TiNi合金/Ni/不锈钢激光焊接头界面的微观结构、形成机制及其与性能的相关性

Species material structure of TiNi shape memory alloy (SMA) and stainless steel has bright application prospect in aerospace, medical apparatus and instruments, et al. But the weldability of TiNi SMA/stainless steel is poor and the joint properties should be improved. But welding of 200μm thick TiNi SMA/stainless steel can be realized by using low power pulse laser as heat source and Ni as filling material, but the interface morphology between weld seam and base metal in the laser micro welded joint of TiNi SMA/Ni/stainless steel is special, and welding parameters significantly affect the interface structures, the interface structures also significantly affect the welded joint properties. At present, the problem is a lack of understanding of fine structure, formation rule, influencing factors of the interface and the interface structure how to affect the welded joint properties. In this project, a deeper appreciation of the interface will be gained through a lot of machining experiments, microstructure analyzing and theoretical calculations. Fine structure, the formation rule, influencing factors and formation mechanism of the interface shape will be got, and the correlation of welding parameters, interface structure and joint properties could be gained also. Optimizing process, improving joint properties and quality stability, laying the foundation of mature application of TiNi SMA/stainless steel welded structure can be carried out base the research results.

TiNi合金/不锈钢异种材料结构在航空航天、医疗器械等领域应用前景广阔，但焊接性差、接头性能有待提高。采用低功率脉冲激光、以Ni为填充材料可实现厚度为200μm薄片状TiNi合金/不锈钢的对接焊，但获得的TiNi合金/Ni/不锈钢激光微焊接接头中焊缝与两侧母材之间的界面存在特殊现象、工艺参数对界面结构有明显影响，且界面是接头性能的薄弱区域。目前对接头中界面的精细组织结构、界面形态的形成规律及其影响因素、界面结构对接头性能的影响规律等问题缺乏认识。项目拟通过深入的工艺研究、微观分析和理论计算，对焊接接头中焊缝和两侧母材之间的界面有较为深入的认识，获得界面形态的形成规律、影响因素及其形成机制，深入分析界面区的微观组织结构，并得到焊接工艺－界面结构－接头性能三者之间的相关性，在此基础上指导焊接工艺的进一步优化、提高接头的性能和质量稳定性，为TiNi合金/不锈钢焊接结构的成熟应用奠定基础。

项目针对采用低功率脉冲激光、以Ni为填充材料对厚度为200μm薄片状TiNi合金/不锈钢进行连接时，对接头中界面形态的形成规律及其影响因素、界面结构对接头性能的影响规律等问题缺乏认识，通过深入的工艺研究、微观分析，对焊接接头中焊缝和两侧母材之间的界面有较为深入的认识，获得了界面形态的形成规律、影响因素，得到了焊接工艺－界面结构－接头性能三者之间的相关性。主要研究结果如下：. 不同功率时接头两侧的界面形貌归类为两类：当功率为14.4W-17.6W时，在TiNi合金母材侧的界面中部存在较长的犄角将界面分为上下两段弧，上段界面线曲率半径大，弧线较平缓，下段界面圆弧较陡，犄角处的界面线近似平行于上下表面；不锈钢侧界面分为上中下三部分圆弧组成；功率为17.6W-20W时，TiNi合金侧界面中部存在较小犄角将界面分为上下两段弧，犄角朝上垂直于上表面，上段圆弧曲率半径较小，弧度变得较陡，下段圆弧近似直线；不锈钢侧界面为两段弧组成，此类形貌对应的接头性能较好，接头抗拉强度高于340MPa。. 不同脉宽下接头两侧界面可归类为三种：脉宽为4.3ms-5.1ms时，接头两侧界面形貌与功率为14.4ms-17.6W之间的界面形貌相似，但不锈钢侧界面中部连着未完全脱离的母材；脉宽为5.1ms-6.2ms时，TiNi合金母材侧界面依然分为两段，此时接头上段界面弧长增加，界面中的拐角移向下表面，下段界面弧短且垂直于下表面，不锈钢母材与焊缝间的界面近似与TiNi合金侧界面对称分布，此类界面形貌对应的接头性能较好，抗拉强度高于340MPa；当脉宽大于6.6ms时，接头两侧界面中犄角消失，整个界面为一段近似直线的圆弧，并与下表面夹角在60度左右。. 激光功率17.6W-19.2W，脉冲宽度4.5ms-5.1ms之间，接头抗拉强度高于350MPa，此时TiNi合金母材与焊缝间的界面区内组织按大小、分布形态分为三层。