Study on Pulse Welding Process of NiTi/6061 Plates Magnetic

NiTi/6061铝合金异种材料电磁脉冲焊工艺研究 Study on Pulse Welding Process of NiTi/6061 Plates Magnetic 1 2 first-author 张鹤鹤（1988—），博士，硕士生导师，主要从事电子封装微连接、电磁脉冲焊、形状记忆合金磁驱动效应等研究工作。E-mail：zhanghehe@cqust.edu.cn。 张鹤鹤（1988—），博士，硕士生导师，主要从事电子封装微连接、电磁脉冲焊、形状记忆合金磁驱动效应等研究工作。E-mail：zhanghehe@cqust.edu.cn。 zhanghehe@cqust.edu.cn 1 1 3 1 3 4 2 重庆科技学院 冶金与材料工程学院,重庆 401331 重庆科技学院 冶金与材料工程学院,重庆 401331 School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001 State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 重庆材料研究院有限公司,重庆 400707 重庆材料研究院有限公司,重庆 400707 Chong Qing Materials Research Institute Co., Ltd., Chongqing 400707, China Chong Qing Materials Research Institute Co., Ltd., Chongqing 400707, China 南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063 南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063 Jiangxi Key Laboratory of Forming and Joining Technology for Aviation Components, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China Jiangxi Key Laboratory of Forming and Joining Technology for Aviation Components, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China NiTi形状记忆合金具有优良的形状记忆效应、超弹性、生物相容性、抗阻尼性能、抗腐蚀性能及综合力学性能，为了扩展其在智能开发中的应用，NiTi合金与其他综合性能良好的结构材料的连接备受关注。采用电磁脉冲焊连接NiTi/6061铝合金，利用光学显微镜（OM）以及扫描电镜（SEM）分析了不同热处理状态（T6态和完全退火态）和放电能量对母材及焊接接头微观组织的影响，利用DSC分析不同放电能量下NiTi合金的形状记忆效应。结果表明，完全退火处理有利于6061铝合金与NiTi的连接，电磁脉冲焊界面区厚度小于5 μm，对NiTi合金的形状记忆效应影响较小。 With excellent shape memory effect (SME) and super-elasticity (SE), biological compatibility, damping resistance, corrosion resistance and comprehensive mechanical properties, NiTi shape memory alloys (SMA) was widely used in the fields of aerospace, artificial intelligence and biomedicine, etc. In order to expand its application in intelligent development, dissimilar welding of NiTi alloy and other structural materials (such as Al6061 aluminum alloy, steel, Ti6Al4V alloy) has attracted much attention. In this study, NiTi/6061 aluminum alloy was welded by magnetic pulse welding (MPW). The microstructural features of base metal and welded joint at different heat treatment states (T6 state and fully annealed state) and discharge energy were investigated by optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). Martensitic transformation properties of NiTi before and after welding under different discharge energy was analyzed by DSC. The fully annealing treatment was beneficial to the joining between 6061 aluminum alloy and NiTi, and the thickness of the interface zone is less than 5 μm. The MPW has little effect on the shape memory effect of NiTi alloy. 电磁脉冲焊接 NiTi形状记忆合金 6061铝合金 马氏体相变 热处理 magnetic pulse welding NiTi shape memory alloys 6061 aluminum alloy martensitic transformation heat treatment 前言 1 NiTi形状记忆合金作为智能材料的一种，具有优良的形状记忆效应、超弹性、生物相容性、抗阻尼性能、抗腐蚀性能及综合力学性能，在生物医疗、海洋开发、仪器仪表、航空航天等领域具有广阔的应用前景 ［ 1 1 ］ 。对于智能材料的应用，不仅限于先进材料的开发，还取决于该材料与其他高性能结构材料的连接技术。NiTi形状记忆合金的焊接除了焊接接头质量和力学性能应达到要求，其接头处形状记忆效应和超弹性也要满足特有的功能特性。 NiTi合金的形状记忆效应对成分、温度、内应力、组织比较敏感，目前针对NiTi合金异种材料连接的研究较为欠缺，主要集中在焊接界面相对小的爆炸焊、激光焊、钎焊、超声波和电子束焊等 ［ 2 2 - 8 8 2-8 ］ 。 与NiTi合金连接的异种材料研究主要集中在钛合金 ［ 9 9 - 10 10 9-10 ］ 、不锈钢 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ 等综合力学性能较好的结构材料上。6061铝合金的主要合金元素为Mg和Si，具有良好的可成形性、可焊性以及优良的综合力学性能，广泛应用于航空航天、交通运输、兵器火箭、家用电器、装饰包装等行业。 电磁脉冲焊（Magnetic pulse welding，MPW）是一种固相焊接技术，借助磁场产生的磁压对飞板进行冲击，从而使飞板和基板形成焊接，其焊接时间非常短，且被连接金属不发生熔化，极大限制了焊接接头界面金属间化合物的产生 ［ 13 13 ］ 。本文采用电磁脉冲焊连接NiTi合金与6061铝合金，研究6061铝合金不同热处理状态和放电能量对焊接接头组织形貌以及接头处NiTi合金形状记忆效应的影响。 试验材料与方法 1 试验材料 2 试验材料为6061铝合金（分别为T6态和完全退火态）以及超弹性NiTi合金，尺寸100 mm×40 mm×1 mm。T6态6061铝合金热处理工艺为535 ℃保温70 s，冷水淬火，然后在150 ℃保温5 h进行人工时效；完全退火态6061铝合金的热处理工艺为480 ℃保温1 h炉冷至260 ℃，然后空冷至室温；超弹性NiTi合金在200 ℃下保温20 h，进行去应力退火。超弹性NiTi合金中Ni、Ti含量（ at .%）分别为50.5%和49.5% 试验方法 2 电磁脉冲焊设备选用重庆普尔萨科技有限公司研制的Xrta pulse 70，其额定电压为25 kV，总电容240 μF，最大储能70 kJ。焊前采用超声波清洗去除待焊金属板表面油污。选用导电性、塑韧性较好的6061铝合金作为飞板，NiTi合金作为基板，两者之间放置1.5 mm的垫片固定初始间隙，放电能量范围为10~35 kJ。NiTi/6061铝合金电磁脉冲焊接接头采用搭接形式，如 图1 图1 所示。 MPW具体过程如下：（1）交流电先通过变压器升压，经过可控整流器输出直流电进而对电容器充电。（2）电容器约10 s达到一定电压，脉冲发生器输出脉冲信号接通放电电路，电容器瞬间放电，高频衰减的振荡电流流过线圈产生强脉冲磁场。（3）在磁场作用下，靠近线圈的飞板（6061）产生与线圈方向相反的感应电流，飞板在反向电流产生的强磁场力作用下高速撞击基板（NiTi）。（4）当碰撞速度和碰撞角度达到一定条件时，即可完成NiTi合金与6061铝合金的连接。电磁脉冲焊相关工艺参数见 表1 表1 。 放电能量 E /kJ 两板间隙 d /mm 额定电压 U /kV 8 1.5 25 10 1.5 25 12 1.5 25 15 1.5 25 18 1.5 25 20 1.5 25 22 1.5 25 25 1.5 25 30 1.5 25 35 1.5 25 为了探究不同放电能量下焊接性以及接头处NiTi合金的形状记忆效应，采用光学显微镜（OM，Leica DM2500）以及扫描电镜（SEM，EVO10 CARL ZEISS）分析母材和焊接接头的组织。NiTi合金的腐蚀液分配比为HF∶HNO 3 ∶H 2 O=1∶2∶10，腐蚀时间约15 s，6061铝合金的腐蚀液为keller试剂，成分配比为HF∶HCl∶HNO 3 ∶H 2 O=1∶1.5∶2.5∶95。采用差示扫描量热仪（DSC，TA Q20）分析接头处NiTi合金马氏体相变温度，样品为约5 mg的光滑薄片，测试温度范围为-50~150 ℃，升降温速率为10 ℃/min。 试验结果和分析 1 母材微观组织分析 2 低温退火态NiTi合金的室温组织为奥氏体和马氏体混合相，如 图2a 图2a 所示，等轴状奥氏体晶粒中出现了板条状马氏体，由此可知该NiTi合金的马氏体相变温度在室温附近。经过DSC分析可知（见 图2b） 图2b） ，NiTi合金的马氏体相变起始/终了温度（ M s 和 M f ）及奥氏体相变的起始/终了温度（ A s 和 A f ）分别为45.89 ℃、-35.9 ℃、-13.8 ℃和46.7 ℃。由于NiTi合金热弹性马氏体相变属于一级马氏体相变，伴随着明显的热滞后，属于相变阻力，该合金的相变热滞后Δ T hys =［（ A f + A s ）-（ M s + M f ）］/2为11.5 ℃，该值明显低于Ni-Mn-Sn-Fe铁磁性形状记忆合金（约18 ℃） ［ 13 13 -14］ 。马氏体相变温区Δ T int =［（ A f - A s ）+（ M s - M f ）］/2为71.1 ℃，相变温区相对较宽，主要是因为该合金未进行成分均匀化热处理。 1;2; T6态铝合金和完全退火态铝合金的微观组织形貌如图 3a 3a 、 3b 3b 所示，均呈现等轴晶，且晶粒大小分布不均匀。灰色的等轴晶为α-Al相，晶界和晶内存在大量的第二相析出。经480 ℃×1 h完全退火后α-Al晶粒明显长大，平均晶粒大小由39.6 μm增大到81.8 μm，第二相析出明显增加且有长大倾向。经XRD分析（见 图3c） 图3c） ，T6态铝合金室温组织主要是α-Al相，存在少量的Mg 2 Si相和AlFe（CrMn）Si相，其中Mg 2 Si物相和AlFe（CrMn）Si物相是衍射峰结合能谱分析共同确定的。经完全退火处理后，Mg 2 Si相衍射峰强度明显增强，而AlFe（CrMn）Si相衍射峰变化不明显，主要是因为Fe元素在α-Al相的固溶度非常低，导致含铁AlFeSi第二相在固溶处理阶段已经大量析出，且该相具有较高的热稳定性。 1;2;3; NiTi 与 T6 态 6061 铝合金的电磁脉冲焊 2 放电能量分别为20 kJ、25 kJ、30 kJ、35 kJ时NiTi与T6态铝合金的电磁脉冲焊剥离断口宏观形貌如 图4a 图4a 所示，MPW焊接区为近椭圆环形。不同放电能量焊接区长度和宽度统计结果如 图4b 图4b 所示，随着放电能量的增加，焊接区宽度和长度均接近线性增加。当放电量从20 kJ增加到35 kJ时，焊接区宽度从0.67 mm增至0.79 mm，长度从2.84 mm增加至3.02 mm。 1;2; 然而T6态铝合金与NiTi合金的焊接性能较差，甚至放电能量增加至35 kJ仍然较易剥离，剥离后的界面形貌如图 5a 5a 、 5b 5b 所示。可以发现当放电能量为35 kJ时，铝合金和NiTi合金断口表面局部出现明显的气孔和微裂纹缺陷（如图中箭头所示）。对剥离断口局部能谱分析发现（见 图5 图5 c），NiTi合金母材界面处出现了大量的Al元素，表明断口界面主要从Al合金侧撕裂。 1;2;3; NiTi 与完全退火态 6061 铝合金的电磁脉冲焊 2 为了提高铝合金的塑性变形能力，对T6态6061铝合金进行了完全退火热处理（480 ℃保温1 h），软化后的铝合金与NiTi在放电量为8 kJ、10 kJ、12 kJ、15 kJ、18 kJ、20 kJ、22 kJ、25 kJ时进行电磁脉冲焊。 图6a 图6a 为不同放电能量下NiTi与完全退火态铝合金MPW接头，呈现出典型的椭圆环状焊接区和中间非焊接区。不同放电能量焊接区长度和宽度统计结果如 图6b 图6b 所示，随着放电能量的增加，焊接区宽度和长度均迅速增加，当放电能量超过22 kJ时，焊接区宽度和长度增长均趋于平缓；当放电能量低于22 kJ时，焊接区域宽度随放电能量增长速率约为0.09 mm/kJ， 相比T6态6061铝合金时焊接区宽度随放电能量增长速率（约0.008 mm/kJ）提高了11.25倍，表明经完全退火软化后，6061铝合金塑性变形能力大大增加，在电磁脉冲力的作用下更容易与NiTi产生冶金结合。 1;2; 图7a 图7a 为放电量为25 kJ时NiTi与完全退火态铝合金焊接接头界面形貌，该界面趋近于平直界面，仅在局部区域有微小的波浪。对 图7a 图7a 红色射线处做线扫描，结果如 图7b 图7b 所示。在6061铝合金侧发现浅色光亮析出相为Mg 2 Si相，深色析出相为AlFe（CrMn）Si相，界面过渡层厚度约为5 μm，具体形成物相需用透射电镜标定。与本实验界面不同，工业纯铝与NiTi合金的电磁脉冲焊形成了波浪形界面，且界面处出现了约50 nm的Ni 4 Ti 3 纳米晶及非晶态NiTi（B2）结构 ［ 2 2 ］ 。 1;2; NiTi合金的形状记忆效应是对内应力、成分和组织较敏感的特性。为了分析不同放电能量下焊接接头处NiTi合金的形状记忆效应，对0、10 kJ和25 kJ下的MPW接头处NiTi合金进行DSC分析，结果如 图8 图8 所示，各放电能量下NiTi合金马氏体相变温度如 表2 表2 所示，发现当施加放电能量至25 kJ，界面处NiTi合金马氏体相变温度变化不大，并且热滞后变化也较小。这说明电磁脉冲焊对界面影响较小，界面层厚度较小（＜5 μm），且对NiTi合金马氏体相变影响较小，这对保持NiTi合金的形状记忆效应具有重要意义。 注： ①Δ T hys =［（ A f + A s ）-（ M s + M f ）］/2。 放电能量 E /kJ A s /℃ A f /℃ M s /℃ M f /℃ Δ T hys ① /℃ 0 -13.8 46.7 45.8 -35.9 11.50 10 -15.1 46.3 46.7 -34.4 9.45 25 -16.5 57.9 49.9 -33.4 12.45 结论与展望 1 （1）T6态6061铝合金塑性变形较差，即使电磁脉冲焊放电能量达35 kJ，界面结合强度仍较差，可人为剥离开，剥离断口存在较多空洞和微裂纹缺陷。 （2）6061完全时效热处理后，基体α-Al相明显长大，晶粒尺寸为6061铝合金的2倍，并且析出大量Mg 2 Si相，然而AlFe（CrMn）Si第二相在固溶阶段已大量析出，完全退火后继续析出不明显。 （3）6061完全时效热处理后电磁脉冲焊放电能量仅为8 kJ便可实现两种材料的冶金结合，放电能量达到35 kJ，界面层厚度仍较小（＜5 μm），且焊接接头处NiTi合金的马氏体相变变化较小。 （4）电磁脉冲焊高效、节能、环保且易于实现自动化，将广泛应用于同种金属、异种金属、甚至无机非金属材料与金属的连接。此外，电磁脉冲焊对界面影响小，可以保证形状记忆合金焊接界面处的形状记忆效应、超弹性、生物相容性等功能特性。 参考文献 S Xu ， J Pons ， R Santamarta ， I Karaman ， et al . 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