NiTi形状记忆合金与异种材料激光焊接研究进展

对近年来NiTi形状记忆合金与异种材料(不锈钢和钛合金)激光焊接的研究情况进行了总结分析。由于材料的化学成分差异很大,直接激光焊接在接头中极易生成脆性金属间化合物,使得力学性能严重恶化,限制了异种材料结构的应用。国内外关于优化Ni Ti形状记忆合金与异种材料的激光焊接接头力学性能的方法,主要包括添加中间层和激光偏置两种方法,它们的共同之处是都可以减少脆性金属间化合物生成,不同之处是采用添加中间层的方法在抑制金属间化合物产生的同时会在焊缝中引入新的金属间化合物,接头的力学性能取决于新引入金属间化合物的脆性,脆性低则接头的力学性能更好;另外,中间层的添加量不能过多,否则会恶化力学性能。对于激光偏置焊接法,激光的偏移位置和偏移量至关重要,该方法的优点是可以节省填充材料,但是对于装配精度要求较高。与激光偏置法相比,采用添加中间层的方法,接头的力学性能更好。除了以上两种方法外,焊后热处理也可以改善接头的力学性能。最后提出NiTi形状记忆合金与异种材料激光焊接未来可能的研究方向,旨在为后续研究提供参考与借鉴。     

焊接能量对Mg/Al超声波焊接接头微观组织与力学性能的影响

在Mg/Al超声波焊接(USW)领域,现有研究侧重于接头的组织性能,但对焊接过程中的界面应力分布和成形机制报道较少。运用USW技术制备了Mg/Al异种金属搭接接头,通过FEA、OM、SEM、EDS、XRD及剪切试验等测试手段,研究不同焊接能量对接头的界面应力分布、界面峰值温度、界面连接状态、微观组织特点以及力学性能的影响规律。研究发现:焊接过程中Mg/Al界面应力分布较均匀,连接界面较平直,未出现明显的漩涡状塑性流动和机械咬合。随着焊接能量的增加,界面应力水平提高,峰值温度升高,界面冶金结合区域逐渐增大。以有限元仿真模拟为基础,系统地分析阐述界面成形机制,指导选择合适的热输入量,以期为Mg/Al超声波焊接在实际生产应用中提供必要的技术和数据支撑。当焊接能量为500 J时,界面处生成Al_(12)Mg_(17)金属间化合物(IMC),而且随着焊接能量的增加,IMC层增厚,导致接头剪切性能随着焊接能量的增加呈现出先增加后减小的趋势,厚度适中的IMC层对提高接头力学强度具有重要意义。     

中间层厚度对TiAl金属间化合物三体摩擦焊接性的影响

利用Inconel718中间层实现了TiAl金属间化合物与42CrMo钢的三体摩擦焊接，焊接接头拉伸强度达到360MPa左右。采用数值逼近方法得到了中间层厚度与拉伸强度之间的数学模型，并对接头组织性能进行了理论分析。     

焊接电流对铜中间层钛/钢异种金属等离子焊接头成形性能及显微组织的影响

采用等离子焊接工艺,在Q235B钢基板上依次熔覆铜层和TA0钛层,研究了焊接电流(85,90,95,100,105A)对钛/钢异种金属焊接接头成形性能及显微组织的影响。结果表明:焊接电流大于90A时,该焊接工艺能够有效抑制脆性相和焊接裂纹的形成;随焊接电流增大,熔覆层中未熔合区域减少,厚度均匀性提高;焊接电流为100A时,熔覆层成形性最好,钛层、铜层、钢基板之间呈良好的冶金结合;钛层、铜层的显微组织分别为细针状树枝晶和柱状树枝晶,钢基体热影响区为细小的珠光体+铁素体相和粗大的铁素体相;不同焊接电流下,铜/钛界面附近硬度均最高,该区域钛、铜晶粒相互交错,有大量CuTi_2、CuTi等低脆性金属间化合物析出。     

热输入对铝合金/不锈钢双丝冷金属过渡熔钎焊接头组织及性能的影响

采用双丝冷金属过渡(CMT)熔钎焊工艺对5083铝合金和304不锈钢进行对接焊试验,在保证焊缝成形良好的条件下,研究了焊接热输入对接头金属间化合物(IMC)层厚度和拉伸性能的影响,并与单丝CMT熔钎焊接头进行对比。结果表明：双丝和单丝CMT熔钎焊接头焊缝获得良好成形质量的热输入范围分别为213.8～486.0,379.6～590.6 J·mm^-1;双丝CMT和单丝CMT熔钎焊接头界面处的IMC均为FeAl₃相;随着热输入的增加,单丝或双丝CMT熔钎焊接头IMC层厚度增加,抗拉强度降低;单丝CMT熔钎焊接头IMC层的最小厚度为9.59μm,此时接头的抗拉强度最大,为76 MPa,而双丝CMT熔钎焊接头IMC层的最小厚度为3.36μm,此时接头的抗拉强度最大,为109 MPa。     

安装工况对NiTi合金垫片螺栓法兰连接接头密封性能的影响

NiTi合金具有优异的形状记忆效应和超弹性效应,是制备新一代金属密封垫片的理想材料。采用有限元分析软件ABAQUS研究了安装工况对法兰密封连接接头密封性能的影响,并将计算结果和20#钢金属垫片作对比。结果表明:与仅考虑NiTi合金超弹性效应相比,考虑NiTi合金形状记忆效应,可使垫片接触应力提高17.4%;在介质内压、端部载荷作用下,NiTi合金垫片接触应力降低了5%,20#钢金属垫片降低了9%。说明NiTi合金作为密封垫片,在Ms温度下安装,Af温度以上使用的条件下,其密封性能要优于20#钢垫片,可有效的提高法兰螺栓连接接头的密封性能。     

K418合金激光焊接接头组织与裂纹形成原因

通过光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等研究了镍基铸造高温合金K418激光焊接接头的组织和焊缝区域成分,分析了接头裂纹产生原因。结果表明:由于激光深熔焊接过程形成的金属蒸气和等离子体在焊缝正面附加热源效应,导致形成大钉头、小钉身的焊缝形貌;焊缝靠近母材的组织为具有一定方向的枝晶组织,且在焊缝与母材交界的不同区域具有锯齿形和光滑过渡两种形貌;焊接过程中,磷、硫和硅元素在晶界偏析形成的低熔点化合物提高了焊接熔池凝固温度范围,增加了焊接过程热裂纹敏感性。     

工具尺寸对铝-钢异种金属搅拌摩擦搭焊接头组织与性能的影响

铝合金与钢的异种连接是汽车轻量化制造的关键,然而采用传统的熔化焊工艺很难得到高质量焊缝。本文选用不同尺寸的焊接工具对1.2mm厚的5182铝合金和DP1180高强钢进行搅拌摩擦搭焊。微观组织分析表明,在转速为800r/min,焊接速度为50mm/min的参数条件下,采用两种尺寸的工具均可得到无缺陷的接头,且小尺寸工具条件下接头生成明显的"Hook"缺陷,采用大尺寸工具时"Hook"缺陷显著弱化,此时铝和钢的反应充分,堆垛层状结构更为明显。由于堆垛层状结构中金属间化合物的存在,界面附近硬度波动较大,最高硬度可达641HV,明显高于钢母材。采用小尺寸工具时,由于搭接面积较小,接头拉伸剪切性能较差,全部沿界面开裂;而采用大尺寸工具时,当铝合金位于前进侧的条件下接头性能优异,断裂于铝合金侧,最大剪切力高达3.42k N,表明对铝-钢异种金属进行搅拌摩擦搭接可获得高质量的焊接效果。     

Al-Cu合金片对钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接头组织和性能的影响

采用PLC系统控制的激光-MIG复合焊接工艺对Q890钢/6063铝合金进行异种金属焊接,研究了钢侧坡口表面添加Al-Cu合金片对接头显微组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明:激光-MIG复合焊接接头具有典型的熔钎焊特征;未添加Al-Cu合金片的接头界面层由舌状相Fe2Al5和粗大针状相Fe4Al13组成,厚度约18μm,添加Al-Cu合金片后由舌状相(Fe,Cu)2Al5和细小絮状相(Fe,Cu)4Al13组成,厚度约为9μm,焊缝区与热影响区的组织与未添加Al-Cu合金片时的相似;添加Al-Cu合金片的接头界面层硬度比未添加Al-Cu合金片的低约59HV;添加Al-Cu合金片的焊接接头的抗拉强度比未添加Al-Cu合金片的提高了109.8%,未添加和添加Al-Cu合金片的焊接接头均在界面层断裂。     

镁和钛异种金属冷金属过渡焊接接头微观组织及力学性能的分析

采用冷金属过渡焊接技术,对AZ31B镁合金、工业纯钛TA2异种金属熔钎焊焊接性进行探索研究,从焊接接头的微观组织、元素分布状况研究其连接机理。结果表明:冷金属过渡焊接技术是一种适用于镁、钛异种金属连接的有效方法。通过在过渡区和结合面形成新相可以实现镁、钛的有效连接。焊接接头的焊缝区主要由镁的固溶体?-Mg,骨架状的镁铝金属间化合物Mg17Al12,以及颗粒状分布的Mg17Al(Zn)12组成。镁钛结合面主要靠钛和铝的金属间化合物Ti3Al,以及镁铝金属间化合物Mg17Al12和Mg17Zn12连接。同时,焊接过程中Ti原子以及Al原子的扩散对其结合也有一定的影响。因此,焊接过程中必须保证足够的热输入量,以确保钛母材的熔化及钛、铝原子的扩散,从而提高其结合强度。     

温度对FeAl合金拉伸力学性能和断裂方式的影响

研究了从室温到１０００℃范围内，温度对二元及含Ｃｒ或Ｔｉ的Ｆｅ－３６．５ａｔ．％Ａｌ合金的拉伸力学性能和断口形貌的影响。结果表明，二元ＦｅＡｌ合金的拉伸力学性能及断口形貌发生显著变化的温度在５００－７００℃范围。     

激光功率对铝/钢激光对接熔钎焊接头组织与性能的影响

以Er2319焊丝为钎料,在不同激光功率（1.0～1.4kW）下对6061-T6铝合金和Q235A镀锌钢进行激光对接熔钎焊,研究了激光功率对接头显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：在1.1～1.3kW激光功率下均可实现铝合金和钢的有效连接,激光功率为1.2kW时的成形质量最好;1.1,1.2kW激光功率下焊缝区组织为大量的等轴晶以及少量的破碎枝晶,1.3kW激光功率下则以粗大的针状晶为主;1.2kW激光功率下接头界面处的金属间化合物层厚度小于1.1kW激光功率下;接头的抗拉强度随着激光功率的增加呈先升后降的趋势,1.2kW激光功率下的抗拉强度最大,为107.42 MPa,断裂类型为韧脆混合断裂。     

DP590钢/7075铝异种金属搅拌摩擦搭接焊界面组织与力学性能研究

对7075-T6铝合金和镀锌DP590钢板进行了搅拌摩擦搭接焊,并结合焊接过程中温度场、流场数值模拟结果,研究了金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)厚度以及钩状结构对接头力学性能的影响规律。结果表明,IMC厚度较大时,IMC层在焊接残余应力作用下产生微裂纹,降低了接头冶金结合强度,当IMC厚度由0.8μm增大至4.3μm时,接头拉剪载荷降低17.8%。当钩状结构高度较大时,钩状结构上下两端宽度差较大,在拉剪载荷作用下钩状结构受力不均,薄弱部位易发生应力集中而断裂,降低了接头机械结合强度,接头性能随钩状结构高度的增大而下降。     

马氏体/贝氏体异种耐热钢焊接接头的力学性能及界面失效

采用脉冲氩弧焊接工艺、高温加速模拟工况、高温持久、常温力学性能试验研究了不同焊缝强度匹配条件下,马氏体耐热钢9Cr1MoVNbN与贝氏体耐热钢12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头的力学性能、高温强度、蠕变损伤及界面破坏特征。研究结果表明,焊前预热250℃,焊后回火750℃×1 h条件下,加速模拟运行500h、1 000 h、1 500 h后低匹配焊接接头的界面蠕变损伤较严重,力学性能下降明显,失效倾向较大;而中匹配接头的蠕变损伤及失效倾向较小,中匹配与低匹配接头的持久强度比较接近:而高匹配接头的持久强度最低。因此,对于9Cr1MoVNbN/12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头采用中匹配比较合适。     

焊接参数对T92/S30432异种钢焊接接头室温力学性能的影响

研究了焊接工艺参数对T92/S30432异种钢焊接接头室温力学性能的影响,并获得了最佳的焊接工艺。结果表明:层间温度、焊接层数、焊丝类型和焊接接头坡口角度对接头强度的影响不大;但低层间温度和多层多道焊可以提高T92钢侧热影响区的韧性;与ERNiCr-3焊丝相比,ERNiCrMo-3焊丝填充的接头T92钢侧热影响区具有较高含量的铁素体,从而使其冲击功下降;焊接接头冲击韧性随坡口角度增大而先增大后减小,并在35°时达到最高;焊后热处理温度为760℃时接头具有最高的强度和韧性;T92/S30432异种钢较佳的焊接工艺是采用ERNiCr-3焊丝和较低层间温度,并严格控制焊层厚度且采用温度为760℃的焊后热处理。     

LZ92镁锂合金激光焊接接头的显微组织与力学性能

采用CO2激光焊接厚度为2 mm的LZ92镁锂合金板,研究了焊接接头的显微组织、物相组成、显微硬度与拉伸性能.结果表明:LZ92镁锂合金焊接接头成形良好,焊缝中无明显气孔、裂纹等缺陷;母材与焊缝的物相组成相同,由α相、β相和中间相Mg7Zn3组成;母材由等轴状β相和枝晶状与颗粒状α相组成,热影响区由粗大的β相和少量细小...     

时效温度对2205双相不锈钢焊接接头显微组织及冲击性能的影响

采用脉冲式直流钨极氩弧焊(GTAW)对2205双相不锈钢进行焊接,然后分别在600,700,800℃进行时效热处理,研究了时效温度对焊接接头显微组织和室温冲击性能的影响。结果表明:时效后,在母材区的铁素体基体边界上以及焊缝金属中的铁素体基体上均析出了σ相,而且焊缝金属中σ相的尺寸比母材区的更大;随着时效温度升高,焊接接头的冲击功降低,接头的脆化程度增大,冲击断口表现为解理断裂;冲击功的降低与焊接接头中析出的σ相有关。     

热处理对钼硅系金属间化合物显微组织和力学性能的影响

以纯金属钼与纯硅为原料，通过电弧熔炼法制备了钼一硅系金属间化合物：Mo5Si3-Mo-Si2亚共晶和过共晶。在1200℃分别对两种合金进行了真空退火。观察层状结构在合金中的形成、变化及重构。退火48h后在亚共晶合金中发现了发展完好的Mo5Si3(D8m)／MoSi2(C11b)层状结构，层间距为几百纳米。测量了各合金退火前后的维氏硬度，研究了显微组织变化对维氏硬度的影响。     

退火温度对AlxTixNixCoCrCu0.5FeMo高熵合金涂层组织和性能的影响

在40Cr钢表面激光熔覆Al_xTi_xNi_xCoCrCu_0.5FeMo（x=4,5,6,7,8,9,物质的量比）高熵合金涂层,并进行300～900℃退火处理,研究了退火温度对涂层组织和性能的影响。结果表明：未退火及300℃退火处理的高熵合金涂层均为单一的体心立方（BCC）相结构,500～900℃退火后合金涂层中生成类Al₂Ti₃结构金属间化合物相;当退火温度升高至500℃时,晶内耐腐蚀性变差,且涂层耐腐蚀性随退火温度升高而下降;随着退火温度升高,高熵合金涂层的硬度呈先下降后升高再下降的趋势,700℃退火处理的Al₄Ti₄Ni₄CoCrCu_0.5FeMo合金硬度最大,为1 019 HV。