NiTi合金激光点焊接头的组织和性能

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1、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/(m·K)[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

2、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，

3、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

4、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

5、，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

6、。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。

7、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。2NiTi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φ0.5mm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500

8、W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