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1、NiTi 合金激光点焊接头的组织和性能为了进一步拓宽 NiTi 记忆合金的应用范围，优化 NiTi 合金产品的加工工艺，降低产品价格，必须研究其焊接性及焊接接头的性能。目前，对于 NiTi 记忆合金焊接性的研究，国内外报道的相对较少，仅在电阻点焊、摩擦焊、电子束焊和激光焊等领域进行了初步研究。NiTi 合金是一种金属间化合物，其导热率低，室温下为 10W/(mK)1,电阻大。高温下 Ti 对 N、O、H 的亲和力特强，在焊接的过程中 NiTi 合金很容易吸收这些气体并在接头中形成脆性化合物，降低了接头的力学性能、形状记忆效应和超弹性。因此，固态连接方法或连接初期产生液相后又被挤掉的加压连接方法
2、是连接 NiTi 记忆合金的最佳方法。但这些方法受到工件形状和接头复杂程度及尺寸大小等因素的限制，灵活性不高。从生产实际出发，熔焊用得最为广泛。普通的熔化焊接方法焊接 NiTi 合金时，易在接头中形成铸造状组织且在凝固过程中会析出 Ti2Ni、TiNi 3 等金属间化合物，使得焊接接头的组织与母材的组织存在着显著的差异，这对 NiTi 合金的力学性能和功能性都有不利的影响。因为 NiTi 合金的形状记忆效应和超弹性强烈依赖于合金的化学成分、处理状态及晶体取向和织构。所以，普通的焊接方法，如钨极氩弧焊，焊接 NiTi 合金很困难。激光焊具有能量密度高、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小、熔化金属量少
3、、高温停留时间短、熔池冷却速度快、光束方向性好、能进行精密加工等优点，成为 NiTi 合金最有希望的焊接方法。1. NiTi 合金丝激光点焊工艺参数的选择（1） 电流、脉宽的选择电流的大小其实反映了激光脉冲峰值功率密度的大小。电流越大，脉冲峰值功率密度越大。较大的脉冲峰值功率密度一方面会使材料表面升温过程加剧，对于给定的脉冲宽度，相应增加了液相金属的加热时间，使其达到沸点的可能性增大，汽化几率增大。同时由于功率密度增大所导致的固体表面直接升华成气态（包含直接喷发、烧蚀）的可能性增大 2。电流较小时，材料表层温度达到沸点需经历数毫秒，并在表层汽化前，底层可到达熔点，易形成良好的熔融焊接.丝焊接时
4、热量只沿丝的方向传播，因此对定位及输入能量稳定性要求较高。光斑能量偏大，金属丝易出现汽化，焊点区收缩变细，甚至断开,而且会造成焊点处合金元素蒸发，使其成分发生变化；光斑能量偏小，熔化不充分，无法形成良好的熔融状态，易产生焊接缺陷，使接头性能降低。为了保证细丝在焊接过程中无大量汽化，工件上功率密度应较低，选择小电流、大脉宽。脉宽越大，焊接可靠性越高。因为在大脉宽时，功率密度较低，较安全。在多数情况下，应根据熔深要求确定脉宽。按照热传导方程，其最大熔深既是光斑功率密度的函数，也是材料热力学参数的函数 2，即:I0Xmax=1.2K(Tv-Tm) （1）式中 I0 为工件上的光斑功率密度，X max
5、 表示所需达到的最大熔深，K 为材料的导热系数，T v、T m 分别为材料的熔点和沸点。（2）工件上光斑尺寸和离焦量的选择在细丝对焊中，另一个需要考虑的因素是光斑和离焦量的大小。为避免细丝的断裂，光斑上能量分布要均匀，光斑应覆盖细丝的整个接头。脉冲激光焊接时通常需要一定的离焦量。因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，光斑能量分布相对均匀些，容易获得合适的功率密度。离焦方式有两种正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方的为正离焦；反之为负离焦。从几何光学理论可知，当正、负离焦量相等时，相应平面的功率密度近似相同。但在这两种情况下，所获得的熔池形状不同。负离焦时，可
6、获得更大的熔深。工件上光斑面积的变化是由离焦量变化引起的，它可由下式计算 1：)1(2FLfS（2.7）式中 Sf 为焦面面积，F 为透镜的焦距，L 为离焦量， S是离焦后的光斑面积。在细丝对焊中，为避免细丝的断裂，光斑上的功率密度要低一些，光斑上的能量分布要均匀，选择小电流、大脉宽。在此情况下，为获得更大的熔深，应选择负离焦。（3）保护气体的选择Ti 在高温下易吸收 N、O、H，使接头变脆。因此，在焊接时必须采用保护气体，如氦、氩气等。其中，使用最多的是高纯 Ar 气。2 NiTi 合金丝激光点焊接头的组织和性能2.1 实验过程本实验所用的材料为超弹性 Ti-50.6at.%Ni 的合金丝，
7、它经过锻造、轧制、旋锻、多次冷拔，形成直径为 0.5mm 的细丝，最后经 773K 真空退火。焊接时采用对接焊的方式，所用焊机为国产 500W 脉冲激光焊机，最小电流 100A，最大频率 100Hz，脉冲宽度 0.112ms。焊前待焊接端面用酸的混合溶液除去试件表面氧化层，用 1000#砂纸磨平，在丙酮溶液中经超声波清洗除去表面油污，然后放在去离子水中经超声波清洗后用吹风机吹干。试验时，通过改变工艺参数，来获得最佳焊接质量。点焊示意图如图 1.1 所示，其中 1 为激光器，2 为保护气体。图 1激光点焊示意图Fig.1 Schematic illustration of laser spot
8、welding金相显微组织观察在 MeF3 型金相显微镜上进行。点焊试样用环氧树脂固定在有机玻璃管内，固化后用 600#1000#的砂纸进行机械研磨，然后用抛光膏抛光。显微组织的腐蚀剂化学配比为 HF:HNO3:H2O=1:4:5（体积比）。测量显微硬度时沿丝的长度方向测量，试样在抛光后轻微腐蚀。测定规范是：载荷 100g，加载时间 15 秒。母材和点焊接头的抗拉强度及超弹性测试在万能试验机上进行，拉伸试样如图 2 所示。测量时使用标距为 25mm 的引伸计，取三种不同的环境温度，拉伸应变速率为 1.6710-4S-1，并用 JSM5600LV 型扫描电镜观察了拉伸断口形貌。图 2激光点焊接头
9、拉伸试样示意图Fig.2 Schematic illustration of laser spot-welded joint specimen for tensile test2.2 NiTi 合金丝激光点焊接头及母材的显微组织图 3 为激光点焊接头的宏观扫描电镜照片。为了防止因两个待焊端面装配间隙大而造成焊接缺陷，在激光点焊过程中沿丝的轴向施加一定的顶锻力，所获得的点焊接头直径略大于丝的原始直径。从图中可以看出，接头表面平滑，成形良好。图 3激光点焊接头的扫描电镜照片Fig.3 SEM image of laser spot-welded joint金相组织观察表明，从接头中心熔化区到母材的
10、组织依次为树枝晶粗大等轴晶细小等轴晶带状组织，如图 4 中（e），（d），（c ），（b）所示。激光点焊接头熔化区由树枝晶组成，热影响区由两部分组成，靠近熔化区的部分为粗大等轴晶，而靠近母材的部分为细小等轴晶，母材为带状组织。(a)(b) (c)(d) (e)图 4 NiTi 合金激光点焊接头及母材的显微组织：(a) 整个街头；（b）母材的显微组织；（c）热影响区的粗晶；（d）热影响区的细晶；（e）熔化区的显微组织Fig.2.6 Microstructures of laser spot-welded NiTi and base metal：(a) microstructure of fusi
11、on zone; (b) coarse crystals of heat-affected zone; (c) fine crystals of heat-affected zone; (d) microstructure of base metal焊缝的结晶形态主要决定于合金中溶质的浓度 C0，结晶速度（或晶粒长大速度）R 0 和液相温度梯度 G 的综合作用 3。激光焊时熔池液态金属的过冷度很大，有利于树枝晶的生长 4。熔池附近的母材组织，由于受到焊接热输入的影响，发生了再结晶。靠近熔池部分的母材温度较高，形成的等轴晶晶粒较粗大，而远离熔池部分的母材温度较低，形成的等轴晶晶粒较细小。但 HSU Y T 等人用 CO2 激光焊接完全退火态的 NiTi 合金板材时，热影响区没有出现粗晶 5。由此可见，母材的状态和焊接工艺对接头组织有重要影响。
