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TiNi形状记忆合金与不锈钢激光微焊接技术教学设计前言TiNi形状记忆合金（Nitinoi）具有优异的形状记忆性和超弹性，在医疗、航空航天、电子、机器人等领域有广泛应用前景。
而不锈钢（Stnless Steel，以下简称SS）因其耐腐蚀性、强度等特性被广泛使用。
本文介绍了TiNi形状记忆合金和SS激光微焊接技术的实验设计，通过实验教学来深入理解这两种材料的性质及激光微焊接技术的原理。
实验流程实验一：TiNi形状记忆合金的热失配应变实验目的通过实验，了解TiNi形状记忆合金的热失配应变原理及其在实际应用中的作用。
实验器材•TiNi形状记忆合金线（直径0.15mm）•恒温水槽•温度计实验步骤1.取一段TiNi形状记忆合金线，将其加热到A相，然后通过弯曲、拉伸、扭曲等方式形成记忆形状；2.将形成的记忆形状的TiNi形状记忆合金线置于恒温水槽中，等待其冷却至M相；3.观察TiNi形状记忆合金线的形状变化，记录其失配应变程度；4.将TiNi形状记忆合金线重新加热，将其恢复原来的记忆形状。
实验结果经过实验，可以观察到TiNi形状记忆合金经过冷却后，会失去原来的形状，出现明显的失配应变，这是因为TiNi形状记忆合金在A相和M相之间的相变所导致的。
通过对TiNi形状记忆合金的加热，再次出现原始形状，这是因为相应的相态发生了变化。
实验二：不锈钢激光焊接技术实验目的通过实验，理解SS激光微焊接技术的原理、注意事项及基本操作流程。
实验器材•SS板材•光纤激光器•光学打标头•显微镜•银制导轨实验步骤1.准备SS板材，切割、打孔等预处理；2.启动光纤激光器，利用光学打标头计算出焊接路径；3.调整光束大小、功率、速度等参数；4.安装样品到银制导轨上；5.开始焊接，观察整个焊接过程，进行记录。
实验结果经过实验，可以得出不锈钢激光微焊接技术是一种高精度、高效率的材料连接技术。
在实际应用中可以优化结构、提高制造精度，具有广泛的研究和应用前景。
目 录摘要 (1)ABSTRACT (2)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 形状记忆合金 (2)1.2.1 形状记忆合金发展概况 (2)1.2.2 形状记忆合金形变机制 (3)1.3 N I-T I形状记忆合金 (6)1.3.1 N I-T I形状记忆合金的主要性能及应用 (6)1.3.2 N I-T I形状记忆合金焊接技术的国内外发展概况 (7)1.3.3 N I-T I形状记忆合金断裂情况的研究现状 (8)1.4 本文研究的主要内容及意义 (10)第二章爆炸焊接技术 (11)2.1 爆炸焊接技术的理论研究概况及应用 (11)2.2 爆炸焊接原理 (12)2.2.1 爆炸焊接过程 (12)2.2.2 爆炸焊接的流体力学机理 (12)2.2.3爆炸焊接特点 (17)2.3 爆炸焊接对材料力学性能的要求 (18)2.4 爆炸焊接工艺参数的选择 (19)2.4.1 爆炸焊接参数之间的关系 (19)2.4.2 爆炸焊接可焊性窗口 (23)第三章 NI-TI合金板爆炸焊接试验研究 (25)3.1 前言 (25)3.2 试验材料 (25)3.2.1 母材化学成分及加工工艺 (25)3.2.2 母材金相显微组织 (26)3.2.3 N I-T I合金的性能分析 (29)3.3 爆炸焊接工艺设计 (33)3.3.1 爆炸焊接工艺流程 (33)3.3.2 爆炸焊接工艺参数 (33)3.3.3 爆炸焊接的安装与起爆方法 (37)3.4 试验方案 (39)3.5 试验结果分析 (40)3.5.1 焊接界面显微组织 (41)3.5.2 焊接界面的扫描电镜分析 (43)3.5.3 焊接前后母材金相组织的对比分析 (46)3.6本章小结 (48)第四章 NI-TI合金与异种金属爆炸复合试验研究 (49)4.1 前言 (49)4.2 N I-T I合金与异种金属爆炸焊接试验研究 (50)4.2.1 试验材料的主要性能 (50)4.2.2 试验工艺设计 (50)4.2.3 试验方案与过程 (52)4.3 试验结果分析 (54)4.3.1 焊接界面金相显微组织分析 (54)4.3.2爆炸复合板显微硬度的变化 (55)4.4 本章小结 (56)第五章 结论与展望 (57)5.1 结论 (57)5.2 展望 (58)参考文献 (59)致谢 (62)攻读硕士学位期间发表的学术论文 (63)作者简介 (64)第一章绪论1.1 引言20世纪80年代以后，世界各国对新材料的开发都非常重视。
第15卷 第4期2008年12月 兰州工业高等专科学校学报Journal of Lanzhou Polytechnic CollegeVol.15,No.4Dec.,2008文章编号:1009-2269(2008)04-0053-03TiNi形状记忆合金连接的研究现状与展望3王非森1,高 增2,文申柳1,陈 玲1(1.四川化工职业技术学院机电系,四川泸州 646000;2.河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作 454000)摘要:采用传统的焊接方法难以实现TiNi形状记忆合金的连接,限制了它的应用.对TiNi形状记忆合金的分类及性能进行概括,论述了目前熔化焊、固态焊和钎焊在TiNi形状记忆合金上的应用,并简要分析了现有连接方法的不足.关 键 词:TiNi形状记忆合金;记忆效应;连接技术中图分类号:T G457.19文献标识码:A TiNi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性,比强度高、抗腐蚀、抗磨损和生物相容性好等特点,在航空航天、原子能等领域有着广阔的应用前景.随着TiNi形状记忆合金的广泛应用,开展TiNi合金连接技术,提高形状记忆合金的焊性、获得优质焊接接头的研究工作显得更为重要和迫切.1 TiNi形状记忆合金的分类及性能 TiNi形状记忆合金按记忆效应可分为三种:1)单程记忆效应.较低温度下变形,加热后恢复变形前形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应.2)双程记忆效应.某些合金加热时恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应.3)全程记忆效应.全程记忆效应[1]为,加热时恢复高温相形状,冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状.以上三种形状记忆合金均具有如表1、表2、表3的性能[2].表1 T iNi合金的物理性能密度/(g cm-3)熔点/℃比热溶J/(kg・k)线膨胀系数×10-6/℃热传导率w/(m・k)电阻比×10-6/Ωcm6～6.51240～131025～33100.2150～110表2 T iNi合金的力学性能硬度(HV)拉伸强度/MPa形状记忆合金屈服强度/MPa超弹性合金屈服强度/MPa延伸率(%)(马氏体相) 180～200(奥氏体相)200～350(热处理后)686～1078(未热处理)1274～1960(马氏体相)49～196(奥氏体相) 98～588(加载时)98～588(卸载时)0～29420～603收稿日期:2008-10-05作者简介:王非森(1982-),男,四川泸县人,助教.表3 T iNi合金的形状记忆性能相变温度(Ms点)/℃温度滞后/℃形状回复量(循环次数N)N<<105N=105N=107最大回复应力/MPa热循环寿命/次耐热性/℃-50～1002～306%以下2%以下0.5%以下588105～107～2502 TiNi形状记忆合金的连接现状 对于TiNi形状记忆合金焊接性的研究,目前仅在氩弧焊、摩擦焊、电子束焊、激光焊、电阻焊和钎焊等领域进行了初步试验[3～5].Ti-Ni合金焊接接头不仅应保证具有一定的强度和塑性,而且要尽量保持它的记忆功能,所以,它比一般材料更难连接,连接工艺受到的限制也更多,这就给焊接技术带来了一定的困难.2.1 TiNi形状记忆合金的熔化焊TiNi形状记忆合金熔焊中存在的主要问题是[5～6]:1)由于N、O、H等的溶入使接头变脆;2)焊缝中产生的铸造组织严重阻碍马氏体相变而影响其形状记忆效应;3)热影响区晶粒长大破坏母材有序的点阵结构而影响其形状记忆效应;4)容易形成金属间化合物(如Ti2Ni、TiNi3),对接头的强度和形状记忆效应都有不良影响.文献[7]介绍了采用He气保护钨极电弧焊来连接Ti-Ni合金时,焊缝呈细的树枝状组织,接头的形状记忆效应和力学性能都不佳.而Akari[8]利用10kW CO2激光器连接厚度为3mm的Ni Ti 合金板,尽管焊件具有优异的形状记忆效应和超弹性,但接头拉伸强度较低.由于熔合区晶粒粗大,致使焊件断裂在焊缝金属中.文献[7]报道了有关电子束焊Ti-Ni合金焊接接头的力学性能,断裂发生于焊缝中部或焊趾部位半熔化区,焊趾部位有纵、横小裂纹存在,通过研磨能够去除裂纹,经过热处理后,晶粒明显细化,但没有研究其形状记忆效应.2.2 TiNi形状记忆合金的固态焊接固态焊接具有接头区金属微观结构变化小、能在较低的温度下获得焊接接头(相对于熔化焊)及没有熔融金属等优点,对于TiNi合金来讲,此方法是一种十分有发展潜力的焊接方法.Shinoda[9]采用摩擦焊和焊后热处理,成功连接了直径为6mm的TiNi金属棒,获得了良好的结果.摩擦焊时所用的顶锻压力为39.2～196.1M Pa.焊后热处理条件为:773K,30min,冰水淬火.焊接接头经热处理后,力学性能和形状记忆效应均很好,但不能保证工件结合面的几何精度.储能摩擦焊能够连接非轴对称的部件,但在焊接时需要施加一个高轴向力,快速的热循环和高轴向力将使受热变形的塑性金属挤出结合面,进而得到致密的接头,但这对TiNi合金的形状记忆效应会造成不利的影响[9].牛济泰等研究了直径为0.5mm的Ti-55. 2%Ni形状记忆合金丝网结构中的十字搭接头的点焊.试验中对比了精密时间控制的交流点焊和储能点焊两种工艺方法,并研究了氩气保护的影响.两种工艺方法所获得的焊接接头的形状记忆恢复率均可达到98%以上.力学性能方面交流点焊方法优于贮能脉冲点焊,交流点焊接头和储能脉冲点焊接头的最大抗剪强度分别为700M Pa和500M Pa,其最大抗拉强度分别为1200M Pa和1 000M Pa[10].扩散焊通过在高温下施加一定的压力实现材料的连接,被连接工件没有明显的宏观变形[11].在结合面处填加一种填充金属,这是连接形状记忆合金非常有潜力的方法.2.3 TiNi形状记忆合金的钎焊文献[12]报导了一种适于TiNi合金之间或与其它金属之间的连接软钎焊方法.此方法要求钎剂的活性温度及钎料熔化温度均低于TiNi合金的退火温度,以使母材的形状记忆性能和超弹性不受影响.T.Y.Yang等在红外线加热炉氩气流中以纯Cu和Ti-15Cu-15Ni箔片为钎料对Ti50Ni50形状记忆合金进行了钎焊,研究了钎缝的组织及接头的形状记忆特性.结果表明,采用纯Cu钎料时,钎缝由富Cu相、CuNi Ti(Δ)相和Ti(Ni,Cu)相组成,其中富Cu相在钎焊最初10s内就迅速消失,接头由CuNi Ti和Ti(Ni,Cu)共晶组织组成,且随钎焊时间的延长,CuNi Ti相逐渐减少,钎焊温度为1150℃、钎焊时间为300s时,钎焊接头・45・ 兰州工业高等专科学校学报 第15卷在130℃形状回复率达99.9%,与母材相当,延长钎焊时间有助于提高接头形状回复率.而采用Ti -15Cu -15Ni 钎料时,接头形成Ti2(Ni ,Cu )脆性化合物相,使弯曲试验不能完成,该脆性化合物难以消除[13].3 结语 1)常规焊接方法难以精确控制TiNi 形状记忆合金焊缝的化学成分、微观组织和相变温度,难以获得与母材一致的等同形状记忆效应;2)固相连接方法如摩擦焊和电阻焊是很有潜力的。
镍钛形状记忆合金爆炸焊接技术的试验研究
镍钛形状记忆合金（Nitinol）是一种具有形状记忆和超弹性特
性的合金材料。
它具有良好的机械性能和可调节的形状变化能力，并且可以通过外部因素（如热、应力或电流）触发和控制形状变化。
因此，镍钛形状记忆合金在许多领域都有广泛应用，如医疗器械、航空航天和机械工程等。
爆炸焊接技术是一种利用爆炸冲击波产生的高温和高压，使材料在接触面上迅速融合的金属连接技术。
相比传统的焊接方法，爆炸焊接具有焊缝质量好、焊接速度快和适用于不同厚度的材料等优点。
因此，爆炸焊接技术被广泛应用于航空航天、国防和石油化工等领域。
在试验研究中，镍钛形状记忆合金的爆炸焊接可以实现两个或多个部件的连接。
首先，选取适当的形状记忆合金材料，并准备好要焊接的部件。
然后，在安全的环境下进行焊接试验。
焊接试验中，将爆炸焊接装置安装在两个部件的接触面上，并通过电力或物理方法触发爆炸。
爆炸产生的冲击波将会迅速加热并融化接触面上的材料，形成均匀的焊缝。
最后，等冷却后，形状记忆合金将恢复到其预定的形状，完成焊接过程。
通过试验研究，可以评估爆炸焊接技术在镍钛形状记忆合金连接中的适用性和效果。
通过改变焊接参数和材料特性，可以优化焊接过程，并获得较好的焊接质量。
此外，还可以对焊接接头的力学性能和形状记忆性能进行测试和分析，以验证焊接接头的可靠性和稳定性。
综上所述，镍钛形状记忆合金爆炸焊接技术的试验研究对于深入理解和应用该技术在实际工程中具有重要意义。
镍钛基形状记忆合金管接头概述镍钛基形状记忆合金（NiTi）是一种具有智能功能的材料，可以通过温度的变化实现形状记忆和超弹性的特性。
在工程领域中，NiTi合金广泛应用于各种设备和构件中，其中包括管接头。
本文将对镍钛基形状记忆合金管接头进行详细介绍，包括工作原理、设计要求、制造工艺以及应用领域等方面。
工作原理形状记忆合金具有两种特殊的状态：奥氏体相和马氏体相。
在低温下，NiTi合金处于马氏体相状态，此时其具有较大的弯曲和形变能力。
当温度升高到临界温度以上时，NiTi合金会自动恢复到奥氏体相状态，并回复到其初始形状。
这一过程称为形状记忆效应。
通过利用这一特性，镍钛基形状记忆合金管接头可以实现自动连接和断开，从而实现各种应用需求。
设计要求1.材料选择在设计镍钛基形状记忆合金管接头时，材料选择是至关重要的一步。
合适的材料需要具备以下特点：具有良好的形状记忆效应、超弹性和耐腐蚀性能。
2.结构设计结构设计需要考虑以下几个方面：接头连接性能、密封性能、承压性能和可靠性。
合适的设计可以保证管道连接牢固、密封可靠并能够承受一定的压力。
3.温度控制由于形状记忆效应依赖于温度的变化，因此需要在设计中考虑温度控制的方式。
常见的方法包括传感器监测和控制系统，确保温度在预定范围内控制，以实现形状变化和记忆效应。
4.可靠性和耐久性接头需要具备良好的可靠性和耐久性，能够承受重复连接和断开的应力，并长时间保持良好的性能。
制造工艺镍钛基形状记忆合金管接头的制造工艺一般包括以下几个步骤：1.材料制备首先需要选择合适的镍钛基形状记忆合金材料，并对其进行加工和处理，确保其具备所需的性能，如形状记忆效应和超弹性。
2.结构设计与加工根据具体应用需求，设计合适的管接头结构，并进行加工。
加工方式可以包括锻造、铸造、切割和焊接等方法，确保接头的形状和尺寸满足设计要求。
3.热处理通过热处理过程，可以改善镍钛基形状记忆合金的性能和晶体结构，提高其形状记忆效应和超弹性。
形状记忆合金、粉末冶金合金的钎焊形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认识，已经成为一个独立的学科分支，始于1963年。
当时美国海军试验室的一个研究小组，一次偶然的情况下发现了，因为Ti-Ni 合金工件温度的不同，敲击时发出的声音明显有所不同，说明其声阻尼性能与温度相关。
通过进一步研究，发现近等原子比的Ti-Ni合金有着良好的形状记忆效应，大约到1975年左右，相继开发出具有形状记忆效应的合金达20多种。
后来在一些铁基合金、尤其是FemnSi 基合金和不锈钢中也发现了形状记忆效应，有些很快在工业界获得了应用。
研究发现，凡是完全具有形状记忆效应的合金都具有相变伪弹性效应，有的合金可以实现双程形状记忆效应，有的可以实现全方位形状记忆效应，还发现Ti-Ni合金等在相变过程中存在着中间相，利用中间相变的可逆性，不仅大大地缩小温度滞后，且大幅度地改善了材料的疲劳寿命和记忆效应的稳定性。
双程形状的记忆效应、全方位形状记忆效应、R相变等现象的发现，为形状记忆合金的应用开拓了更广阔的前景。
目前形状记忆合金应用几乎涉及所有工业领域，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电及日常生活用品等。
其中TiNi形状记忆合金是所以合金中记忆性能最好、最稳定、发展最早、研究得最全面且应用最广的合金，这与其具有良好的物理性能、优异的力学性能、良好的形状记忆性能及特有的生物相容性能是分不开的。
对Ti-Ni形状记忆合金的钎焊工艺已开展了一些研究工作，方法主要有软钎焊、炉中钎焊、红外线钎焊、电阻钎焊及激光钎焊等。
Ti-Ni形状记忆合金的软钎焊适用于在惰性气氛条件下，连接Ti-Ni合金或Ti-Ni合金与其他金属的软钎焊方法是：首先采用一种以乙醇胺为载体、氟化物为去膜成分、另外至少含两种金属氯化物的钎剂去除Ti-Ni合金表面的氧化膜，同时钎剂中的金属在母材表面形成一层熔敷金属膜防止母材再次被氧化；然后在二连接工件之间加入一种钎料，熔融的钎料与母材表面熔敷的金属膜作用形成接头。
标题：电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究摘要：镍钛铌形状记忆合金作为一种新型功能材料，其相变特性对于其在微电子、生物医学及航空航天等领域的应用起着至关重要的作用。
本文将从电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究展开讨论，通过全面评估该方法的深度和广度，为读者呈现一篇有价值的文章。
一、引言镍钛铌形状记忆合金是一类具有记忆性能的合金材料，其相变点的测量对于其应用具有重要意义。
电阻法是一种常用的测量方法，本文将从电阻法原理、影响因素以及研究现状入手，深入探讨镍钛铌形状记忆合金相变点的测量。
二、电阻法测量原理在电阻法测量中，镍钛铌形状记忆合金的相变点可以通过其电阻值的变化来确定。
当合金处于相变状态时，其晶格结构发生改变，导致电阻值发生明显变化。
通过测量电阻值的变化，可以精确确定相变点的位置。
三、影响因素分析在电阻法测量中，影响镍钛铌形状记忆合金相变点的因素有很多，例如温度、应变速率、合金成分等。
这些因素对于相变点的测量精度具有重要影响，需要进行全面分析和评估。
四、研究现状目前，关于电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究已经取得了一定的进展。
不同学者通过设计不同的实验方案和测量方法，对相变点进行了深入探讨，并取得了一些重要的成果。
五、个人观点和理解在我看来，电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究是一项前沿而有挑战性的工作。
其深度和广度需要不断拓展，才能更好地应用于实际工程中。
我对这一课题充满了好奇和热情，希望能够通过不懈努力，为这一领域的发展贡献自己的力量。
总结：通过对电阻法测量镍钛铌形状记忆合金相变点的研究，我们可以看到这一领域的发展潜力和应用前景。
通过深入分析和讨论，可以更好地理解其测量原理、影响因素以及研究现状，为读者提供一篇有价值的文章。
在文章中，我们从电阻法测量原理、影响因素分析、研究现状等方面对镍钛铌形状记忆合金相变点的研究进行了全面评估和深度探讨，以便读者更深入地理解这一主题。
文章内容丰富，观点独到，为读者提供了一扇了解镍钛铌形状记忆合金相变点的窗户。
镍钛形状记忆合金爆炸焊接技术的试验研究镍钛形状记忆合金（NiTi SMA）是一种具有形状记忆特性的材料，具备优异的机械性能和热响应特性，因此在航空航天、医疗器械、汽车、微机械和纳米技术等领域得到了广泛的应用。
在这些应用中，焊接是一项常见的制造工艺。
本文将对镍钛形状记忆合金爆炸焊接技术展开试验研究。
一、爆炸焊接技术概述爆炸焊接技术是一种采用爆炸冲击波产生的瞬时高温和高压来实现焊接的方法。
该方法具有焊接速度快、热影响区小、强度高等优点，适用于焊接具有高熔点、难焊接的材料。
在镍钛形状记忆合金焊接中，由于其特殊的形状记忆特性和高温形变特性，爆炸焊接技术成为一种理想选择。
二、试验方法1. 材料准备：选取合适的镍钛形状记忆合金样品，并进行表面处理，保证焊接质量。
样品的厚度和几何形状应根据具体需要进行选择。
2. 实验装置：搭建适当的爆炸焊接实验装置，包括爆炸源、样品夹持装置、冷却装置等。
确保试验过程的稳定性和安全性。
3. 参数调节：根据具体试验需求，调节爆炸源的爆炸能量、夹持样品的力度以及冷却装置的温度等参数。
选定合适的参数对焊接效果的质量具有重要影响。
4. 进行焊接试验：将样品正确固定在夹持装置上，并保证在爆炸冲击波作用下，样品受力均匀。
记录焊接过程中的温度、应力以及位移等实验数据。
5. 检测焊接质量：通过金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计等检测设备对焊接接头进行检测和评估。
评价焊接质量的主要指标包括焊缝的完整性、无裂纹、无气孔等。
三、试验结果与分析通过对不同参数下的焊接试验，得到以下几点试验结果和分析：1. 爆炸焊接技术对镍钛形状记忆合金具有较好的适应性，焊接接头完整性良好。
2. 爆炸焊接过程中产生的高温和高压能够激活镍钛形状记忆合金的形状记忆特性，实现焊接接头的完全接触和结合。
3. 不同参数下的焊接结果存在一定差异，适当调节焊接参数可以获得满足需求的焊接接头质量。
四、研究意义与展望镍钛形状记忆合金爆炸焊接技术的试验研究为其在实际工程应用中的推广提供了可靠的理论和实验依据。
TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺及
接头性能研究的开题报告
题目：TiNi形状记忆合金与不锈钢瞬间液相扩散焊工艺及接头性能
研究
研究背景：随着科学技术的不断发展，新材料的应用不断拓展。
TiNi 形状记忆合金因其特殊的形状记忆和超弹性等特性，被广泛应用于医疗、航天、汽车和家电等领域。
而不锈钢具有高强度、耐腐蚀、易加工和可
焊接等优点，广泛应用于船舶制造、化工、建筑和食品加工等领域。
TiNi 形状记忆合金和不锈钢的组合具有很大的潜力，可以应用于制造具有复
杂形状和多功能的结构件，但是相应的焊接技术仍然具有挑战性。
研究目的：本研究旨在研究TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬间液相
扩散焊工艺，并研究焊接接头的力学性能、微观结构及组织演变，为实
现两种材料的联接提供依据和支持。
研究内容和方法：本研究将利用TiNi形状记忆合金和不锈钢进行瞬
间液相扩散焊实验，并通过SEM、TEM等手段对焊缝微观形貌和组织结
构进行表征，进一步分析识别驱动边界和莫尔关系，并探讨焊接过程中TiNi形状记忆合金和不锈钢之间的互动机制和界面反应。
基于此，优化焊接参数，探索合理的焊接工艺，并测试接头的力学性能和耐腐蚀性能。
研究意义：研究TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬间液相扩散焊工艺
及接头性能，可以推动两种材料的工业应用和联合设计。
此外，研究结
果对于表征瞬间液相扩散焊接头微观结构、机理和演变，也具有理论和
实践意义。
关键词：TiNi形状记忆合金、不锈钢、瞬间液相扩散焊、微观结构、力学性能。
TiNi形状记忆合金电阻钎焊技术薛松柏1, 吕晓春2, 张汇文2( 1.南京航空航天大学,南京 210016; 2.哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150080)摘 要:利用自行研制的数控交流电阻焊机,采用CuNi薄带钎料,配合改进型钎剂对T iNi形状记忆合金丝材的电阻钎焊技术进行了研究,分析了焊接热量、焊接时间、焊接压力及保护气体等参数对接头力学性能的影响规律,得到了获得优异力学性能的T iN i 合金丝接头的最佳焊接参数。
试验结果表明,焊接热量对接头的力学性能有着显著的影响。
研究结果表明,电阻钎焊技术可实现T iN i合金的可靠连接。
关键词:T iN i形状记忆合金;电阻钎焊;焊接参数中图分类号:T G454 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2004)01-01-04薛松柏0 序 言T iNi形状记忆合金除了具有比强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点外,其突出的特点是优异的形状记忆效应、超弹性,以及良好的生物相容性[1]。
在航空、航天、电子设备、医疗器械等方面有着广阔的应用前景,随之而来的TiNi形状记忆合金的连接技术便成为急待解决的问题[2]。
对于T iNi合金焊接性的研究,国内外报道的较少,目前仅在摩察焊、电子束焊、激光焊、电阻焊及钎焊等领域进行了初步的探索[2~5]。
采用熔焊方法连接时,由于铸造状组织的形成氮、氢、氧的侵入以及凝固过程中Ti2Ni、TiNi3等金属间化合物的析出对力学性能和形状记忆效应都有不利的影响[6]。
如果TiNi合金在其熔点或高于其退火温度焊接时,所期望的形状记忆效应和超弹性性能将受到严重的破坏甚至丧失[7,8]。
综合分析已有的试验研究结果,经过大量试验探索发现,对于T iNi形状记忆合金采用附有氩气保护的电阻钎焊方法较为合适,这是因为T iNi合金导热性差、电阻大、而焊接时间短、焊接热量低、加热集中、对母材的热影响小,同时钎料对母材有良好的浸润性,这些特点不仅有利于钎缝强度的提高,而且也最大程度地减少了接头形状记忆效应的丧失。
1 试验条件1.1 试验材料与焊前准备收稿日期:2003-11-14基金项目:2003黑龙江省科学技术计划重点项目(20031001)试验所用TiNi合金的规格为2.5mm 1.2 mm扁丝,其主要化学成分见表1;钎料为1.00m m 0.24mm CuNi薄带,其化学成分见表2;采用钎剂为现有钎剂((质量分数,%)AgCl25-KF25-LiCl50)的改进型(加入一定量的A x B y))。
表1 TiNi形状记忆合金的化学成分(质量分数,%) Table1 Chemical composition of TiNi shape memory alloy T i Ni M n Si Fe43.58余量0.010.0050.005表2 钎料的化学成分(质量分数,%)Table2 C hemical composition of filler m etal Cu Ni M n Fe Al S i55.6542.20 1.470.500.100.084焊前,母材及钎料先用丙酮进行清洗除油,然后将母材置于氢氟酸、硝酸和水的混合液中浸泡10~ 15min(室温),去除表面的氧化膜,最后将母材及钎料用酒精清洗干净,自然晾干备用。
1.2 试验方法试验采用的焊接设备是自行研制的DN25型数控交流电阻焊机,额定初级电流为66.8A,额定功率为25kW,次级空载电压为4V。
该焊机可实现焊接过程中多参数的同步精确控制,能准确地控制焊接热量大小和焊接时间长短,焊接压力可通过电磁气阀根据焊接要求准确控制。
采用内部水冷电极及与焊接同步的氩气保护。
试件接头采用搭接形式,在钎料薄带与母材之间的接触面上涂以一定量钎剂(预先将钎剂搅拌成第25卷 第1期2004年2月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INST ITUT IONVol.25 No.1February2004膏状),分别采用加氩气保护和不加氩气保护,经过预压阶段、通电焊接阶段及维持加压阶段完成一个焊接过程。
焊后利用Zw ick I型微机控制电子拉伸试验机测定接头拉剪强度。
2 试验结果与讨论2.1 焊接热量调节对接头力学性能的影响基于试验分析,选定的焊接工艺规范参数见表3。
表3 焊接工艺规范参数Table3 Welding parameters焊接热量调节01234焊接时间 t/cycles5焊接压力 p/M Pa0.14由于焊接热量调节(当焊接热量调节为0时,可控硅的导通角为30!;当焊接热量调节为10时,可控硅的导通角为90!)直接影响着接头的热输入,因此很大程度上决定着接头的质量。
图1所示为焊接热量调节与接头拉剪强度的关系。
从图中可以看出,随着焊接热量调节的增大,接头的强度随之升高,并在焊接热量调节为1时具有峰值,焊接热量调节的进一步增大,强度开始下降。
分析以上结果,认为当焊接热量调节小时,钎缝接合区所获得的热量小,因此,接合区的温度较低,钎剂的活性降低。
另外由于温度低,接合面的热塑性变形较小,不足以使接合面的氧化膜破裂。
这两方面影响了氧化膜的去除,进而妨碍了钎料对母材的润湿,接头的钎着率低。
当承受剪切力时,接头接合面处承受面积小,很容易在搭接部位断开,所以强度较低。
从接头拉伸断面的宏观形貌也证明了这一点,试件接合区母材的原貌清晰可见,未发现有钎料润湿的痕迹。
而焊接热量调节大时,虽然钎剂与钎缝接合面热塑性变形的共同作用使母材表面氧化膜能够得以很好的去除,但由于温度过高,导致钎料与母材发生剧烈的反应,形成了新的化合物相。
同时较大的热输入对母材的热影响较大,母材晶粒粗化,原有的TiNi3化合物相会急剧长大,接头的脆性组织较多,使位错密度增大,在接头及热影响区形成了潜在的裂纹源,接头的塑性较差,在拉伸时很容易在钎缝及热影响区折断。
因此焊接热量调节的大或小都不能得到性能优良的接头,只有当焊接热量调节适当时,才能获得强度和塑性都较高的钎焊接头。
图1 焊接热量调节与拉剪强度的关系Fig.1 Relation betw een welding heat adjustmentand tensile shear strength2.2 焊接时间对接头力学性能的影响根据电阻焊热量计算公式Q=I2Rt(I为电流强度、R为接触电阻、t为焊接时间)可以看出,当焊接热量调节一定、母材采用相同的焊前处理时,热量Q与焊接时间t成线性关系。
图2所示为焊接时间与拉剪强度的关系。
试验结果表明,焊接时间短时,热量小,钎剂活性不够,接合面处的氧化膜不能充分被去除。
同时熔化的钎料与母材的相互作用时间短,甚至钎料不能够完全熔化,致使钎着率低,不能形成致密的钎缝。
而焊接时间过长时,过大的热量使钎料与母材的作用程度剧烈,钎缝处形成脆性的化合物。
同时母材的晶粒由于过多的热输入而粗化,这些都会不同程度地造成接头强度的降低。
同时采用氩气保护的钎焊接头的强度比不采用氩气保护的高25%左右。
在没有氩气保护的条件下,钎焊时间短时,由于自身的接合程度对母材的力学性能起着决定性的作用,所以氩气保护的作用对强度影响不明显,但从外观颜色上可以明显看到钎缝被氧图2 焊接时间与拉剪强度的关系Fig.2 Relation between welding time and tensile shearstrength(w elding heat:1,w elding press ure:0.14M Pa)2 焊 接 学 报第25卷化的结果。
随着钎焊时间的延长,热量逐步加大,氩气的保护作用效果明显。
这主要是由于热输入较大时,如果没有氩气保护,接头高温区受氮、氢、氧等侵入而生成的各种氧化物或氮化物等夹杂物影响钎料填缝,同时使接头严重脆化,故接头强度降低。
要明确的是焊接时间不是一个独立的参数,它的选择依赖于焊接热量调节的大小,它们共同决定着焊接温度的高低。
2.3 焊接压力对接头力学性能的影响图3所示为焊接压力与接头力学性能的关系。
接头的强度随着压力的增大而提高,并在0.14MPa 时达到最大值。
从图2与图3对比可看出,焊接压力对接头强度的影响没有焊接热量显著,随着焊接压力的变化,接头强度的变化范围较小。
从该试验研究看,此技术对焊接压力的要求较宽松,因此焊接压力的调节范围较大,焊接压力的加大使接头金属的热变形增加,从而导致钎缝结合区晶粒细化,提高接头的强度。
但过大的焊接压力将使焊件发生明显的宏观变形,使接头的强度降低。
在焊接过程中,一方面由于母材表面粗糙程度不同,在适中的焊接压力作用下,使钎料薄带及母材接合面产生一定量的塑性变形,以使母材接合面与钎料之间达到微观上的全接触,避免了由于接合面的微观局部接触使瞬态焊接电流陡增,而产生飞溅。
另一方面焊接压力能够在热作用下使接合面产生一定量的热塑性变形,使接合面处的氧化膜破裂,从而钎剂能够通过氧化膜破裂处深入母材与氧化膜之间,通过氧化膜的剥离和溶解达到去膜的目的。
但过大的压力使接合面的热塑性变形较大,熔化的钎料被挤出接合面,会导致接合面处低温母材的直接接触,由于温度较低,难以实现原子的充分扩散,不利于结晶过程的进行,图3 焊接压力与拉剪强度的关系Fig.3 Relation between welding pressure and tensile shearstrength(welding heat:1,welding time:5cycles,ar gon shielded)从而降低接头的强度。
2.4 母材组织及钎缝组织分析利用光学显微镜对母材及电阻钎焊接头金相进行了观察,图4为母材的金相组织,图5为最佳工艺参数时钎焊接头的金相组织。
从图5中可以看出,接头处没有明显的热影响区,且钎缝连续、致密,说明焊接过程中对母材的热影响非常小,熔化的钎料能够充分填缝。
钎缝主要是由 相和Ni 3Ti 2相组成,这是由于钎缝区是直接由熔化的钎料快速冷却,因而保留了较多的高温相的缘故,这对T iNi 形状记忆效应及力学性能是有利的。
图4 母材的金相组织Fig.4 Microstructure of base metal图5 钎接接头的金相组织Fig.5 Microstructure of welded joint合金焊接接头的形状记忆性能与超弹性不仅是焊接时间、焊接温度的函数,而且也是所采用的焊接母材自身几何尺寸的函数,但对于该试验所采用的TiNi 合金母材在一定的条件下,所期望保持的形状记忆和超弹性性能主要与焊接时间、焊接温度有关,也就是钎缝所需热容量的大小。
与电阻点焊相比,电阻钎焊技术无需使焊接温度达到母材的熔点,只需使低熔点的钎料熔化即可,显然这样对母材的热影响得以最大程度的减小。
