焊接頭的相組成,對接頭進行了XRD分析,圖6(a),(b)分別為焊縫區不同層面的XRD圖譜。分析顯示焊縫區主要由 B2,B19’,Ti3Ni4,Cu,CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti組成。分析結果中未檢測出 TiNi3相,取而代之的是非平衡亞穩相 Ti3Ni4相,這主要是由于激光焊冷卻速度極快,使Ti3Ni4相來不及分解就被冷凍保存下來。Ti3Ni4相對改善接頭形狀記憶效應具有一定的作用。同時分析結果中未檢測到CuTi2和Cu4Ti兩相,可能是由于這兩相在焊縫中相對含量比較少。而非平衡相Cu3Ti被檢測出,Cu3Ti被認為具有形狀記憶,高強度和聲音吸收特性[12],對提高接頭的形狀記憶效應及力學性能起到積極作用。焊縫中的固溶體Cu的形成有利于緩解接頭應力,改善接頭力學性能。

圖6 接頭的X射線衍射譜圖Fig.6 XRD pattern of welded joint

2.2 接頭力學性能

焊接接頭組織的不均勻性情況可通過硬度分布很好地反映。圖7為TiNi SMA絲激光接頭的顯微硬度分布曲線。由圖7可見,焊縫區的硬度值分布極不均勻且偏高,局部硬度值更高。這與焊縫區生成的CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2等金屬間化合物含量及晶粒大小有關。此外,分別對不同形貌區域A,B,C和D進行硬度測試,結果顯示,灰色細針狀區B的硬度值最高達456HV,是由該區細晶強化和Cu與 Ti生成的金屬間化合物共同作用的結果;其次為柱狀晶區 A達406HV,主要與生成的金屬間化合物有關;白色針狀區266HV(與母材硬度值相當),表明該區組織與母材組織基本相同;硬度值最低的為黑色針狀區D僅為228HV,主要與Cu的軟化作用有關,該區主要以Cu基固溶體為主,而Cu本身硬度低,延展性好。熱影響區硬度值略低于母材,激光焊接過程中受熱輸入的影響,熱影響區部分晶粒較母材的略大,硬度值下降。硬度的不均勻性與上述組織的不均勻性是一致的。

圖7 接頭顯微硬度分布Fig.7 Micro-hardness distribution curves of welded joint

圖8為 TiNi激光焊接頭的應力-應變曲線。TiNi SMA絲接頭的應力-應變過程分為三個階段:Ⅰ彈性變形階段;Ⅱ屈服階段;Ⅲ塑性變形階段。其中彈性變形階段的延伸率約為1%。特別值得注意的是,屈服階段的延伸率高達到6.8%,約占應變總量的60%,這是由于焊后試樣在拉伸過程中經歷了兩側母材的屈服疊加,從而使屈服階段的延伸率提高。在隨后的塑性變形階段,應力應變同時增加,最終斷裂。實驗結果顯示TiNi SMA激光焊接頭的抗拉強度為489～536MPa,其斷口具有典型的韌-脆混合型斷口特征,如圖9所示。雖然接頭強度僅達到母材強度的50%左右,但這一結果明顯高于文獻[8]中作者采用直接對接焊接接頭的力學性能。表明盡管添加中間層Cu在焊接過程中產生了一些金屬間化合物,對接頭的力學性能產生了一定影響,但總體上對提高 TiNi SMA激光焊接頭的力學性能是較為有利的。

在形狀記憶效應測試中,母材的形狀恢復率為99.6%,激光焊接頭的變形恢復率高達99%以上,幾乎與母材相當。這一結構高于文獻[12]中采用電阻點焊獲得的變形恢復率。這可能與焊縫中形成的Ti3Ni4相有關。激光焊冷卻速度快有利于獲得非平衡凝固亞穩相 Ti3Ni4,而 Ti3Ni4是與基體 TiNi合金保持共格關系的化合物相,Ti3Ni4相的析出不僅可以提高形狀記憶合金的恢復率,同時也是 TiNi合金產生雙程和全程形狀記憶效應的主要因素[13]。

圖8 接頭的應力-應變曲線Fig.8 Stress-strain curves of welded joint

圖9 接頭斷口形貌Fig.9 Fracture surface morphologies of welded joint

3 結論

(1)采用Cu中間層激光焊接可實現 TiNi形狀記憶合金絲的精密連接。激光焊接頭組織和成分分布不均勻,可以見到組織差異明顯的四個區域,即柱狀晶區,灰色細針狀區,白色針狀區和黑色針狀區。

(2)焊縫區形成了固溶體Cu和Cu與 Ti的金屬間化合物CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti以及對 TiNi形狀記憶合金的形狀記憶效應效果起到重要作用的Ti3Ni4。

(3)焊縫區硬度值較高,且分布不均勻。接頭抗拉強度為489-536MPa,斷口為典型的韌-脆混合型斷口,形狀回復率達99%以上,幾乎與母材相當。

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Laser Welding of TiNi Shape Memory Alloy Using Pure Cu as Interlayer

LI Hong-mei,SUN Da-qian,WANG Wen-quan,HAN Yao-wu,DONG Peng
(Key Laboratory of Automobile Materials(Ministry of Education),School of Materials Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130025,China)

YAGlaser welding was used to join TiNi shape memory alloy thin wires with pure Cu as interlayer.The microstructural charactertics were investigated by means of optical microscopy,scanning electronic microscopy and micro-XRD et al.The tensile and bending tests were carried out to examine the mechanical properties and shape memory effect of the joint.Experimental results show that the joint has the heterogeneous microstructure and element distribution.B2,B19’,Ti3Ni4,Cu solid solution and the intermetallic compounds,such as CuTi,Cu4Ti3,Cu3Ti2,Cu3Ti2,Cu3Ti were detected in fusion zone by XRD test.The laser-welded joint exhibits the ultimate strength of 489-536 MPa with ductile-brittle mixed fracture mode,and the shape recovery ratio reaches to 99%.

laser welding;TiNi shape memory alloy;microstructure;mechanical property

TG456.7

A

1001-4381(2010)10-0009-04

國家自然科學基金資助項目(50975112)

2010-06-20;

2010-07-10

李洪梅(1982—),女,博士研究生,主要從事先進材料連接的研究工作,聯系地址:吉林大學材料科學與工程學院(130025),E-mail:lihm08@mails.jlu.edu.cn