时效对TiNi合金激光焊缝金属逆相变温度的影响

杨成功，单际国，2，任家烈

(1.清华大学 机械工程系，北京 100084;2.清华大学先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084)

针对TiNi形状记忆合金激光焊接接头的形状记忆功能的研究表明［1－7］，TiNi形状记忆合金激光焊接接头的逆相变温度与母材有着明显的差别，这使焊接结构失去了实际使用价值.研究还发现［2］，焊缝区是决定焊接接头逆相变温度的关键区域.因此，研究焊缝金属逆相变温度的调控技术，对于实现焊接接头逆相变温度的控制具有重要意义.对TiNi形状记忆合金进行时效处理，能够促进富Ni沉淀相的析出，其相变温度也会随之变化［8－15］，据此推测，对焊缝金属进行类似的时效处理，也会使焊缝金属的逆相变温度产生一定变化，但变化规律尚不清楚.为此，本文对焊缝金属进行不同时间的时效处理，考察时效处理时间对焊缝金属逆相变温度As、Af的影响规律，并对影响机理进行了分析.

1 实验

母材是2 mm厚的Ti－50.7%Ni(原子分数，下同)合金板，其化学成分(质量分数，%)如表1所示.焊接试样的焊前准备方法及焊接方法与文献［1］相同.

表1 Ti-50.7%Ni记忆合金的化学成分(质量分数/%)

将母材和焊缝金属分别制成尺寸为2 mm×2 mm×0.5 mm的试样，在Q2000型差热分析仪上进行DSC测试，获得逆相变温度.测试过程中升温和降温速率均为10℃/min.时效处理采用SX3－4－13智能纤维电阻炉，时效温度为500℃，保温一定时间后，水淬.微观组织分析在JSM－7001F型扫描电镜和NEOPHOT32金相显微镜上进行.

2 结果与讨论

焊缝具有良好的成形是焊接质量的基本保证，焊缝成形质量可通过熔透情况、深宽比以及表面成形质量等3个指标衡量.图1为激光功率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时焊缝横截面形貌.由图1可知，在所选的焊接工艺参数下，焊缝熔透情况良好，深宽比大，焊缝熔宽上下均匀.另外，从焊缝正、背面的宏观形貌来看，焊缝表面成形良好，无明显缺陷(图2).因此，采用文中所选的焊接工艺参数能够获得焊缝成形良好的焊接接头.焊缝金属由于经历了熔化－凝固的过程，其组织形貌完全不同于母材.文献［1］和［2］的研究表明，TiNi形状记忆合金母材为细小等轴晶，而焊缝金属则为粗大的柱状晶，二者组织上的明显差异，以及焊缝金属的基体相Ni含量、析出相、择优取向与母材的不同，使得焊缝金属的逆相变温度与母材产生显著差异.

图1 不同焊接工艺参数下焊缝横截面形貌

图2 不同焊接工艺参数焊缝正背面外观

对不同焊接工艺参数的焊缝金属进行不同时间的时效处理(20、30、40 min)，得到如图3所示的DSC曲线.

图3 不同焊接工艺参数和时效时间下焊缝金属的DSC曲线

由图3可知，未经时效的焊缝金属其DSC曲线明显不同于母材，其逆相变开始温度要大大低于母材;随着时效时间的增加，尽管焊接工艺参数不同，但所有焊缝金属DSC曲线上的相变峰均向高温方向偏移，即逆相变温度均呈升高趋势，使得焊缝金属的逆相变温度与母材的差异减小.时效过程中，马氏体的逆相变过程中有中间相R相出现，但相变峰不明显，随着时效时间的延长，R相变峰消失，低温马氏体相(B19')相直接转变为高温奥氏体相(B2相).

从DSC曲线中提取不同时效时间焊缝金属的逆相变温度As、Af，如表2所示.由表2可知，不同焊接工艺参数、未经时效的焊缝金属，其As、Af相差不大，均为－20、28℃左右，可见，焊缝金属的逆相变温度对焊接参数的变化并不敏感，即调整焊接工艺参数不能有效调控焊缝金属的逆相变温度.焊缝金属的As远低于母材(20℃)，而Af略低于母材(5℃以内).当时效20 min，As、Af均明显升高，其中，As升高的幅度更大;随着时效时间的延长，升高的幅度减缓.可见，时效处理能够明显提高焊缝金属的As、Af，其中，As升高的更多.

表2 不同焊接工艺参数和时效时间下焊缝金属的逆相变温度

为了更加直观地表达时效时间对焊缝金属逆相变温度As、Af的影响，将表2中数据整理为如图4所示的曲线.由图4可知，不同焊接工艺参数的焊缝金属，其As、Af均随时效时间的增加而升高，且As、Af与时效时间呈近线性关系，其中，As随时效时间变化直线的斜率更大，说明随着时效时间的增加，As升高的更快.时效20 min，3种焊接工艺参数条件下的焊缝金属，其As尚低于母材，但Af已经接近或高于母材;时效30 min，焊缝金属的As虽然接近于母材的水平，但Af却比母材高了大约10℃;时效时间进一步增加，As、Af均高于母材.由此可见，时效处理能够使焊缝金属的As、Af显著升高，其中，As升高的更多，但时效处理并不能将焊缝金属的As、Af同时调控到母材的水平.

TiNi合金时效处理时，由于析出沉淀相，使得基体相的Ni含量降低，同时析出相的“钉扎”作用会增加马氏体逆相变的阻力，使得逆相变温度升高［9－12］.由此可以推测，焊缝金属的时效处理之所以能够提高焊缝金属的逆相变温度，可能与沉淀相的析出有关.图5为母材和不同时效时间的焊缝金属析出相形貌，其中白色细小颗粒为富Ni的析出相.由图5(a)可知，母材的析出相尺寸大、数量多，而焊缝金属的析出相尺寸小，且数量明显远少于母材(如图5(b)、(d))，这是由于激光焊接过程中熔池冷却速度很快，沉淀相来不及析出所致.析出相数量越少，对基体的“钉扎”作用越小，逆相变过程中相变阻力越小，低温马氏体稳定性越低，使得逆相变温度降低.时效30 min后，焊缝金属的析出相数量明显增加，尺寸也有所增加(图5(c)、(e))，使得逆相变过程中相变阻力增大，低温马氏体稳定性增加，逆相变温度升高.另外，富Ni析出相数量增多，会使得基体相的Ni含量降低，逆相变温度也会增加［9］.

图4 时效时间对不同焊接工艺参数的焊缝金属As、Af的影响

图5 母材和时效前、后焊缝金属的析出相形貌

3 结论

1)不同激光焊接工艺参数下的焊缝金属，其逆相变温度差异不大，即焊缝金属As、Af对焊接参数并不敏感.

2)时效处理能够明显提高焊缝金属的逆相变温度 As、Af，其中 As增加的更多.时效初期，As、Af急剧增加，随着时效时间的延长，增幅减缓.在时效温度一定时(500℃)，短时间内(40 min)，焊缝金属As、Af与时效时间呈近线性关系.通过时效处理，并不能将焊缝金属As、Af调整到母材的水平.

3)时效处理能够促进焊缝金属沉淀相的析出，使得焊缝金属逆相变温度As、Af升高.

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