TiNi記憶合金激光焊接缺陷分析

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 歐陽(yáng)捷 陳 俐 苗 瑋

形狀記憶合金( Shape Memory Alloy—SMA)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型功能材料，在外力作用下發(fā)生塑性變形，加熱達(dá)到某一溫度之上，將恢復(fù)變形前的形狀，被稱為形狀記憶效應(yīng)。NiTi 形狀記憶合金是目前應(yīng)用較為廣泛的一種記憶合金，它除了具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐磨損、耐腐蝕和生物相容性好等特點(diǎn)外,還具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性(Superelasticity Effect—SE)，延伸率可達(dá)20%以上,恢復(fù)應(yīng)變大,穩(wěn)定性好,疲勞壽命達(dá)100 次,而且具有比強(qiáng)度高、生物相容性優(yōu)、耐腐蝕、耐磨損和高阻尼的特性，已應(yīng)用于飛行器、核反應(yīng)堆、建筑、橋梁、海洋結(jié)構(gòu)及日常生活中，具有控制、減振和耐磨等作用，可以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。隨著人們對(duì)TiNi形狀記憶合金材料研究的進(jìn)一步深入，對(duì)記憶合金的加工技術(shù)也提出了新的要求，其中之一就是焊接技術(shù)。激光焊接屬于高能束流焊接，加熱集中，對(duì)材料熱損傷小，這對(duì)形狀記憶與超彈性合金焊接后仍可保持一定的形狀記憶與超彈性是十分有利的，而且激光焊接變形小[1]。為了制備出復(fù)雜記憶合金結(jié)構(gòu)件，并降低成本，國(guó)外十分重視激光焊接應(yīng)用技術(shù)研究[2-4]。然而，目前形狀記憶合金結(jié)構(gòu)焊接制造方面還存在困難，國(guó)內(nèi)有關(guān)激光焊接TiNi記憶合金的基礎(chǔ)性研究還比較少，相關(guān)焊接應(yīng)用技術(shù)研究缺乏，且尚無(wú)關(guān)于焊縫缺陷的機(jī)理研究。本文在前人研究TiNi記憶合金激光焊接已有成果的基礎(chǔ)上[3,5]，針對(duì)TiNi記憶合金激光焊接焊縫中出現(xiàn)的主要缺陷展開(kāi)分析，研究缺陷的成因，為缺陷控制的工藝改進(jìn)提供參考，使TiNi記憶合金的激光焊接領(lǐng)域拓展有更好的前景。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

TiNi合金采用原料按預(yù)定成分配比(海綿鈦+電解鎳或海綿鈦+電解鎳+鈮)→熔煉(真空感應(yīng)+電弧重熔)→鍛造(1073K)→軋制(熱軋1073K，冷軋常溫)→20min，723K真空熱處理的過(guò)程制備，通過(guò)熱軋獲得1mm和2mm厚的板材。Ti-50.9Ni合金的化學(xué)成分如表1所示。為了減少激光焊接對(duì)TiNi合金記憶功能特性的損傷，本文也探討了填加含稀土金屬材料的激光焊接工藝性。TiNi合金的稀土薄片制備過(guò)程為：原料(海綿鈦+電解鎳)按Ti：Ni的原子比50.9%配比，再加入重量比2%的混合稀土(La、Ce)→熔煉(真空感應(yīng)+電弧重熔)→鍛造(1073K)→軋制(熱軋1073K)，然后加工成25mm×2mm×0.2mm的條片狀。所有熱軋態(tài)Ti-50.9Ni合金板和稀土片均采用 1HF：2HNO3：10H2O 化學(xué)酸洗去除氧化膜，單面厚度減薄為0.1mm左右，焊前再丙酮清洗去除表面油污。

表1 TiNi合金化學(xué)成分%

激光器采用英國(guó)Gsi Lumonics公司生產(chǎn)的AM356型連續(xù)YAG激光器，最大功率4.5kW，配置透鏡式聚焦的HIGHYAG激光焊接頭，其有兩路鏡片保護(hù)氣(shielding gas and purging gas)，YAG激光焊接系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。焊接過(guò)程YAG激光焊接頭由ABB公司制造的IRB2400/16型工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)光式Y(jié)AG激光焊接。

表2 激光器的主要技術(shù)指標(biāo)

TiNi形狀記憶合金焊接需采用專用的焊接工裝提供焊接區(qū)域的氣體保護(hù)，側(cè)吹及托罩氣保護(hù)裝置和焊接夾具組合可實(shí)現(xiàn)三路氣保護(hù)，即焊接熔池側(cè)吹氣保護(hù)、焊縫表面高溫區(qū)(250℃以上的區(qū)域)的托罩氣保護(hù)和焊縫背面的夾具氣保護(hù)。三路保護(hù)氣均采用純度為99.99%的氬氣，焊縫背面夾具氣流量10～15 l/min，提前送氣2～3s，焊縫表面高溫區(qū)的托罩保護(hù)氣流量10 l/min，側(cè)吹氣流與工件呈60°角度吹向焊接熔池。對(duì)接接頭試板焊接利用夾具進(jìn)行裝配, 填加稀土焊接則在焊前預(yù)置于對(duì)接間隙，所有試板的焊接方向均垂直于試板的軋制方向，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行X-ray探傷檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷，并利用工具顯微鏡觀察缺陷的尺寸和形狀，分析缺陷形成的機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1) 焊縫氣孔。

圖1 TiNi形狀記憶合金YAG激光焊接焊縫界面的氣孔特征Fig.1 Porosity feature of weld section for laser welding TiNi shape memory alloy

試驗(yàn)顯示，TiNi形狀記憶合金YAG激光具有良好的焊縫成形，在激光功率和焊接速度合理匹配條件下，焊縫X-ray探傷很難識(shí)別焊縫氣孔，但是對(duì) TiNi形狀記憶合金YAG激光焊縫進(jìn)行微觀組織分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫仍然存在微氣孔，如圖1所示。此外，對(duì)于未熔透的焊縫，焊縫氣孔主要出現(xiàn)在焊縫的根部；對(duì)于全熔透焊縫，氣孔出現(xiàn)位置隨機(jī)，但都位于焊縫晶界處。利用掃描電鏡(SEM)進(jìn)一步觀察，TiNi記憶合金激光焊接未發(fā)現(xiàn)鈦合金激光焊接因小孔效應(yīng)引起的焊縫氣孔，即氣孔內(nèi)壁存在熔池流動(dòng)痕跡的氣孔，而是氣孔內(nèi)壁光滑，呈規(guī)則圓形的氣孔，如圖2所示，根據(jù)已知鈦合金焊縫氣孔研究結(jié)果，將這一氣孔與鈦合金(BT20)在掃描電鏡的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)[6]，推測(cè)這種氣孔屬于氫氣孔。

圖2 TiNi形狀記憶合金激光焊氣孔SEM形貌特征Fig.2 SEM weld porosity feature for laser welding TiNi shape memory alloy

TiNi形狀記憶合金YAG激光焊接的焊縫中還可觀察到一種氫依附于未完全熔化氧化膜直接形成的氣孔，如圖3所示，氣孔的基本特征是形狀不規(guī)則，孔內(nèi)一般可以發(fā)現(xiàn)尚未熔化的氧化膜，內(nèi)壁有微小的氣孔，說(shuō)明該氣孔是聚集長(zhǎng)大所成，這可能與所研究材料表面殘存的氧化膜有關(guān)。對(duì)于TiNi形狀記憶合金激光焊接，只要焊前表面處理合理，焊接過(guò)程氣體保護(hù)效果良好，可有效地避免此類焊縫氣孔的產(chǎn)生。

圖3 2mm厚的TiNi形狀記憶合金YAG激光焊縫與氧化膜相關(guān)氫氣孔特征Fig.3 Weld hydrogen porosity formed from oxide film for TiNi shape memory alloy with 2mm thickness

(2) 焊縫裂紋。

許多研究認(rèn)為，TiNi形狀記憶合金由于組織脆性易于產(chǎn)生焊接裂紋，但試驗(yàn)結(jié)果表明，在所研究條件下，2mm厚TiNi合金采用YAG激光連續(xù)焊接時(shí)裂紋傾向性低，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋。但TiNi合金填加稀土進(jìn)行激光焊接時(shí)，焊縫產(chǎn)生了裂紋，以焊縫橫向裂紋為主。通過(guò)焊縫截面金相掃描電鏡進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋主要分為焊縫中心線開(kāi)裂的裂紋和沿柱狀晶開(kāi)裂的晶間裂紋2種。對(duì)于填加稀土的激光焊接焊縫，由于稀土質(zhì)點(diǎn)析出產(chǎn)生應(yīng)力集中，而TiNi形狀記憶合金屬于金屬間化合物，焊縫本身具有較大的脆性，從而易于導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

圖4(a)為焊縫中心線的裂紋。通常，熔化焊縫組織結(jié)晶的主軸方向總是與散熱最快的方向或者說(shuō)與最大溫度梯度方向一致，熔池的最大散熱方向垂直于結(jié)晶等溫面。因此，焊縫柱狀晶的生長(zhǎng)方向總是垂直于結(jié)晶等溫面。在焊接速度較低時(shí)，焊接熔池近似為橢球形，結(jié)晶組織以彎曲形狀向焊縫中心成長(zhǎng)。在高速焊接時(shí)，熔池變窄變長(zhǎng)，晶粒主軸生長(zhǎng)方向近似與焊縫中心線垂直。當(dāng)晶粒主軸垂直于焊縫中心時(shí)，在焊縫中心形成脆弱的結(jié)合面，在橫向收縮拉伸應(yīng)力作用下就形成了沿焊縫中心線開(kāi)裂的縱向長(zhǎng)裂紋。由于激光焊接的速度較快，加之填加的稀土含有較多的脆性相，而焊縫中心是最后凝固部位，使得稀土質(zhì)點(diǎn)往往在焊縫中心析出，引起焊縫中心開(kāi)裂，產(chǎn)生孔洞，在焊接過(guò)程的應(yīng)力作用下很容易形成沿焊縫中心線的裂紋。因此，控制焊接速度，匹配合理的線能量，降低焊接過(guò)程應(yīng)力，將有利于減少中心線裂紋的產(chǎn)生。

圖4(b)為晶間裂紋，當(dāng)焊接速度提高時(shí)，雖然焊縫組織得到細(xì)化，但另一方面快速冷卻也有利于柱狀晶的快速生長(zhǎng)，從而得到方向性極強(qiáng)的小的柱狀組織。那些具有相同散熱條件的細(xì)小的柱狀晶沿相同的方向生長(zhǎng)，而形成一個(gè)一個(gè)的柱狀晶集團(tuán)，這種結(jié)晶形式稱為“束狀晶”，在束狀晶之間的界面上形成有利于裂紋產(chǎn)生的條件。對(duì)于填加稀土的激光焊接焊縫，稀土質(zhì)點(diǎn)析出也會(huì)出現(xiàn)在柱狀晶晶界，由于稀土質(zhì)點(diǎn)析出產(chǎn)生應(yīng)力集中，而TiNi形狀記憶合金屬于金屬間化合物，焊縫本身具有較大的脆性，從而易于導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。又由于記憶合金焊縫的脆性，裂紋由焊縫中心產(chǎn)生，沿柱狀晶晶界向熔合線方向擴(kuò)展，一般擴(kuò)展至熔合線附近停止，可見(jiàn)，記憶合金填加稀土激光焊接的關(guān)鍵是控制裂紋的形成，這在很大程度上與稀土薄膜的制備質(zhì)量有關(guān)。

圖4 TiNi形狀記憶合金填加稀土激光焊接裂紋Fig.4 Weld crack of laser welding with filling rare-earth sheet for TiNi shape memory alloy

3 結(jié)論

(1)TiNi記憶合金焊縫中氣孔的形成與焊接過(guò)程中合金表面氧化膜有關(guān)，因此在焊接前對(duì)焊接區(qū)域的金屬表面進(jìn)行清洗去除氧化膜，可減少焊縫中氣孔的生成。

(2)TiNi記憶合金激光焊接裂紋傾向性小，然而現(xiàn)有研究條件下填加稀土的激光焊接的焊縫易于產(chǎn)生氣孔與裂紋。從對(duì)焊縫裂紋產(chǎn)生的機(jī)理分析來(lái)看，激光焊接TiNi記憶合金時(shí)，激光焊接速度提高會(huì)增加裂紋產(chǎn)生的傾向，因此焊接速度是焊縫中心線裂紋和晶間裂紋產(chǎn)生的原因之一。

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