時效對TiNi合金激光焊縫金屬逆相變溫度的影響

楊成功，單際國，2，任家烈

(1.清華大學 機械工程系，北京 100084;2.清華大學先進成形制造教育部重點實驗室，北京 100084)

針對TiNi形狀記憶合金激光焊接接頭的形狀記憶功能的研究表明［1－7］，TiNi形狀記憶合金激光焊接接頭的逆相變溫度與母材有著明顯的差別，這使焊接結構失去了實際使用價值.研究還發(fā)現(xiàn)［2］，焊縫區(qū)是決定焊接接頭逆相變溫度的關鍵區(qū)域.因此，研究焊縫金屬逆相變溫度的調控技術，對于實現(xiàn)焊接接頭逆相變溫度的控制具有重要意義.對TiNi形狀記憶合金進行時效處理，能夠促進富Ni沉淀相的析出，其相變溫度也會隨之變化［8－15］，據(jù)此推測，對焊縫金屬進行類似的時效處理，也會使焊縫金屬的逆相變溫度產生一定變化，但變化規(guī)律尚不清楚.為此，本文對焊縫金屬進行不同時間的時效處理，考察時效處理時間對焊縫金屬逆相變溫度As、Af的影響規(guī)律，并對影響機理進行了分析.

1 實驗

母材是2 mm厚的Ti－50.7%Ni(原子分數(shù)，下同)合金板，其化學成分(質量分數(shù)，%)如表1所示.焊接試樣的焊前準備方法及焊接方法與文獻［1］相同.

表1 Ti-50.7%Ni記憶合金的化學成分(質量分數(shù)/%)

將母材和焊縫金屬分別制成尺寸為2 mm×2 mm×0.5 mm的試樣，在Q2000型差熱分析儀上進行DSC測試，獲得逆相變溫度.測試過程中升溫和降溫速率均為10℃/min.時效處理采用SX3－4－13智能纖維電阻爐，時效溫度為500℃，保溫一定時間后，水淬.微觀組織分析在JSM－7001F型掃描電鏡和NEOPHOT32金相顯微鏡上進行.

2 結果與討論

焊縫具有良好的成形是焊接質量的基本保證，焊縫成形質量可通過熔透情況、深寬比以及表面成形質量等3個指標衡量.圖1為激光功率1 800 W，焊接速度 3 m/min，以及激光功率2 000 W，焊接速度3、4 m/min時焊縫橫截面形貌.由圖1可知，在所選的焊接工藝參數(shù)下，焊縫熔透情況良好，深寬比大，焊縫熔寬上下均勻.另外，從焊縫正、背面的宏觀形貌來看，焊縫表面成形良好，無明顯缺陷(圖2).因此，采用文中所選的焊接工藝參數(shù)能夠獲得焊縫成形良好的焊接接頭.焊縫金屬由于經歷了熔化－凝固的過程，其組織形貌完全不同于母材.文獻［1］和［2］的研究表明，TiNi形狀記憶合金母材為細小等軸晶，而焊縫金屬則為粗大的柱狀晶，二者組織上的明顯差異，以及焊縫金屬的基體相Ni含量、析出相、擇優(yōu)取向與母材的不同，使得焊縫金屬的逆相變溫度與母材產生顯著差異.

圖1 不同焊接工藝參數(shù)下焊縫橫截面形貌

圖2 不同焊接工藝參數(shù)焊縫正背面外觀

對不同焊接工藝參數(shù)的焊縫金屬進行不同時間的時效處理(20、30、40 min)，得到如圖3所示的DSC曲線.

圖3 不同焊接工藝參數(shù)和時效時間下焊縫金屬的DSC曲線

由圖3可知，未經時效的焊縫金屬其DSC曲線明顯不同于母材，其逆相變開始溫度要大大低于母材;隨著時效時間的增加，盡管焊接工藝參數(shù)不同，但所有焊縫金屬DSC曲線上的相變峰均向高溫方向偏移，即逆相變溫度均呈升高趨勢，使得焊縫金屬的逆相變溫度與母材的差異減小.時效過程中，馬氏體的逆相變過程中有中間相R相出現(xiàn)，但相變峰不明顯，隨著時效時間的延長，R相變峰消失，低溫馬氏體相(B19')相直接轉變?yōu)楦邷貖W氏體相(B2相).

從DSC曲線中提取不同時效時間焊縫金屬的逆相變溫度As、Af，如表2所示.由表2可知，不同焊接工藝參數(shù)、未經時效的焊縫金屬，其As、Af相差不大，均為－20、28℃左右，可見，焊縫金屬的逆相變溫度對焊接參數(shù)的變化并不敏感，即調整焊接工藝參數(shù)不能有效調控焊縫金屬的逆相變溫度.焊縫金屬的As遠低于母材(20℃)，而Af略低于母材(5℃以內).當時效20 min，As、Af均明顯升高，其中，As升高的幅度更大;隨著時效時間的延長，升高的幅度減緩.可見，時效處理能夠明顯提高焊縫金屬的As、Af，其中，As升高的更多.

表2 不同焊接工藝參數(shù)和時效時間下焊縫金屬的逆相變溫度

為了更加直觀地表達時效時間對焊縫金屬逆相變溫度As、Af的影響，將表2中數(shù)據(jù)整理為如圖4所示的曲線.由圖4可知，不同焊接工藝參數(shù)的焊縫金屬，其As、Af均隨時效時間的增加而升高，且As、Af與時效時間呈近線性關系，其中，As隨時效時間變化直線的斜率更大，說明隨著時效時間的增加，As升高的更快.時效20 min，3種焊接工藝參數(shù)條件下的焊縫金屬，其As尚低于母材，但Af已經接近或高于母材;時效30 min，焊縫金屬的As雖然接近于母材的水平，但Af卻比母材高了大約10℃;時效時間進一步增加，As、Af均高于母材.由此可見，時效處理能夠使焊縫金屬的As、Af顯著升高，其中，As升高的更多，但時效處理并不能將焊縫金屬的As、Af同時調控到母材的水平.

TiNi合金時效處理時，由于析出沉淀相，使得基體相的Ni含量降低，同時析出相的“釘扎”作用會增加馬氏體逆相變的阻力，使得逆相變溫度升高［9－12］.由此可以推測，焊縫金屬的時效處理之所以能夠提高焊縫金屬的逆相變溫度，可能與沉淀相的析出有關.圖5為母材和不同時效時間的焊縫金屬析出相形貌，其中白色細小顆粒為富Ni的析出相.由圖5(a)可知，母材的析出相尺寸大、數(shù)量多，而焊縫金屬的析出相尺寸小，且數(shù)量明顯遠少于母材(如圖5(b)、(d))，這是由于激光焊接過程中熔池冷卻速度很快，沉淀相來不及析出所致.析出相數(shù)量越少，對基體的“釘扎”作用越小，逆相變過程中相變阻力越小，低溫馬氏體穩(wěn)定性越低，使得逆相變溫度降低.時效30 min后，焊縫金屬的析出相數(shù)量明顯增加，尺寸也有所增加(圖5(c)、(e))，使得逆相變過程中相變阻力增大，低溫馬氏體穩(wěn)定性增加，逆相變溫度升高.另外，富Ni析出相數(shù)量增多，會使得基體相的Ni含量降低，逆相變溫度也會增加［9］.

圖4 時效時間對不同焊接工藝參數(shù)的焊縫金屬As、Af的影響

圖5 母材和時效前、后焊縫金屬的析出相形貌

3 結論

1)不同激光焊接工藝參數(shù)下的焊縫金屬，其逆相變溫度差異不大，即焊縫金屬As、Af對焊接參數(shù)并不敏感.

2)時效處理能夠明顯提高焊縫金屬的逆相變溫度 As、Af，其中 As增加的更多.時效初期，As、Af急劇增加，隨著時效時間的延長，增幅減緩.在時效溫度一定時(500℃)，短時間內(40 min)，焊縫金屬As、Af與時效時間呈近線性關系.通過時效處理，并不能將焊縫金屬As、Af調整到母材的水平.

3)時效處理能夠促進焊縫金屬沉淀相的析出，使得焊縫金屬逆相變溫度As、Af升高.

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