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        工藝參數(shù)對TiNi 合金/TC4 鈦合金超聲波焊焊接接頭形貌和力學(xué)性能的影響研究

        2023-07-03 01:30:30吳鴻燕桑玉蕊陳玉華王理濤
        航空制造技術(shù) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:抗拉中間層壓痕

        吳鴻燕,陳 炯,桑玉蕊,陳玉華,王理濤

        (1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,九江 332007;2.南昌航空大學(xué),南昌 330063)

        TiNi 形 狀 記 憶 合 金(Shape memory alloy,SMA),具有超彈性和優(yōu)異的形狀記憶性能,以及較高的比強(qiáng)度、抗磨損、抗腐蝕和生物相容性等特點(diǎn),在航天航空、原子能、海洋開發(fā)、儀器儀表及醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1–4]。鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、抗耐蝕性能好、無磁性等特點(diǎn)[5]。焊接是鈦合金制品生產(chǎn)和制造過程中不可缺少的加工工藝[6]。然而,TiNi 合金和鈦合金在物理、化學(xué)性能方面存在較大差異,材料線膨脹系數(shù)的差異,使其在焊接時極易產(chǎn)生熱裂紋。其次,由于基材化學(xué)成分不同,焊縫處會生成新的化合物和物相,造成成分和組織不均,降低接頭性能[7]。因此,焊接時要盡量縮短時間,或加入中間過渡層,使其盡可能不產(chǎn)生液相。所以,固相連接方法是連接TiNi 合金與TC4 鈦合金異種材料的最佳方法。

        超聲波焊是一種常見的固相連接方法,焊接過程中工件只有局部受短時的高溫,材料沒有熔化,所以工件變形小,不易產(chǎn)生缺陷,適合異種材料的連接。本文采用超聲波焊對TiNi 合金和TC4 鈦合金異種材料連接進(jìn)行探索。研究了不同工藝參數(shù)對添加中間層形成的TiNi/TC4異種金屬超聲波焊接接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律,為異種材料超聲波焊方面的研究提供了理論和試驗依據(jù)。

        1 試驗條件及方法

        試驗選用0.25 mm 厚的TiNi 記憶合金和0.2 mm 厚的TC4 鈦合金,其主要化學(xué)成分如表1 所示。因為TiNi合金與TC4 鈦合金硬度較大,直接焊接會產(chǎn)生應(yīng)力集中,在高頻振動下會在焊點(diǎn)的邊緣發(fā)生斷裂。為了解決這一問題,試驗采用純鎳和純鋁作為過渡中間層材料來進(jìn)行超聲波焊接。

        表1 試驗材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main chemical compositions of test materials (mass fraction) %

        試驗設(shè)備為美斯特公司生產(chǎn)的MXTER–3000–A 型超聲波焊機(jī),如圖1 所示。焊接后的試樣在INSTRON–5540 型微機(jī)控制電子試驗機(jī)上測試,采用0.4 mm/min 的拉伸速率,每組工藝下取3 個接頭試樣進(jìn)行測試,平均值作為該參數(shù)下的最終抗拉剪力。采用WT–401MVD 型維氏顯微硬度計對接頭進(jìn)行硬度測試,加載時間為10 s,由于TiNi 合金和TC4 鈦合金與中間層材料鎳、鋁的硬度值相差較大,TiNi 合金和TC4 施加載荷為200 g,中間層材料施加載荷為100 g,對于橫向的硬度分布采樣取點(diǎn)間隔為0.5 mm,縱向硬度分布的采樣取點(diǎn)間隔為0.05 mm。硬度測試采樣點(diǎn)如圖2 所示。

        圖1 超聲波金屬點(diǎn)焊機(jī)Fig.1 Ultrasonic metal spot welder

        圖2 顯微硬度測試取點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of point selection for microhardness test

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 工藝參數(shù)對接頭宏觀形貌的影響

        圖3 為添加不同中間層焊接接頭的宏觀形貌。可以發(fā)現(xiàn),上焊件的表面有超聲波焊頭留下的壓痕,這是由于振動時,焊頭下面接觸部分相互摩擦傳遞給焊件所致。因此,在焊頭下方能看到金屬塑性擠出留下的痕跡,對于不同的材料,壓痕的深淺也不同。

        圖3 焊接接頭宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of welded joints

        圖4 為焊接接頭上焊件表面壓痕形貌壓痕位置的放大??梢妼τ贜i 中間層接頭,當(dāng)焊接時間較短時,焊頭很難壓入材料,壓痕較淺,隨著焊接時間的增加,摩擦產(chǎn)熱增多,材料開始出現(xiàn)軟化,塑性變形明顯,焊頭壓入材料內(nèi)部將部分母材擠出;對于鋁中間層,壓痕的深度都較深,隨時間變化不明顯,但在圖4(c)~(d)中壓痕凹坑周圍出現(xiàn)一些刮擦的痕跡,這是由于在焊接過程中焊頭凸點(diǎn)與TC4 表面的熱浸鍍鋁層發(fā)生了粘連,在焊接結(jié)束取下焊件時與焊頭凸點(diǎn)間發(fā)生了碰撞刮擦所致。

        圖4 焊接接頭上焊件表面壓痕形貌Fig.4 Surface indentation morphology of weldment on welded joint

        如圖4 所示,在超聲波焊接過程中,焊頭下方與焊頭凸點(diǎn)接觸的材料由于振動摩擦的原因經(jīng)常會發(fā)生材料擠出現(xiàn)象,材料擠出過程的機(jī)理如圖5 所示,由于振動過程是周期循環(huán)的,因此給出了1/4 和1/2 焊接周期的示意圖。

        圖5 1/4 和1/2 焊接周期內(nèi)材料擠出過程示意圖Fig.5 Extrusion process of material in 1/4 and 1/2 welding cycle

        圖5 表示當(dāng)焊頭相對于上焊件進(jìn)行運(yùn)動時,上焊件表面的材料被擠出的過程。在剛開始的1/4 周期,焊頭下壓,這時與焊頭右側(cè)相鄰的上焊件表面的材料被擠出,同時下方處于塑性狀態(tài)的材料被擠至因焊頭移動留下的左側(cè)空隙。這些從焊頭下方被擠出的材料由于沒有力的作用將留在空隙中。由于焊頭下方的材料被擠出,焊頭將更深入地壓進(jìn)材料中。1/2 周期過程剛好相反,焊頭左側(cè)材料被擠出至原始的材料表面,右側(cè)留下的缺口將再次被焊頭下方的材料填補(bǔ),焊頭再次深入材料的內(nèi)部。

        上述過程在每個振動周期會進(jìn)行重復(fù),因此在一些情況下,如材料的硬度較低,塑性較好時會消耗上焊件的厚度,在Al/Al、Cu/Cu 的超聲波試驗中也充分證實(shí)了這一點(diǎn)。

        2.2 焊接時間對抗拉剪力的影響

        圖6 為Ni 做中間層,焊接壓力P為0.44 MPa、0.48 MPa、0.52 MPa、0.56 MPa 和0.60 MPa 時,焊接時間對TiNi/Ni/TC4 超聲波焊接接頭抗拉剪力的影響??梢?,隨著焊接時間的增加,抗拉剪力先增后減。在t=0.3 s時,抗拉剪力很小,這是因為在短時間內(nèi),超聲能量大多消耗在了焊件的加熱和彈塑性變形上,使得結(jié)合界面處的摩擦和塑性變形不足,只有少量機(jī)械嵌合。隨著焊接時間加長,材料的塑性變形增強(qiáng),微觀接觸面積增大,結(jié)合面上發(fā)生了擴(kuò)散和金屬鍵合,接頭強(qiáng)度提高。當(dāng)t>0.5 s 以后,隨著焊接時間的增加,接頭的抗拉剪力又下降了,這是因為長時間高頻振動破壞了原有的連接,同時高頻振動會在已經(jīng)形成的連接界面處產(chǎn)生疲勞,使得接頭的抗拉剪力有所下降。當(dāng)P≤0.52 MPa 時,從0.3 s 增加到0.5 s 的焊接時間過程中,接頭的抗拉剪力迅速增加,在0.5~0.6 s 時,接頭的強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定;當(dāng)P=0.56 MPa 時,焊接時間在0.3~0.5 s 時,接頭的強(qiáng)度雖然有所提高,但是幅度較小,超過0.5 s 后又輕微下降;當(dāng)P=0.60 MPa 時,焊接接頭的強(qiáng)度只有小幅增長。

        圖6 焊接接頭抗拉剪力與焊接時間的關(guān)系(Ni 做中間層)Fig.6 Relationship between tensile shear force of welded joints and welding time(Ni as intermediate layer)

        綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)在超聲波焊接過程中,當(dāng)焊接壓力較低時,焊接時間對接頭的強(qiáng)度影響較大,隨著焊接壓力增大,焊接時間對接頭強(qiáng)度的影響逐漸減弱。

        焊接壓力P為0.56 MPa,焊接時間對Ni、Al 不同中間層超聲波焊接接頭抗拉剪力的影響見圖7??梢姡砑覣l 作中間層與添加Ni 作中間層時基本相同,抗拉剪力強(qiáng)度都表現(xiàn)為先增后減,這是由于隨著焊接時間延長,界面的溫度升高,Al 隨溫度升高軟化嚴(yán)重,在焊接壓力作用下被擠出焊接界面,造成部分焊點(diǎn)下的連接界面處發(fā)生滲鋁,這時化合物層與TiNi 母材接觸,減小了有效結(jié)合區(qū)的面積,抗拉剪力下降。

        圖7 焊接時間對不同中間層材料焊接接頭強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of welding time on welding joint strength of different intermediate layer materials

        2.3 焊接壓力對抗拉剪力的影響

        圖8 為Ni 做中間層,焊接時間0.3~0.6 s,焊接壓力對TiNi/Ni/TC4 超聲波焊接接頭抗拉剪力的影響。可見,焊接壓力的影響規(guī)律與焊接時間基本一致,都表現(xiàn)為先增后減。從圖8 中可以看出焊接時間一定時,接頭抗拉剪力隨焊接壓力的增加而增加,當(dāng)t≤0.4 s,在P=0.56 MPa 時達(dá)到最大,當(dāng)t≥0.5 s,在P=0.52 MPa時達(dá)到最大,之后當(dāng)焊接壓力繼續(xù)增加,接頭強(qiáng)度反而下降。由此可得,時間較短時焊接壓力是決定接頭強(qiáng)度的主要因素,壓力大則強(qiáng)度高;隨著時間的延長,焊接壓力的作用開始削弱,壓力大接頭強(qiáng)度反而降低。因此,在焊接時間較短時要適當(dāng)增加焊接壓力,在時間較長時要適當(dāng)降低焊接壓力才能獲得優(yōu)良的焊接接頭。

        圖8 焊接接頭抗拉剪力與焊接壓力的關(guān)系(Ni 做中間層)Fig.8 Relationship between tensile shear force of welded joints and welding pressure(Ni as intermediate layer)

        當(dāng)P≤0.48 MPa,t≤0.4 s 時,接頭的強(qiáng)度較低,這是因為焊接壓力低,超聲波能量小,結(jié)合面附近材料表面微氧化層未被破壞,塑性變形小,連接較弱。當(dāng)焊接壓力增加,結(jié)合面的高頻摩擦加強(qiáng),材料的塑性流動加劇,微結(jié)合區(qū)面積增大,成形更好。但是當(dāng)焊接壓力過高時,被焊工件接觸面上的摩擦力變大,其相對滑動減弱,使焊頭的振幅減小,焊件間的結(jié)合面積甚至?xí)p少,再加上高頻振動,在焊接區(qū)域形成疲勞破壞,從而降低了接頭的抗拉剪力。

        圖9 為t=0.5 s,焊接壓力對Ni、Al 不同中間層超聲波焊接接頭抗拉剪力的影響規(guī)律??梢?,不同中間層的焊接接頭抗拉剪力隨焊接壓力增大時變化趨勢相同,都表現(xiàn)為先增加,在P=0.52 MPa 時達(dá)到最大,分別為356 N(Ni 中間層)、930.8 N(Al中間層),之后開始逐漸降低。這是因為焊接壓力的增大使超聲波焊接界面有效連接面積增大,強(qiáng)度增大。但隨著壓力的增大,Al 升溫軟化,被擠出結(jié)合面,只留下鍍鋁時的化合物層與TiNi 母材相接觸,但連接困難,造成強(qiáng)度逐漸下降。

        圖9 焊接壓力對不同中間層材料焊接接頭強(qiáng)度的影響Fig.9 Influence of welding pressure on welding joint strength of different intermediate layer materials

        在圖8 和9 中還發(fā)現(xiàn),Al 中間層接頭的抗拉剪力遠(yuǎn)大于Ni 中間層接頭。這是因為Al 的熔點(diǎn)低,在焊接過程中界面溫度更容易接近Al 的熔點(diǎn),使Al 發(fā)生充分的塑性變形,這樣,殘留在焊接界面上的氧化物破碎并清除,使得中間層與未氧化的母材表面發(fā)生原子間的接觸,形成大面積的結(jié)合區(qū)。另外由于不同的添加方式,Al 為鍍在TC4 表面,在焊接過程中連接界面只有1 個摩擦面,產(chǎn)生的熱量較為集中,而Ni 為箔片直接添加,焊接過程中連接界面有2 個摩擦面,不必要的摩擦使得部分能量被損耗,同時產(chǎn)生的熱量也較為分散,降低了連接界面的溫度,致使Ni 不易發(fā)生塑性變形,形成的有效連接面積減少。

        2.4 超聲波焊對接頭顯微硬度的影響

        圖10 為Ni 做中間層,焊接參數(shù)P=0.52 MPa、t=0.5 s 時的接頭結(jié)合面附近橫向硬度測試結(jié)果??梢钥闯觯瑳]有受到超聲波焊頭擠壓影響的基材硬度比焊核區(qū)低,經(jīng)過焊頭擠壓和焊接作用后,TiNi 合金硬度值由原來母材的245~253HV 增大到265~302HV,TC4 鈦合金硬度值由原來母材的298~316HV 增到321~336HV,中間層Ni 由原來母材的93~98HV 增 大 到114~150HV。超聲波焊接接頭焊核區(qū)材料的硬度高于母材,可能是由于:(1)被焊接材料在超聲波焊接過程中受到熱和擠壓的作用,母材產(chǎn)生了加工硬化效果[8];(2)在超聲波焊接過程中高頻振動產(chǎn)生高頻的周期形變增加了晶粒的內(nèi)應(yīng)力,引起晶格畸變產(chǎn)生相互滑移,使晶格的位錯密度增大,位錯間的相互作用加強(qiáng),增加了金屬塑性變形抗力[9],使得接頭的硬度增大。

        圖10 焊接結(jié)合面附近橫向硬度分布(Ni 做中間層)Fig.10 Transverse hardness distribution near welding joint surface (Ni as intermediate layer)

        圖11 為結(jié)合面附近縱向(壓痕下方)顯微硬度分布曲線。與焊點(diǎn)邊緣位置的顯微硬度相比較,中心線附近的硬度值高。其中TC4 側(cè)中心線上靠近結(jié)合面的硬度值達(dá)到了339HV,比TC4 母材高,而與上聲極接觸界面附近的硬度值為320HV,比母材高;TiNi 合金側(cè)中心線上靠近結(jié)合面的硬度值達(dá)到了294HV,比TiNi 合金母材高,與鐵砧接觸界面附近的硬度值為280HV,比母材高。這是由于遠(yuǎn)離界面的位置只受焊接壓力的影響,而靠近結(jié)合面附近,在焊接過程中超聲頻率的振動摩擦使得界面結(jié)合區(qū)域內(nèi)金屬顆粒高頻振動,元素的擴(kuò)散能力和金屬流動行為加強(qiáng),金屬材料發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生大量位錯運(yùn)動,使位錯密度迅速增大,提高了材料的硬度。

        圖11 焊接結(jié)合面附近縱向硬度分布(Ni 做中間層)Fig.11 Longitudinal hardness distribution near weld joint surface (Ni as intermediate layer)

        圖12 為P=0.52 MPa、t=0.5 s 時的Al 中間層接頭結(jié)合面附近橫向硬度分布??梢姡捕鹊淖兓厔菖c添加Ni 中間層相同,即在焊核部位硬度值有一定程度的增大。TiNi 合金和TC4 鈦合金硬度值增加相對較小,而中間層Al 的增幅較大,主要是因為鍍鋁層為工業(yè)純鋁,自身硬度較低,在經(jīng)過超聲波焊頭擠壓作用后,加工硬化效果顯著,因此硬度變化較大。

        圖12 焊接結(jié)合面附近橫向硬度分布(Al 做中間層)Fig.12 Transverse hardness distribution near weld joint surface (Al as intermediate layer)

        圖13 為結(jié)合面附近縱向(壓痕下方)顯微硬度分布曲線,與圖11的變化趨勢相同,越接近超聲波焊接結(jié)合面位置的硬度值越大。這是因為在超聲波焊接過程中,結(jié)合面附近材料受到振動摩擦作用產(chǎn)生金屬顆粒的高頻振動,使金屬塑性變形加強(qiáng),產(chǎn)生大量位錯運(yùn)動,使位錯密度增大,造成材料硬度有一定程度的增加。

        圖13 焊接結(jié)合面附近縱向硬度分布(Al 做中間層)Fig.13 Longitudinal hardness distribution near weld joint surface (Al as intermediate layer)

        3 結(jié)論

        (1)添加Ni 和Al 中間層的TiNi/TC4 焊接接頭中,焊縫區(qū)結(jié)合面平直,Al 中間層接頭界面附近材料的塑性變形程度要遠(yuǎn)大于Ni 中間層接頭中的塑性變形,并且有大量的Al被擠出界面。

        (2)超聲波焊接的時間和壓力對焊接接頭的抗拉剪力有明顯影響,接頭的抗拉剪力隨著焊接時間和焊接壓力的增加,先增大后減小。添加Ni中間層,P=0.52 MPa、t=0.5 s 時,接頭的抗拉剪力達(dá)到最大,為356 N;添加Al中間層,P=0.52 MPa、t=0.5 s時,接頭的最大抗拉剪力為930.8 N,為Ni 中間層接頭強(qiáng)度的2.6 倍。

        (3)超聲波焊接過程會改變焊縫區(qū)材料的顯微硬度,平行于結(jié)合面方向,焊核位置硬度相比于未焊接的母材有小幅增加;垂直于結(jié)合面方向,越接近結(jié)合界面,材料的硬度越高,但兩者的增幅一般不超過10%。焊點(diǎn)下方的中間層材料硬度改變明顯,增加幅度可達(dá)50%。

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