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Fe-Mn-Si形状记忆合金CO_2激光焊接研究

刘旭升  
【摘要】:Fe-Mn-Si形状记忆合金作为一种新型的功能材料,以其优良的记忆效应及力学性能著称。目前,人们对Fe-Mn-Si合金的研究还比较局限,大多数停留在研究其形状记忆效应方面。为了进一步拓宽其应用范围,本文从Fe-Mn-Si合金自身及其与其它金属材料的连接性能来进行分析,利用CO:激光器对Fe-Mn-Si合金试样进行了激光焊接,通过拉伸试验、金相、扫描电镜、X射线衍射及显微硬度分析,系统研究了Fe-Mn-Si合金CO2激光焊性能。 选取CO2激光焊接最主要的功率、焊接速度和离焦量三个工艺参数,以焊接后接头的抗拉强度作为评定焊接性能的指标,利用正交法设计试验,通过极差、方差分析后可以得出在所选因素范围内功率对试样抗拉强度的影响是最为显著的,而离焦量的影响最小。对于未加焊接材料对焊1mm厚的Fe-Mn-Si合金试样,CO2激光焊接功率、速度、离焦量分别为1600W、2.2m/min、0.6mm时焊接接头拉伸强度较高,可达928MPa,为母材抗拉强度的93.5%,表明Fe-Mn-Si合金具有良好的激光焊接性能。 金相观察以及拉伸试验表明,焊缝形貌为“V”形或者焊缝过宽以及未焊透等,均会降低焊接试样的抗拉强度;而焊缝形貌呈双曲线状时,其焊接试样抗拉强度较高。从焊缝组织形态来看,焊缝中心组织为细小的等轴枝晶,熔合区附近为比较粗大的胞状晶,而焊缝组织越细小,其强度也越高,韧性越好。拉伸试样断裂的位置均发生在焊缝的熔合区附近。 断口扫描电镜分析可知,Fe-Mn-Si合金母材的断口会呈现出许多小韧窝,断裂前有明显的颈缩现象,其断裂形式为塑性断裂。而焊接试样的断口则主要呈河流花样,有的会出现一些小台阶,这种断裂形式称为准解理断裂,属于脆性断裂。这是因为在激光焊接后,焊缝熔合区组织呈粗大的胞状晶。 显微硬度的分析可知,焊缝中心处的硬度值最高,而熔合区附近显微硬度值最低。这主要是由于材料在激光焊接时迅速加热和冷却产生了自冷淬火,使得焊缝中心硬度升高。在组织形态上,熔合区附近晶粒粗大,呈胞状晶,所以硬度值相比较低。 异种金属材料与Fe-Mn-Si合金焊接的性能研究表明,Fe-Mn-Si合金与304不锈钢的激光焊接性能优良而与70Mn轨钢的焊接性较差。或许因为试验Fe-Mn-Si合金化学成分与304不锈钢的相近而与70Mn轨钢的相差较远所致。


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