形状记忆合金是一种新型功能材料,现已发现20多种形状记忆合金。其中Ni基和Cu基应用最 为广泛。而两者相比,Cu基合金成本低廉加工容易。当前实用化的形状记忆合金器件主要是制造 简单的工业制件(如弹簧、丝和片),若将形状记忆合金焊接成更加复杂的形状则是扩大其应用范 围的一个重要途径。人们对形状记忆合金的组织、成分、性能等材料特性研究较多,而关于其焊接 性能的研究集中在Ni基合金上,Cu基记忆合金的研究仅见到一篇报道<1>。尚未见到Cu基 记忆合金与其他材料连接的报道。本文拟研究CuZnAl形状记忆合金与不锈钢的焊接接头性能 。1 材料制备及试验方法1.1 材料制备CuZnAl形状记忆合金的成分为:Cu-25. 7Zn-3.81Al。中频感应炉在大气下熔炼,加入0.08%RE进行晶粒细化处理<2> ,晶粒尺寸为0.1～0.15mm。合金的热处理工艺是:150℃(或100℃)两级时效, 即850℃保温30min放入室温机油中,再放入150℃(或100℃)的机油中保温30m in,处理后合金的相变温度为:As=62℃,Af=82℃,Ms=74℃,Mf=54℃。 然后将其加工成焊接试样,尺寸为0.8×20×50(mm)。不锈钢(1Cr18Ni9Ti )试样尺寸与记忆合金相同。1.2 焊前准备焊前将记忆合金点焊处用刷子擦刷表面,并用压缩 空气吹掉表面残留的细屑。对不锈钢焊前用丙酮清洗,然后用冷水冲洗掉焊件表面的清洗液并烘干 。1.3 试验方法电阻焊加热时间比较短,热量集中,在焊接过程中产生的应力变形小,通常在 焊后不必进行校正和处理;不需焊丝、焊条、保护气体等,成本低;操作简单,易于实现机械化和 自动化,生产效率高。因此采用交流点焊机进行点焊试验。电极加工成球形,球面电极的工作表面 半径为75mm。交流焊接机主要有两个焊接参数要进行选择:焊接时间和焊接热量。焊接时间的 调节范围是0～99个波段,焊接热量的调节范围为0～999kJ。焊接完成后根据相应标准制 成相关试样进行测试。采用回复率法测定合金的形状记忆性能。用MM6型金相显微镜和JXA8 40型扫描电镜观察显微组织。2 试验结果与讨论2.1 焊接接头力学性能及其与焊接参数的 关系(02JDQ010)总共6个拉伸试样,全部断裂在焊点处。经测试,焊接接头的平均拉伸 应力分别为520MPa、530MPa和485.6MPa。抗拉强度与焊接工艺参数有关,焊 接热量和通电时间是影响焊接接头力学性能的重要因素。焊接时间过长,焊点外形不美观且易焊透 ;焊接时间过短,流过电极的电流较小,容易产生焊不合现象。焊接热量过大,容易产生焊透及飞 溅;焊接热量过小,也会产生焊不合现象。在适当的通电时间条件下(10个波段左右),随着焊 接热量的增加,接头的抗拉强度增加,在焊接热量达到650～850kJ时,σb达到最大值( 图1)。可见,最佳工艺参数具有热量大,时间短的特点。同图1 焊接接头抗拉强度与焊接热量 的关系时,大电流、短时间的焊接工艺,热影响区小,焊接变形小,生产率高,电能损耗小,比较 适合生产实际中使用。但如果焊接热量再继续增加,则焊接接头抗拉强度开始下降。由于焊接时的 热量较大,金属沿对口的流动量增加,因而使氧化膜和夹杂容易破坏和挤走。高温和充分的塑性变 形促进了再结晶过程的进行,在接口区容易形成共同的细小晶粒,有助于改善焊接接头的力学性能 。焊接电流进一步增加,导致接口区塑性变形过大,同时由于二次再结晶使晶粒粗大,降低了接头 抗拉强度,甚至焊穿。同时对于不锈钢而言,热量过大、时间图2 CuZnAl与1Cr18N i9Ti焊点处组织及成分分析过长容易产生焊缝金属高温停留时间长,容易形成粗大的铸态组织 ,产生较大的应力和变形等。残余应力的存在容易产生焊接热应力裂纹和应力腐蚀开裂。2.2 焊点处金相组织和成分分析CuZnAl形状记忆合金与不锈钢焊点处组织及成分变化情况如图2 所示(线扫)。可看出,CuZnAl形状记忆合金及焊点处是马氏体组织;从线扫结果看,焊点 处各成分互相融合过渡,同时有明显的记忆合金成分向不锈钢一侧过渡现象。对焊点处做能谱分析 ,Al、Si、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn等元素的质量百分比和原子量成分比如表1所示。 将表1结果与母材成分比较可以看出,焊点处成分已经较母材有较大变化,不具有形状记忆合金的 特性了。表1 焊点成分分析元素AlSiCrFeNiCuZn合计质量/%1.950.72 9.3134.123.0534.6916.16100原子量/%4.171.4810.3 335.25331.5114.27100 记忆合金成分向不锈钢一侧过渡现象的原因是不 锈钢产生了微裂纹,记忆合金元素沿着裂纹走向渗透进了不锈钢。究其原因,不锈钢的导热系数小 ,冷却速度慢,小于形状记忆合金的冷却速度,使焊接接头在冷却过程中可形成较大的拉应力。焊 缝金属凝固期间因存在拉应力而产生了裂纹。焊接过程中,焊点及焊点热影响区发生了严重的晶界 腐蚀破坏,甚至导致晶粒剥落,钢件脆断。2.3 形状记忆效应采用形状回复率法测试焊点处的 形状记忆恢复率,结果表明,焊点处已经基本没有形状记忆效应。这主要是在焊点处由于不锈钢成 分的过渡,使得接头处成分变化大(图2、表2结果),已经不具备形状记忆合金的成分和特性。 但在焊点熔核以外4mm处其形状记忆恢复率已经与母材相同,这主要是因为此处已经 超出 了其热影响区的范围。3 结论选择适当的焊接工艺,不锈钢与形状记忆合金可以通过点焊方法进 行连接,其连接强度有所降低,但幅度不大,不影响使用;焊点处形状记忆效应消失,在焊点熔核 处热影响区以外形状记忆效应跟母材相同;焊接热量较大,易产生裂纹。CuZnAl形状记忆合金与不锈钢连接接头性能研究@陈希章$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013上海交通大学材料科学与工程学院上海200030
@雷玉成$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013
@司乃潮$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013CuZnAl;;形状记忆合金; ;点焊;;不锈钢采用金相观察、拉伸、扫描电镜等研究了CuZnAl形状记忆合金与不锈钢交 流点焊焊接接头的力学性能、形状恢复率等,给出了获得较高接头性能的焊接参数。结果表明,在 适当焊接条件下,CuZnAl形状记忆合金与不锈钢交流点焊焊接接头的拉伸性能下降幅度不大 ;焊点处形状记忆效应消失,在焊点熔核外热影响区以外形状记忆效应跟母材相同。<1> Sa lazarde,GomezMendezJM,UrenaFJ,etal.Tran-sie ntLiquidPhase(TLP)DiffusionBondingofaCopper BasedShapeMemoryAlloyUsingSilverAsInterlayer
.ScriptaMaterialia,1997,37(6):861.
<2> NaichaoSi.CuZnAlShapeMemoryAlloyRefinedw ithCompositeRareEarthsLa+Ce.J.ofRareEart hs,1999,(4):275.江苏省自然科学基金资助(BK9911);;江苏大学青年 基金资助(02JDQ010)金可以通过点焊方法进行连接,其连接强度有所降低,但幅度不大 ,不影响使用;焊点处形状记忆效应消失,在焊点熔核处热影响区以外形状记忆效应跟母材相同; 焊接热量较大,易产生裂纹。CuZnAl形状记忆合金与不锈钢连接接头性能研究@陈希章$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013上海交通大学材料科学与工程学院上海200030
@雷玉成$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013
@司乃潮$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013CuZnAl;;形状记忆合金; ;点焊;;不锈钢采用金相观察、拉伸、扫描电镜等研究了CuZnAl形状记忆合金与不锈钢交 流点焊焊接接头的力学性能、形状恢复率等,给出了获得较高接头性能的焊接参数。结果表明,在 适当焊接条件下,CuZnAl形状记忆合金与不锈钢交流点焊焊接接头的拉伸性能下降幅度不大 ;焊点处形状记忆效应消失,在焊点熔核外热影响区以外形状记忆效应跟母材相同。<1> Sa lazarde,GomezMendezJM,UrenaFJ,etal.Tran-sie ntLiquidPhase(TLP)DiffusionBondingofaCopper BasedShapeMemoryAlloyUsingSilverAsInterlayer.ScriptaMaterialia,1997,37(6):861.
<2> NaichaoSi.CuZnAlShapeMemoryAlloyRefinedw ithCompositeRareEarthsLa+Ce.J.ofRareEart hs,1999,(4):275.江苏省自然科学基金资助(BK9911);;江苏大学青年基金资助(02JDQ010)
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