1、TiNi 形狀記憶合金電阻釬焊技術薛松柏 1, 呂曉春 2, 張匯文 2 (1. 南京航空航天大學 , 南京 210016; 2. 哈爾濱焊接研究所 , 哈爾濱 150080摘 要 :利用自行研制的數控 交流電 阻焊機 , 采用 CuNi 薄帶 釬料 , 配合 改進 型釬劑 對 T iNi 形狀記憶合金絲材的電阻釬焊技術進行 了研究 , 分析 了焊接 熱量、 焊接時 間、 焊接 壓力及保護氣體等參數對接頭力學性能的影響 規律 , 得到了 獲得優 異力學 性能的 T iN i 合金 絲接頭的最佳焊接參數。試驗結果 表明 , 焊接熱 量對接 頭的力 學性能 有著顯 著的 影響。研究結果表明 , 電

2、阻釬焊技術可實現 T iN i 合金的可靠連接。關鍵詞 :T iN i 形狀記憶合金 ; 電阻釬焊 ; 焊接參數中圖分類號 :T G454 文獻標識碼 :A 文章編號 :0253-360X (2004 01-01- 04薛松柏0 序 言T iNi 形狀記 憶合 金除 了具 有比強 度高、 耐 腐 蝕、 耐磨損等優點外 , 其突出的特點是優異的形狀記 憶效應、 超彈性 , 以及良好的生 物相容性 1。在 航 空、 航天、 電子設備、 醫療器械等方面有著廣闊的應 用前景 , 隨之而來的 TiNi 形狀記憶合金的連接技術 便成為急待解決的問題 2。對于 T iNi 合金焊接性 的研究 , 國內外報道

3、的較少 , 目前僅在摩察焊、 電子 束焊、 激光焊、 電阻焊及釬焊等領域進行了初步的探 索 25。采用熔焊方法連接時 , 由于鑄造狀組織的 形成氮、 氫、 氧的侵入以及凝固過程中 Ti 2Ni 、 TiNi 3等金屬間化合物的析出對力學性能和形狀記憶效應 都有不利的影響 6。如果 TiNi 合金在其熔點或高 于其退火溫度焊接時 , 所期望的形狀記憶效應和超 彈性性能將受到嚴重的破壞甚至喪失 7, 8。綜合分 析已有的試驗研究結果 , 經過大量試驗探索發現 , 對 于 T iNi 形狀記憶合金采用附有氬氣保護的電阻釬 焊方法較為合適 , 這是因為 T iNi 合金導熱性差、 電 阻大、 而焊接時

4、間短、 焊接熱量低、 加熱集中、 對母材 的熱影響小 , 同時釬料對母材有良好的浸潤性 , 這些 特點不僅有利于釬縫強度的提高 , 而且也最大程度 地減少了接頭形狀記憶效應的喪失。1 試驗條件1. 1 試驗材料與焊前準備收稿日期 :2003-11-14基金項目 :2003黑龍江省科學技術計劃重點項目 (20031001試驗所 用 TiNi 合金 的規格 為 2. 5mm 1. 2 mm 扁絲 , 其主要化學成分見表 1; 釬料為 1. 00m m 0. 24mm CuNi 薄帶 , 其化學成分見表 2; 采用釬 劑為現有釬劑 (質量 分數 , % AgCl 25-KF 25-LiCl 50 的

5、改進型 (加入一定量的 A x B y 。表 1 TiNi 形狀記憶合金的化學成分 (質量分數 , % Table 1 Chemical composition of TiNi shape memory alloy T i Ni M n Si Fe 43. 58余量 0. 010. 0050. 005表 2 釬料的化學成分 (質量分數 , %Table 2 C hemical composition of filler m etalCu Ni M n Fe Al S i 55. 6542. 201. 470. 500. 100. 084焊前 , 母材及釬料先用丙酮進行清洗除油 , 然后 將母材

6、置于氫氟酸、 硝酸和水的混合液中浸泡 10 15min(室溫 , 去除表面的氧化膜 , 最后將母材及釬 料用酒精清洗干凈 , 自然晾干備用。1. 2 試驗方法試驗采用的焊接設備是自行研制的 DN25型數 控交流電阻焊機 , 額定初級電流為 66. 8A, 額定功 率為 25kW, 次級空載電壓為 4V 。該焊機可實現 焊接過程中多參數的同步精確控制 , 能準確地控制 焊接熱量大小和焊接時間長短 , 焊接壓力可通過電 磁氣閥根據焊接要求準確控制。采用內部水冷電極 及與焊接同步的氬氣保護。試件接頭采用搭接形式 , 在釬料薄帶與母材之 間 的接觸面上涂以一定量釬劑 (預先將釬劑攪拌成第 25卷 第

7、1期 2004年 2月焊接學報TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INST ITUT IONVol. 25 No. 1 February2004膏狀 , 分別采用加氬氣保護和不加氬氣保護 , 經過預壓階段、 通電焊接階段及維持加壓階段完成一個 焊接過程。焊后利用 Zw ick I 型微機控制電子拉伸 試驗機測定接頭拉剪強度。2 試驗結果與討論2. 1 焊接熱量調節對接頭力學性能的影響基 于試驗分析 , 選 定的焊接工藝規范參數 見表 3。表 3 焊接工藝規范參數Table 3 Welding parameters焊接熱量調節 01234焊接時間 t /cycle

8、s 5焊接壓力 p /M Pa 0. 14由于焊接熱量調節 (當焊接熱量調節為 0時 , 可 控硅的導通角為 30! ; 當焊接熱量調節為 10時 , 可控 硅的導通角為 90! 直接影響著接頭的熱輸入 , 因此 很大程度上決定著接頭的質量。圖 1所示為焊接熱 量調節與接頭拉剪強度的關系。從圖中可以看出 , 隨著焊接熱量調節的增大 , 接頭的強度隨之升高 , 并 在焊接熱量調節為 1時具有峰值 , 焊接熱量調節的 進一步增大 , 強度開始下降。分析以上結果 , 認為當 焊接熱量調節小時 , 釬縫接合區所獲得的熱量小 , 因 此 , 接合區的溫度較低 , 釬劑的活性降低。另外由于 溫度低 , 接

9、合面的熱塑性變形較小 , 不足以使接合面 的氧化膜破裂。這兩方面影響了氧化膜的去除 , 進 而妨礙了釬料對母材的潤濕 , 接頭的釬著率低。當 承受剪切力時 , 接頭接合面處承受面積小 , 很容易在 搭接部位斷開 , 所以強度較低。從接頭拉伸斷面的 宏觀形貌也證明了這一點 , 試件接合區母材的原貌 清晰可見 , 未發現有釬料潤濕的痕跡。而焊接熱量 調節大時 , 雖然釬劑與釬縫接合面熱塑性變形的共 同作用使母材表面氧化膜能夠得以很好的去除 , 但 由于溫度過高 , 導致釬料與母材發生劇烈的反應 , 形 成了新的化合物相。同時較大的熱輸入對母材的熱 影響較大 , 母材晶粒粗化 , 原有的 TiNi

10、3化合物相會 急劇長大 , 接頭的脆性組織較多 , 使位錯密度增大 , 在接頭及熱影響區形成了潛在的裂紋源 , 接頭的塑 性較差 , 在拉伸時 很容易在釬縫及 熱影響區折斷。 因此焊接熱量調節的大或小都不能得到性能優良的 接頭 , 只有當焊接熱量調節適當時 , 才能獲得強度和 圖 1 焊接熱量調節與拉剪強度的關系Fig. 1 Relation betw een welding heat adjustment and tensile shear strength2. 2 焊接時間對接頭力學性能的影響根據電阻焊熱量計算公式 Q =I 2Rt (I 為電流 強度、 R 為接觸電阻、 t 為焊接時間

11、可以看出 , 當焊 接熱量調節一定、 母材采用相同的焊前處理時 , 熱量 Q 與焊接時間 t 成線性關系。圖 2所示為焊接時間 與拉剪強度的關系。試驗結果表明 , 焊接時間短時 , 熱量小 , 釬劑活性不夠 , 接合面處的氧化膜不能充分 被去除。同時熔化的釬 料與母材的相 互作用時間 短 , 甚至釬料不能夠完全熔化 , 致使釬著率低 , 不能 形成致密的釬縫。而焊接時間過長時 , 過大的熱量 使釬料與母材的作用程度劇烈 , 釬縫處形成脆性的 化合物。同時母材的晶 粒由于過多的 熱輸入而粗 化 , 這些都會不同程度地造成接頭強度的降低。同 時采用氬氣保護的釬焊接頭的強度比不采用氬氣保 護的高 2

12、5%左右。在沒有氬氣保護的條件下 , 釬焊 時間短時 , 由于自身的接合程度對母材的力學性能 起著決定性的作用 , 所以氬氣保護的作用對強度影 響 不明顯 , 但從外觀顏色上可以明顯看到釬縫被氧圖 2 焊接時間與拉剪強度的關系Fig. 2 Relation between welding time and tensile shear strength(:ure :2 焊 接 學 報 第 25卷化的結果。隨著釬焊時間的延長 , 熱量逐步加大 , 氬 氣的保護作用效果明顯。這主要是由于熱輸入較大 時 , 如果沒有氬氣保護 , 接頭高溫區受氮、 氫、 氧等侵 入而生成的各種氧化物或氮化物等夾雜物影響

13、釬料 填縫 , 同時使接頭嚴重脆化 , 故接頭強度降低。要明 確的是焊接時間不是一個獨立的參數 , 它的選擇依 賴于焊接熱量調節的大小 , 它們共同決定著焊接溫 度的高低。2. 3 焊接壓力對接頭力學性能的影響圖 3所示為焊接壓力與接頭力學性能的關系。 接頭的強度隨著壓力的增大而提高 , 并在 0. 14MPa 時達到最大值。從圖 2與圖 3對比可看出 , 焊接壓 力對接頭強度的影響沒有焊接熱量顯著 , 隨著焊接 壓力的變化 , 接頭強度的變化范圍較小。從該試驗 研究看 , 此技術對焊接壓力的要求較寬松 , 因此焊接 壓力的調節范圍較大 , 焊接壓力的加大使接頭金屬 的熱變形增加 , 從而導致

14、釬縫結合區晶粒細化 , 提高 接頭的強度。但過大的焊接壓力將使焊件發生明顯 的宏觀變形 , 使接頭的強度降低。在焊接過程中 , 一 方面由于母材表面粗糙程度不同 , 在適中的焊接壓 力作用下 , 使釬料薄帶及母材接合面產生一定量的 塑性變形 , 以使母材接合面與釬料之間達到微觀上 的全接觸 , 避免了由于接合面的微觀局部接觸使瞬 態焊接電流陡增 , 而產生飛濺。另一方面焊接壓力 能夠在熱作用下使接合面產生 一定量的熱塑 性變 形 , 使接合面處的氧化膜破裂 , 從而釬劑能夠通過氧 化膜破裂處深入母材與氧化膜之間 , 通過氧化膜的 剝離和溶解達到去膜的目的。但過大的壓力使接合 面的熱塑性變形較大

15、 , 熔化的釬料被擠出接合面 , 會 導致接合面處低溫母材的直接接觸 , 由于溫度較低 , 難以實現原子的充分擴散 , 不利于結晶過程的進行 ,圖 3 焊接壓力與拉剪強度的關系Fig. 3 Relation between welding pressure and tensile shearstrength (time:cycles, 從而降低接頭的強度。2. 4 母材組織及釬縫組織分析利用光學顯微鏡對母材及電阻釬焊接頭金相進 行了觀察 , 圖 4為母材的金相組織 , 圖 5為最佳工藝 參數時釬焊接頭的金相組織。從圖 5中可以看出 , 接頭處沒有明顯的熱影響區 , 且釬縫連續、 致密 , 說

16、明焊接過程中對母材的熱影響非常小 , 熔化的釬料 能夠充分 填縫。釬縫主要是 由 相 和 Ni 3Ti 2相組 成 , 這是由于釬縫區是直接由熔化的釬料快速冷卻 , 因而保留了較多的高溫相的緣故 , 這對 T iNi 形狀記 憶效應及力學性能是有利的。圖 4 母材的金相組織 Fig. 4 Microstructure of base metal圖 5 釬接接頭的金相組織 Fig. 5 Microstructure of welded joint合金焊接接頭的形狀記憶性能與超彈性不僅是 焊接時間、 焊接溫度的函數 , 而且也是所采用的焊接 母材自身幾何尺寸的函數 , 但對于該試驗所采用的 TiN

17、i 合金母材在一定的條件下 , 所期望保持的形狀 記憶和超彈性性能主要與焊接時間、 焊接溫度有關 , 也就是釬縫所需熱容量的大小。與電阻點焊相比 , 電阻釬焊技術無需使焊接溫度達到母材的熔點 , 只 需使低熔點的釬料熔化即可 , 顯然這樣對母材的熱影響得以最大程度的減小。而且電阻釬焊熱源產生 于焊件內部 , 與熔化焊時的外部熱源相比 , 對焊接區 的加熱更為迅速集中 , 內部熱源使整個焊接區發熱 , , 第 1期 薛松柏 , 等 :T iNi 形狀記憶合金電阻釬焊技術3焊接區急冷來實現散熱作用。同時熔化的釬料量相 對較少 , 接頭及熱影響區部分的組織結構與母材的 組織相比變化很小 . 因此既排

18、除了釬接過程中母材 金屬大量熔化所形成的脆性組 織對強度的不 利影 響 , 同時也盡可能地減小對母材的熱影響 , 從而使接 頭的形狀記憶效應損失減小到最低限度。與常規的 釬焊方法相比 , 彌補了由于長時間的加熱保溫所引 起的新化合物相的形成、 母材晶粒的粗化以及釬縫 強度低等不足。試驗研究結果也表明 , 采用電阻釬 焊技術釬焊接頭的拉剪強度比電阻點焊接頭的拉剪 強度提高了 1倍 , 比爐中釬焊接頭的拉剪強度提高 了 70%左右 , 由于對母材的熱影響相對較小 , 基本 上保證了接頭的形狀記憶功能 , 因此 T iNi 合金絲采 用電阻釬焊技術具有良好的應用前景。3 結 論(1 采用 CuNi

19、釬料薄帶 , 配合改進型釬劑 , 可實現 TiNi 形狀記憶合金的電阻釬焊 , 接頭拉剪強度 最高可達到 577MPa 。(2 采用氬氣保護比無氬氣保護接頭強度可提 高 20%。(3 采 用數控 交流電 阻焊機 焊接 2. 5mm 1. 2mm TiNi 絲材的最佳工藝參數為 :焊接熱量調節為 1, 焊接壓力 0. 14MPa, 焊接時間 5cycles 。參考文獻 :1 沈利群 , 周 漣庚 . 形狀 記憶合 金的 應用現 狀 J. 上 海金 屬 ,1996, 18(6 :3335.2 韓立軍 , 趙熹華 . TiNiNb 形狀 記憶合金 絲精密脈 沖電阻對 焊工藝分析 J. 材料科學與工藝

20、 , 1999, 7(3 :76s79s. 3 Shinoda T , T suchiya T , T akahashi H. Friction w elding of shapememory alloyJ. W elding International, 1992, 6(1 :20 25.5 牛濟泰 , 王蔚青 , 王儒潤 . NiTi 形狀記憶合金絲焊接工藝的研究 J. 宇航材料工藝 , 1994, 3(5 :1216.6 任家烈 , 吳愛萍 . 先進材料的 連接 M . 北京 :機 械工業出 版社 , 2000.7 Hall T. Joint, a laminate, and a met

21、hod of preparing a nickel-titanium alloy member surface for bonding to anoth er layer of metal P. U. S. Patent:5, 242, 759, 1993-09.8 Hall T. Joint, a laminate, and a method of preparing a nickel-titanium alloy member surface for bonding to anoth er layer of metal P. U. S. Patent:5, 354, 623, 1994-1

22、1.作者簡介 :薛松柏 , 男 , 1956年 4月出生 , 工學博士 , 教授級高 級工程師。主要研究方向 為焊接 材料及 工藝、 釬 焊與擴 散焊 技術 等。 獲國家、 部省科技進步獎 4項 , 發表論文 60余篇。Email:xuesb0451. com 焊接學報 #被 EI #收錄的論文目次2003年第 2期基于模擬退火算法的工件位置標定 殷樹言 等 T iB 2金屬陶瓷與 TiAl 金屬間化合物的擴散連接 李卓然 等 深冷處理提高鍍鋅鋼板點焊電極壽命的機理 吳志生 等 不同窗口的電弧光譜信息與焊絲熔滴過渡 楊運強 等 低碳鋼 A-TIG 焊的活性劑研制 張瑞華 等 穿孔等離子弧焊接中

23、等離子云的檢測 單 平 等 CO 2焊接超聲傳感焊縫跟蹤控制規則與參數 胡繩蓀 等 隨焊錘擊對高強鋁合金焊接接頭應變分布的影響 徐文立 等 CO 2焊短路過程動特性與外特性的關系 楊立軍 等 鋁合金電阻點焊的形核特點 程方杰 等 P91耐熱鋼焊接區的微觀組織結構分析 李亞江 等 激光參數對 Ni 基熔覆層結構及耐磨性的影響 吳 萍 等金剛石與硬質合金釬焊接頭應力場分析 徐 超 等 關于焊接殘余應力形成機制的探討 游 敏 等 2003年第 3期T iB 2金屬陶瓷 /TiAl 釬焊連接接頭應力的數值模擬 李卓然 等 一種基于空間矢量調制的 弧焊逆變 電源 PFC 控制方法 黃 繼強 等T i-5

24、Al-4Sn-2Zr-1M o-0. 25Si-1Nd 合金焊接性 郝傳勇 等 X65管線鋼焊接接頭 CTOD 斷裂韌度 鄧彩艷 等 20M n2鋼晶粒超細化及性能 雷 毅 等 LY12鋁合金中溫釬焊技術薛松柏 等 Nd:YAG CW 激光熱傳導焊 秦國梁 等 熱點應力有限元分析的主要影響因素 賈法勇 等 4 焊 接 學 報 第 25卷To Subscribe and Advertise Are WelcomeT RANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INST ITUT ION(TCW I w as started in 1980. This periodical(

25、Bimonthly is sponsored by Chinese M echanical Engineering Society. It is to be distributed both at home and abroad. It mainly reports the recent scientific and technologi cal achievements on w elding. M any of them belong to the frontier in the fields of learn i ng. It basically reflects China w eld

26、ing level and possesses the academic authority i n Ch i na w elding field. This periodical w as affirmed the first batch core periodical of China science. It has a large number of subcribers at home and has made an i nternational reputation.Our peri odical w il l devote its services to th e reading

27、public. Cordially wish it to become your good teacher and helpful friend.Distributed Abroad by :China International Book Trading Corporation P. O. Box 399, Beijing, China Code :BM 322MAIN TOPICS, ABSTRACTS &KEY WORDSResistance brazing technology of T iNi shape memory alloy XUE S ong bai 1, L Xia

28、o chun 2, ZHANG Hui w en 2(1. Nanjing University of Aeronauti cs an d Astronautics, Nanji ng 210016, C hi na; 2. Harbin W eld ing Ins titute, Harbin 150080, China . p14Abstract:T he technology for resistan ce braz i ng TiNi shape memo ry alloy w ire w ith the numerical control alternating current re

29、sistan ce w elding machine, CuNi filler and metched flux, w as studied in this pa per. Th e effect of w elding parameters such as w elding heat i n put, w eld ing time, w elding pressure and shielded gas on the tensi le shear strength of the joint is analyzed. The optimal w elding parameters obtaini

30、ng ex cel lent joint is got. T he results show weldi ng heat input has a remarkable effect on the mechanical properties of the j oint. The sound joining can be realized using resistance brazing thchnology.Key words :TiNi shape memory alloy; resistance brazing; welding parametersI nvestigation on arc

31、 characteristic of twin electrode single arc welding ZOU Zeng da, HAN Bin, QU S hi yao, WANG Xin hong(College of M aterial S cience and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Ch i na . p57, 12Abstract:T he tw in electrode single arc w elding is a new w elding technology. The stati c charact

32、eristic of arc and melt property of tw in electrode w ere studied, and the arc shape of tw in electrode single arc w elding i s observed w ith high speed camera. Rusul ts show that the arc static characteri stic of tw in electrode single arc w elding is risi ng, the static characteri stic curve goes

33、 up w ith the increase of the space between tw o cores. Under the right space between two cores, the m elt rate of tw o core of tw in electrode can keep consis tent, so DC or AC pow er source can be used by the tw in electode single arc w elding. The melt rate of tw i n electrode is bigger than sing

34、le core electrode and increases w ith the increase of w elding current and the decrease of space between tw o cores. T he electric arc of tw in electrode single arc w elding have var ious forms.Key words :tw in electrode single arc weldi ng; w elding arc; static characteristic of arc; mel t property

35、An engineering method of fractu re criteria for welded joints ZHANG M in 1, DING Fang 1, XU De sheng 2, CHENG Zu hai 2(1. Xi % an University of Technology, Xi %an 710048, China; 2. Huaz hong Uni versity of Science and T echnology, W uhan 430074, China . p812 by the single-param eter J integral, the

36、double parameter JQ criterion, w hich is more adaptive to w elded joints, is presented in this paper. T his criterion is discussed and optimized i n order to be easily applied in prac tice. By FEM , it proves that this optimized method could cri tical ly ex press the fracture properties of welded jo

37、ints. T herefore, this method can be regarded as a better way to assess the properties of w elded joints in engi n eering practice.Key words:double-parameter JQ criterion; fracture parameter; w elded joints; finite element methodMicros tructure of Z rO 2+WC made by ceramic coating melting -spraying

38、GUO M ian huan 1, DUAN ZH i-lin 2(1. National Key Laboratory of Advanced W elding Production T echnology, Harbin Insti tute of T echnology, Harbin 150001, China; 2. Harbin Weighing Appa ratus Limited Liability Company, Harbin 150050, China. p1316, 20 Abstract:M elti ng spraying technique was used to

39、 make several kinds of ceramic coating layers of ZrO 2, WC or their mixture. Investiga tion on microstructures of coating l ayers by optical microscope, SEM and energy s pectrum analysis etc has discovered that using melting spaying technique can get good ceramic coating layers, wh i ch w ere melted to gether with parent metal. T here e