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10CrNi3MoV钢不同焊缝韧度的低匹配接头安全评定

文档作者：李洪梅，孙大千，董鹏，蔡晓龙2 文档来源： 1.吉林大学材料科学与工程学院 2.中国科学院（长春）应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2022年10月18日
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第33卷第12期
焊接学报
Vol.33 No.12
2012年12月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
December 2012
TiNi形状记忆合金与不锈钢激光焊接头
裂纹分析及防止措施
李洪梅，孙大千，董鹏，蔡晓龙2
(1.吉林大学材料科学与工程学院，长春130025；
2.中国科学院（长春）应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，长春130022)
摘要：采用激光焊对形状记忆合金与不锈钢异种材料进行焊接，用扫描电镜和
激光共聚焦显微镜研究了Ti合金/不锈钢接头裂纹及断口特征，分析了焊缝裂纹的
形成机理，并提出了防止裂纹的措施。结果表明，裂纹多以微裂纹的形式出现于焊缝中
心和Ti合金侧熔合区.焊缝中存在大量的脆性化合物是产生裂纹的内在原因，接头
受到拉伸应力是产生裂纹的必要条件，焊缝裂纹是二者共同作用的结果.通过焊接区
加镍和钻中间层材料、改变激光光斑位置、焊接区施加轴向力及优化激光焊接参数的方
法均能在一定程度上改善焊缝金属的裂纹敏感性，其中加金属中间层效果更为明显，加
镍和钻中间层后，接头抗拉强度分别达到372和347MPa,比未加中间层的接头的抗拉
强度分别提高98.9%和85.6%.
关键词：Tii形状记忆合金；不锈钢；激光焊；裂纹
李洪梅
中图分类号：TG456.7文献标识码：A文章编号：0253-360X(2012)12-0041-04
0序言
1试验方法
TiNi形状记忆合金是一种新型的功能材料，它
试验采用口腔医学牙齿正畸TiNi形状记忆合
具有特殊的形状记忆效应和超弹性以及优良的抗腐
金方丝与AIS1304奥氏体不锈钢方丝作为母材，两
蚀性和生物相容性，广泛应用于航空航天、原子能、
种丝的横截面尺寸均为0.48mm×0.64mm,长度
工业制造和医疗器械等领域1.随着科学技术的
为30mm.两种母材金属的化学成分见表1.采用
进步和现代工业的发展，往往需要将TiNi合金与其
JHM-1GY-300B型YAG激光焊接机.焊前将TNi
它异种材料（例如不锈钢）连接起来以满足构件或
合金丝和不锈钢丝待焊端部分别用800号、1200
产品的某种使用要求，例如先进卫星舱门自启闭装
号、2000号砂纸磨平，用丙酮去除丝材试样表面的
置、昆虫型生物机械、脑动脉瘤手术固定器、牙科复
油脂，用HF+HNO3的混合溶液去除试样表面的氧
合矫治弓丝等.但是由于TiNi合金与不锈钢焊接
化膜，而后清水冲洗吹干.将处理后的TiNi合金丝、
时，接头中极易产生裂纹3-3，大幅度降低了接头的
不锈钢丝装在自制的夹具上.由于为细丝激光熔
力学性能，这在很大程度上制约了TiNi合金的更广
焊，焊接试验选用激光单脉冲法，焊接过程中采用氯
泛应用
气保护，脉冲频率为1Hz,光斑直径为b0.3mm,单
目前关于TiNi合金与不锈钢接头裂纹的形成
脉冲能量为5.4~11.8J,脉冲宽度为4~12ms.
机理及防止措施等方面的报道较少.文中采用激光
焊方法连接TiNi合金与不锈钢，研究TiNi合金与不
表1TiNi合金与A1S304的化学成分（原子分数，%）
锈钢激光焊接头的裂纹特征、形成机理及防止措施，
Table 1 Chemical compositions of TiNi alloy AISI304
为改善TiNi合金与不锈钢的连接质量提供必要的
C Si Mn P S Cr Ni Ti Fe
TNi合金
一
一
一
一
50.2余量
试验数据和理论依据
A1S13040.30.41.30.10.0719.38.0一余量
收稿日期：2012-09-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50975122)
采用激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)和扫描电
万方数据
42
焊接学报
第33卷
镜(SEM)研究接头的裂纹特征和断口形貌；用能谱
对降低TiNi合金/不锈钢焊缝裂纹敏感性是十分必
仪(EDS)研究接头成分分布特点；采用微区X射线
要的.
衍射仪(micro-XRD)分析接头的相组成.在室温下
采用MTS810型拉伸试验机对接头试样进行拉伸试
验，拉伸速率为0.2mm/min,重复3次.
2试验结果与讨论
TiNi
不锈钢
2.1激光焊缝的裂纹特征
TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊缝
200μm
裂纹是影响接头力学性能的重要因素.研究发现，
TiNi合金/不锈钢异种材料激光焊缝中的裂纹多以
图3接头宏观裂纹
微裂纹的形式出现于焊缝中心和TiNi合金侧熔合
Fig.3 Macro-cracks of laser welded joint
区，如图1所示.结合接头断口形貌（图2）可以看
出，异种材料激光焊中的裂纹非常细小，裂纹前端无
2.2激光焊缝裂纹形成机理
明显的塑性变形.有些裂纹起源于焊缝缺陷，在脆
2.2.1焊接应力
性区扩展，断裂表面具有解理断裂特征，属于脆性断
焊接是一个局部的不均匀加热和冷却过程。焊
裂.接头的抗拉强度和断后伸长率仅为187MPa和
缝及其附近区域的金属被加热到熔化状态而后冷
0.5%,研究还发现，裂纹的形态与焊接参数的选择
却、凝固、相变，直至室温，在这一热循环作用下，由
有关，当激光热输入较大时，焊缝出现宏观裂纹，粗
于局部、瞬时的热胀和冷缩作用，使焊接接头中产生
大的裂纹沿焊缝中心开裂，如图3所示.可见焊接
复杂的应力状态.这时TiNi形状记忆合金与不锈钢
参数对TiNi合金/不锈钢异种材料激光焊缝的裂纹
由于收缩又承受拉应力，焊后也将产生不同程度的
敏感性具有较大的影响.因此选择合适的焊接参数
残余应力.Ti形状记忆合金和奥氏体不锈钢均具
有高的线膨胀系数，增大TiNi合金与不锈钢激光焊
接头拉应力，这是焊缝易产生裂纹的主要原因之一
微裂纹
其次TiNi合金相变分解时析出TiNi3和Ti2Ni引起
体积缩小，将增大焊后收缩时产生的拉应力，促进裂
纹产生.此外由于采用TiNi合金、不锈钢丝材，结构
5μm
5 um
自身拘束条件造成的应力较小，对焊缝裂纹的影响
(a)焊缝区
(b)TiNi侧熔合区
也较小，可不予考虑
因此引起TiNi合金与不锈钢激光焊缝裂纹的
图1TiNi合金/不锈钢激光接头微裂纹
拉应力主要来源于不均匀加热及冷却过程中的热应
Fig.1 Micro-cracks in laser welded joint of TiNi/stainless
力，其次是金属相变时的组织应力
steel
2.2.2焊缝裂纹形核及扩展
根据金属断裂理论，金属断裂可分为三个阶段，
即裂纹形核、裂纹扩展和最终断裂.
(1)裂纹形核.由TiNi合金与不锈钢激光焊缝
微观组织研究结果可知，焊缝具有复杂的相结构(y-
Fe,B2,Fe,Ti,FeTi,Cr2Ti,TiNi3,Ti2Ni等3)，存在大
量的相界、晶界，也存在一定量的杂质.在焊接应力
的作用下，焊缝中的刃型位错将沿一定方向运动.
20μm
当运动遇到相界、晶界、杂质时就会使位错堆集，并
伴随产生应力集中.当位错堆集到一定程度，就会
图2接头断口表面裂纹形貌
萌生裂纹，即裂纹形核.此外某些焊接缺陷（如孔隙
Fig.2 Cracks morphology in joint fracture surface
等)易引起应力集中，也促进裂纹形核
万方数据
第12期
李洪梅，等：TiNi形状记忆合金与不锈钢激光焊接头裂纹分析及防止措施
43
(2)裂纹扩展.裂纹形核是产生裂纹的必要条
件，而宏观裂纹的产生主要决定于裂纹的扩展速度.
加Ni
一
根据Griffith裂纹扩展理论，裂纹开始自动扩展的临
未加Ni
界条件是：扩展裂纹所需的表面能应正好由系统的
30405060708090
弹性应变能提供.脆性材料裂纹扩展所需的能量及
5 um
行射角20（°）
裂纹扩展时的临界尺寸明显低于塑性材料.在TiNi
(回)焊缝区微观组织
(b)XRD分析结果
合金与不锈钢激光焊缝中，存在大量的含钛化合物，
使焊缝金属脆化，降低了裂纹扩展所需的能量，减小
图4加镍中间层焊缝的微观组织及XRD分析结果
了裂纹扩展时的临界尺寸，提高了裂纹的扩展速度.
Fig.4 Microstructure and XRD pattern of weld with Ni in-
这是焊缝裂纹形成的内在原因，
terlayer
2.3激光焊缝裂纹的防止措施
根据TiNi合金与不锈钢激光焊缝裂纹特征及
形成机理的分析结果，产生焊缝裂纹的原因就在于
焊缝中存在大量的脆性化合物和受到拉伸应力共同
作用的结果.焊缝脆性是产生裂纹的内在原因，而
拉伸应力是产生裂纹的必要条件，因此减少焊缝中
的脆性化合物和拉伸应力是防止裂纹产生的主要
途径.
10μm
2.3.1焊接区加镍中间层
在TiNi合金与不锈钢激光焊接区加中间层，减
图5加镍中间层接头的断口形貌
少焊缝中的脆性化合物，改善焊缝金属裂纹敏感性.
Fig.5 Fracture morphology of joint with Ni interlayer
由Fe-Ni,Cr-Ni二元相图可知，Ni元素与不锈
钢中的Fe,Cr元素具有很好的互溶性，不易产生脆
性化合物；Ni是奥氏体形成元素，可增加焊缝奥氏
体量，有利于改善焊缝的脆性，是较为理想的中间层
材料.此外焊接区加中间层可降低熔合比，减少-
合金的熔化量及焊缝中的钛和镍浓度，也有利于
改善焊缝的脆性，
图4a为加镍中间层（厚度50μm)焊缝的微观
组织.可以看出，焊缝加i元素后，焊缝区呈现奥
20 um
氏体组织特征.XRD分析结果表明，加N元素后焊
缝的相结构发生明显的变化.不仅y-Fe增加、钛化
图6焊缝中的气孔(80um)
合物量减少，而且出现了镍固溶体相（图4b).由
Fig.6 Pores in weld zone (80 um)
图5可以看出，焊缝断口出现塑性变形特征，焊缝裂
纹明显减少.因此通过镍中间层增加焊缝i元素
2.3.2
焊接区加钻中间层
含量、改善焊缝的脆性、降低裂纹敏感性是有效的.
由Co-Fe,Co-Cr,Co-Ni,Co-Ti二元相图可以看
研究结果显示6，接头抗拉强度和断后伸长率明显
出，Co元素与不锈钢、TiNi合金中的Fe,Cr,Ni,Ti元
增加，当镍中间层厚度为50μm时，接头抗拉强度
素具有良好的互溶性，且T元素在Co元素中具有
和断后伸长率达到最大值，分别为372MPa和
较大的溶解度，有利于改善激光焊焊缝组织及性能；
4.4%。与未加中间层的接头相比，接头抗拉强度提
钻的线膨胀系数处于TiNi合金和不锈钢线膨胀系
高98.9%.应该指出的是，镍中间层过厚（厚度≥
数之间，有利于缓解异种材料焊接接头的残余应力；
80μm)易增加焊缝气孔倾向（图6），这主要是由于
钴具有较高的塑性及变形能力，有利于改善接头脆
含高浓度镍的焊接熔池的流动性差，且激光焊熔池
性.研究表明，焊缝加C0元素后焊缝裂纹倾向降
的冷却速度快，已形成的气泡不易浮出，因而易在焊
低，接头力学性能有较明显的改善当钻中间层厚
缝金属中形成气孔缺陷.因此采用过厚的镍中间层
度为20μm时，接头抗拉强度和断后伸长率达到最
对降低焊缝裂纹敏感性和提高力学性能不利
大，分别为347MPa和4.2%，与未加中间层的接头
万方数据
44
焊接学报
第33卷
相比，接头抗拉强度提高85.6%，主要归因于Fe-
脆性和接头应力是防止裂纹产生的主要途径，
Ti,Cr-T等金属间化合物含量降低).
(3)焊接区加镍和钻中间层材料、改变激光光
2.3.3改变激光光斑位置
斑位置、焊接区施加轴向力及优化激光焊接参数均
在TiNi合金与不锈钢激光焊缝中，大量的含Ti
能在一定程度上降低焊缝脆性和接头应力，改善焊
元素化合物使焊缝金属脆化，降低了裂纹扩展所需
缝金属的裂纹敏感性，提高接头的力学性能.
的能量，减小了裂纹扩展时的临界尺寸，提高了裂纹
的扩展速度.焊缝中的元素主要来源于熔化的
参考文献：
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拉应力，有利于改善焊缝金属的裂纹敏感性.采用
Li Hongmei,Sun Daqian,Wang Wenquan,et al.The influences
二次正交优化设计，选取脉冲电流、脉冲时间和离焦
of laser spot position on the microstructures and properties of TiNi-
量作为自然因素得出优化的激光焊接参数.结果显
SMA and stainless steel joints[J].Materials Science and Technol-
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3结论
less steel using Co filler metal[EB/OL].[2012 -09 -19].ht-
tp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399212-
(1)采用激光焊对焊的方式连接TiNi形状记
002782.
忆合金与不锈钢异种材料接头极易产生裂纹。裂纹
多以微裂纹的形式出现于焊缝中心和TiNi合金侧
作者简介：李洪梅，女，1982年出生，博士，工程师.主要从事先
进材料的连接方面的研究工作.发表论文8篇，Email:lihongmei@
熔合区.
jlu.edu.cn
(2)焊缝中存在大量的脆性化合物和受到拉伸
通讯作者：孙大千，男，教授，博士研究生导师.Email:sundq@
应力的共同作用是产生焊缝裂纹的原因.降低焊缝
jlu.edu.en
万方数据

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