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TiNi形狀記憶合金與不銹鋼激光焊接頭裂紋分析及防止措施

文檔作者：李洪梅孫大千董鵬蔡曉龍2 文檔來(lái)源： 1.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2.中國(guó)科學(xué)院（長(zhǎng)春）應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月18日
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第33卷第12期
焊接學(xué)報(bào)
Vol.33 No.12
2012年12月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
December 2012
TiNi形狀記憶合金與不銹鋼激光焊接頭
裂紋分析及防止措施
李洪梅，孫大千，董鵬，蔡曉龍2
(1.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130025；
2.中國(guó)科學(xué)院（長(zhǎng)春）應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022)
摘要：采用激光焊對(duì)形狀記憶合金與不銹鋼異種材料進(jìn)行焊接，用掃描電鏡和
激光共聚焦顯微鏡研究了Ti合金/不銹鋼接頭裂紋及斷口特征，分析了焊縫裂紋的
形成機(jī)理，并提出了防止裂紋的措施。結(jié)果表明，裂紋多以微裂紋的形式出現(xiàn)于焊縫中
心和Ti合金側(cè)熔合區(qū).焊縫中存在大量的脆性化合物是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在原因，接頭
受到拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的必要條件，焊縫裂紋是二者共同作用的結(jié)果.通過(guò)焊接區(qū)
加鎳和鉆中間層材料、改變激光光斑位置、焊接區(qū)施加軸向力及優(yōu)化激光焊接參數(shù)的方
法均能在一定程度上改善焊縫金屬的裂紋敏感性，其中加金屬中間層效果更為明顯，加
鎳和鉆中間層后，接頭抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到372和347MPa,比未加中間層的接頭的抗拉
強(qiáng)度分別提高98.9%和85.6%.
關(guān)鍵詞：Tii形狀記憶合金；不銹鋼；激光焊；裂紋
李洪梅
中圖分類號(hào)：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253-360X(2012)12-0041-04
0序言
1試驗(yàn)方法
TiNi形狀記憶合金是一種新型的功能材料，它
試驗(yàn)采用口腔醫(yī)學(xué)牙齒正畸TiNi形狀記憶合
具有特殊的形狀記憶效應(yīng)和超彈性以及優(yōu)良的抗腐
金方絲與AIS1304奧氏體不銹鋼方絲作為母材，兩
蝕性和生物相容性，廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、
種絲的橫截面尺寸均為0.48mm×0.64mm,長(zhǎng)度
工業(yè)制造和醫(yī)療器械等領(lǐng)域1.隨著科學(xué)技術(shù)的
為30mm.兩種母材金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表1.采用
進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，往往需要將TiNi合金與其
JHM-1GY-300B型YAG激光焊接機(jī).焊前將TNi
它異種材料（例如不銹鋼）連接起來(lái)以滿足構(gòu)件或
合金絲和不銹鋼絲待焊端部分別用800號(hào)、1200
產(chǎn)品的某種使用要求，例如先進(jìn)衛(wèi)星艙門自啟閉裝
號(hào)、2000號(hào)砂紙磨平，用丙酮去除絲材試樣表面的
置、昆蟲型生物機(jī)械、腦動(dòng)脈瘤手術(shù)固定器、牙科復(fù)
油脂，用HF+HNO3的混合溶液去除試樣表面的氧
合矯治弓絲等.但是由于TiNi合金與不銹鋼焊接
化膜，而后清水沖洗吹干.將處理后的TiNi合金絲、
時(shí)，接頭中極易產(chǎn)生裂紋3-3，大幅度降低了接頭的
不銹鋼絲裝在自制的夾具上.由于為細(xì)絲激光熔
力學(xué)性能，這在很大程度上制約了TiNi合金的更廣
焊，焊接試驗(yàn)選用激光單脈沖法，焊接過(guò)程中采用氯
泛應(yīng)用
氣保護(hù)，脈沖頻率為1Hz,光斑直徑為b0.3mm,單
目前關(guān)于TiNi合金與不銹鋼接頭裂紋的形成
脈沖能量為5.4~11.8J,脈沖寬度為4~12ms.
機(jī)理及防止措施等方面的報(bào)道較少.文中采用激光
焊方法連接TiNi合金與不銹鋼，研究TiNi合金與不
表1TiNi合金與A1S304的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)，%）
銹鋼激光焊接頭的裂紋特征、形成機(jī)理及防止措施，
Table 1 Chemical compositions of TiNi alloy AISI304
為改善TiNi合金與不銹鋼的連接質(zhì)量提供必要的
C Si Mn P S Cr Ni Ti Fe
TNi合金
一
一
一
一
50.2余量
試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)
A1S13040.30.41.30.10.0719.38.0一余量
收稿日期：2012-09-13
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975122)
采用激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)和掃描電
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
42
焊接學(xué)報(bào)
第33卷
鏡(SEM)研究接頭的裂紋特征和斷口形貌；用能譜
對(duì)降低TiNi合金/不銹鋼焊縫裂紋敏感性是十分必
儀(EDS)研究接頭成分分布特點(diǎn)；采用微區(qū)X射線
要的.
衍射儀(micro-XRD)分析接頭的相組成.在室溫下
采用MTS810型拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭試樣進(jìn)行拉伸試
驗(yàn)，拉伸速率為0.2mm/min,重復(fù)3次.
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
TiNi
不銹鋼
2.1激光焊縫的裂紋特征
TiNi形狀記憶合金與不銹鋼異種材料激光焊縫
200μm
裂紋是影響接頭力學(xué)性能的重要因素.研究發(fā)現(xiàn)，
TiNi合金/不銹鋼異種材料激光焊縫中的裂紋多以
圖3接頭宏觀裂紋
微裂紋的形式出現(xiàn)于焊縫中心和TiNi合金側(cè)熔合
Fig.3 Macro-cracks of laser welded joint
區(qū)，如圖1所示.結(jié)合接頭斷口形貌（圖2）可以看
出，異種材料激光焊中的裂紋非常細(xì)小，裂紋前端無(wú)
2.2激光焊縫裂紋形成機(jī)理
明顯的塑性變形.有些裂紋起源于焊縫缺陷，在脆
2.2.1焊接應(yīng)力
性區(qū)擴(kuò)展，斷裂表面具有解理斷裂特征，屬于脆性斷
焊接是一個(gè)局部的不均勻加熱和冷卻過(guò)程。焊
裂.接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率僅為187MPa和
縫及其附近區(qū)域的金屬被加熱到熔化狀態(tài)而后冷
0.5%,研究還發(fā)現(xiàn)，裂紋的形態(tài)與焊接參數(shù)的選擇
卻、凝固、相變，直至室溫，在這一熱循環(huán)作用下，由
有關(guān)，當(dāng)激光熱輸入較大時(shí)，焊縫出現(xiàn)宏觀裂紋，粗
于局部、瞬時(shí)的熱脹和冷縮作用，使焊接接頭中產(chǎn)生
大的裂紋沿焊縫中心開(kāi)裂，如圖3所示.可見(jiàn)焊接
復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài).這時(shí)TiNi形狀記憶合金與不銹鋼
參數(shù)對(duì)TiNi合金/不銹鋼異種材料激光焊縫的裂紋
由于收縮又承受拉應(yīng)力，焊后也將產(chǎn)生不同程度的
敏感性具有較大的影響.因此選擇合適的焊接參數(shù)
殘余應(yīng)力.Ti形狀記憶合金和奧氏體不銹鋼均具
有高的線膨脹系數(shù)，增大TiNi合金與不銹鋼激光焊
接頭拉應(yīng)力，這是焊縫易產(chǎn)生裂紋的主要原因之一
微裂紋
其次TiNi合金相變分解時(shí)析出TiNi3和Ti2Ni引起
體積縮小，將增大焊后收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，促進(jìn)裂
紋產(chǎn)生.此外由于采用TiNi合金、不銹鋼絲材，結(jié)構(gòu)
5μm
5 um
自身拘束條件造成的應(yīng)力較小，對(duì)焊縫裂紋的影響
(a)焊縫區(qū)
(b)TiNi側(cè)熔合區(qū)
也較小，可不予考慮
因此引起TiNi合金與不銹鋼激光焊縫裂紋的
圖1TiNi合金/不銹鋼激光接頭微裂紋
拉應(yīng)力主要來(lái)源于不均勻加熱及冷卻過(guò)程中的熱應(yīng)
Fig.1 Micro-cracks in laser welded joint of TiNi/stainless
力，其次是金屬相變時(shí)的組織應(yīng)力
steel
2.2.2焊縫裂紋形核及擴(kuò)展
根據(jù)金屬斷裂理論，金屬斷裂可分為三個(gè)階段，
即裂紋形核、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂.
(1)裂紋形核.由TiNi合金與不銹鋼激光焊縫
微觀組織研究結(jié)果可知，焊縫具有復(fù)雜的相結(jié)構(gòu)(y-
Fe,B2,Fe,Ti,FeTi,Cr2Ti,TiNi3,Ti2Ni等3)，存在大
量的相界、晶界，也存在一定量的雜質(zhì).在焊接應(yīng)力
的作用下，焊縫中的刃型位錯(cuò)將沿一定方向運(yùn)動(dòng).
20μm
當(dāng)運(yùn)動(dòng)遇到相界、晶界、雜質(zhì)時(shí)就會(huì)使位錯(cuò)堆集，并
伴隨產(chǎn)生應(yīng)力集中.當(dāng)位錯(cuò)堆集到一定程度，就會(huì)
圖2接頭斷口表面裂紋形貌
萌生裂紋，即裂紋形核.此外某些焊接缺陷（如孔隙
Fig.2 Cracks morphology in joint fracture surface
等)易引起應(yīng)力集中，也促進(jìn)裂紋形核
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第12期
李洪梅，等：TiNi形狀記憶合金與不銹鋼激光焊接頭裂紋分析及防止措施
43
(2)裂紋擴(kuò)展.裂紋形核是產(chǎn)生裂紋的必要條
件，而宏觀裂紋的產(chǎn)生主要決定于裂紋的擴(kuò)展速度.
加Ni
一
根據(jù)Griffith裂紋擴(kuò)展理論，裂紋開(kāi)始自動(dòng)擴(kuò)展的臨
未加Ni
界條件是：擴(kuò)展裂紋所需的表面能應(yīng)正好由系統(tǒng)的
30405060708090
彈性應(yīng)變能提供.脆性材料裂紋擴(kuò)展所需的能量及
5 um
行射角20（°）
裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸明顯低于塑性材料.在TiNi
(回)焊縫區(qū)微觀組織
(b)XRD分析結(jié)果
合金與不銹鋼激光焊縫中，存在大量的含鈦化合物，
使焊縫金屬脆化，降低了裂紋擴(kuò)展所需的能量，減小
圖4加鎳中間層焊縫的微觀組織及XRD分析結(jié)果
了裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸，提高了裂紋的擴(kuò)展速度.
Fig.4 Microstructure and XRD pattern of weld with Ni in-
這是焊縫裂紋形成的內(nèi)在原因，
terlayer
2.3激光焊縫裂紋的防止措施
根據(jù)TiNi合金與不銹鋼激光焊縫裂紋特征及
形成機(jī)理的分析結(jié)果，產(chǎn)生焊縫裂紋的原因就在于
焊縫中存在大量的脆性化合物和受到拉伸應(yīng)力共同
作用的結(jié)果.焊縫脆性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在原因，而
拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的必要條件，因此減少焊縫中
的脆性化合物和拉伸應(yīng)力是防止裂紋產(chǎn)生的主要
途徑.
10μm
2.3.1焊接區(qū)加鎳中間層
在TiNi合金與不銹鋼激光焊接區(qū)加中間層，減
圖5加鎳中間層接頭的斷口形貌
少焊縫中的脆性化合物，改善焊縫金屬裂紋敏感性.
Fig.5 Fracture morphology of joint with Ni interlayer
由Fe-Ni,Cr-Ni二元相圖可知，Ni元素與不銹
鋼中的Fe,Cr元素具有很好的互溶性，不易產(chǎn)生脆
性化合物；Ni是奧氏體形成元素，可增加焊縫奧氏
體量，有利于改善焊縫的脆性，是較為理想的中間層
材料.此外焊接區(qū)加中間層可降低熔合比，減少-
合金的熔化量及焊縫中的鈦和鎳濃度，也有利于
改善焊縫的脆性，
圖4a為加鎳中間層（厚度50μm)焊縫的微觀
組織.可以看出，焊縫加i元素后，焊縫區(qū)呈現(xiàn)奧
20 um
氏體組織特征.XRD分析結(jié)果表明，加N元素后焊
縫的相結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化.不僅y-Fe增加、鈦化
圖6焊縫中的氣孔(80um)
合物量減少，而且出現(xiàn)了鎳固溶體相（圖4b).由
Fig.6 Pores in weld zone (80 um)
圖5可以看出，焊縫斷口出現(xiàn)塑性變形特征，焊縫裂
紋明顯減少.因此通過(guò)鎳中間層增加焊縫i元素
2.3.2
焊接區(qū)加鉆中間層
含量、改善焊縫的脆性、降低裂紋敏感性是有效的.
由Co-Fe,Co-Cr,Co-Ni,Co-Ti二元相圖可以看
研究結(jié)果顯示6，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率明顯
出，Co元素與不銹鋼、TiNi合金中的Fe,Cr,Ni,Ti元
增加，當(dāng)鎳中間層厚度為50μm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度
素具有良好的互溶性，且T元素在Co元素中具有
和斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別為372MPa和
較大的溶解度，有利于改善激光焊焊縫組織及性能；
4.4%。與未加中間層的接頭相比，接頭抗拉強(qiáng)度提
鉆的線膨脹系數(shù)處于TiNi合金和不銹鋼線膨脹系
高98.9%.應(yīng)該指出的是，鎳中間層過(guò)厚（厚度≥
數(shù)之間，有利于緩解異種材料焊接接頭的殘余應(yīng)力；
80μm)易增加焊縫氣孔傾向（圖6），這主要是由于
鈷具有較高的塑性及變形能力，有利于改善接頭脆
含高濃度鎳的焊接熔池的流動(dòng)性差，且激光焊熔池
性.研究表明，焊縫加C0元素后焊縫裂紋傾向降
的冷卻速度快，已形成的氣泡不易浮出，因而易在焊
低，接頭力學(xué)性能有較明顯的改善當(dāng)鉆中間層厚
縫金屬中形成氣孔缺陷.因此采用過(guò)厚的鎳中間層
度為20μm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最
對(duì)降低焊縫裂紋敏感性和提高力學(xué)性能不利
大，分別為347MPa和4.2%，與未加中間層的接頭
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
44
焊接學(xué)報(bào)
第33卷
相比，接頭抗拉強(qiáng)度提高85.6%，主要?dú)w因于Fe-
脆性和接頭應(yīng)力是防止裂紋產(chǎn)生的主要途徑，
Ti,Cr-T等金屬間化合物含量降低).
(3)焊接區(qū)加鎳和鉆中間層材料、改變激光光
2.3.3改變激光光斑位置
斑位置、焊接區(qū)施加軸向力及優(yōu)化激光焊接參數(shù)均
在TiNi合金與不銹鋼激光焊縫中，大量的含Ti
能在一定程度上降低焊縫脆性和接頭應(yīng)力，改善焊
元素化合物使焊縫金屬脆化，降低了裂紋擴(kuò)展所需
縫金屬的裂紋敏感性，提高接頭的力學(xué)性能.
的能量，減小了裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界尺寸，提高了裂紋
的擴(kuò)展速度.焊縫中的元素主要來(lái)源于熔化的
參考文獻(xiàn)：
TiNi合金母材.研究發(fā)現(xiàn)，將激光光斑位置偏向不
銹鋼側(cè)，可使不銹鋼母材熔化量增加、TiNi合金熔化
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焊接時(shí)由于受熱膨脹，因而承受壓應(yīng)力，冷卻時(shí)
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由于收縮又承受拉應(yīng)力，焊后將產(chǎn)生不同程度的殘
Li Minggao,Sun Daqian,Qiu Xiaoming,et al.Development of a
余應(yīng)力.TiNi形狀記憶合金和奧氏體不銹鋼均具有
new AgCuZnSn fillermetal for brazing TiNi shapememory alloy and
高的線膨脹系數(shù)，增大TiNi合金與不銹鋼激光焊接
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區(qū)施加軸向力后，焊縫裂紋敏感性有降低的趨勢(shì)，接
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頭抗拉強(qiáng)度達(dá)298MPa,與未施加軸向力的接頭相
Wang Yingling,Li Hong,Li Zhuoxin,et al.Microstructure and
比，接頭抗拉強(qiáng)度提高50%以上.此外焊接區(qū)施加
properties of transient liquid phase diffusionbonded joint for TiNi
軸向力，可避免焊縫區(qū)明顯塌陷，對(duì)改善焊縫裂紋敏
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感性也是有利的.
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優(yōu)化激光焊參數(shù)可減小焊接熱輸入、降低接頭
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拉應(yīng)力，有利于改善焊縫金屬的裂紋敏感性.采用
Li Hongmei,Sun Daqian,Wang Wenquan,et al.The influences
二次正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取脈沖電流、脈沖時(shí)間和離焦
of laser spot position on the microstructures and properties of TiNi-
量作為自然因素得出優(yōu)化的激光焊接參數(shù).結(jié)果顯
SMA and stainless steel joints[J].Materials Science and Technol-
示，在脈沖電流為200A,脈寬為10ms,離焦量為
oy,2009,17(Sup.1):143-147.
[6]Li Hongmei,Sun Daqian,Cai Xiaolong,et al.Laser welding of
0.2的優(yōu)化參數(shù)下，接頭的抗拉強(qiáng)度為278MPa,與
TiNi shape memory alloy and stainless steel using Ni interlayer
未經(jīng)優(yōu)化的接頭相比，接頭抗拉強(qiáng)度提高了46%.
[J].Materials and Design,2012,39:285 -293.
[7]Li Hongmei.Laser welding of TiNi shape memory alloy and stain-
3結(jié)論
less steel using Co filler metal[EB/OL].[2012 -09 -19].ht-
tp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399212-
(1)采用激光焊對(duì)焊的方式連接TiNi形狀記
002782.
憶合金與不銹鋼異種材料接頭極易產(chǎn)生裂紋。裂紋
多以微裂紋的形式出現(xiàn)于焊縫中心和TiNi合金側(cè)
作者簡(jiǎn)介：李洪梅，女，1982年出生，博士，工程師.主要從事先
進(jìn)材料的連接方面的研究工作.發(fā)表論文8篇，Email:lihongmei@
熔合區(qū).
jlu.edu.cn
(2)焊縫中存在大量的脆性化合物和受到拉伸
通訊作者：孫大千，男，教授，博士研究生導(dǎo)師.Email:sundq@
應(yīng)力的共同作用是產(chǎn)生焊縫裂紋的原因.降低焊縫
jlu.edu.en

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