CN102152017A - 一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料、机械、电气、医疗等技术领域的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，属于异种材料连接技术。该方法针对TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接性问题，基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜填充材料(铜中间层或铜焊丝)和降低TiNi合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。本发明的工艺步骤为：加纯铜中间层(纯铜焊丝)→调整热源位置→焊接区保护→熔化焊接。

Description

一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法
技术领域
本发明涉及材料、机械、电气、医疗等技术领域的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，属于异种材料连接技术。
背景技术
形状记忆合金是一种新型的功能材料，它具有特殊的形状记忆效应(SEM)和超弹性(SE)。在已发现的具有形状记忆效应的合金中应用最广的是TiNi合金。它除了具有形状记忆恢复率高的优点外，还具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀和生物相容性好等特点，在航空航天、原子能、海洋开发、仪器仪表、家用电器以及医疗领域获得了广泛的应用。随着科学技术的进步和现代工业的发展，现代社会对产品性能提出了更高、更苛刻的要求。单一形状记忆合金很难同时满足产品不同部位对使用性能的不同要求。形状记忆合金与其它异种材料的连接是解决这一问题的主要选择对策。例如：通过TiNi合金丝与奥氏体不锈钢丝焊接(连接)制备牙科复合矫治弓丝，TiNi合金丝对错位牙施加合适的矫治力，而不锈钢丝为非错位牙提供充足的支抗，可明显提高牙齿正畸效率、减轻患者痛苦。但是，由于TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接性差，严重影响接头的使用性能。存在的主要问题是，熔化焊时焊缝区析出大量脆性含钛金属间化合物(Ni3Ti、NiTi2、Fe2Ti、FeTi、Cr2Ti等)，明显降低焊接接头的强度和韧性(激光焊接头抗拉强度150-190MPa，弯曲角2-5°；微束等离子弧焊接头：抗拉强度130-160MPa，弯曲角2-5°；储能焊接头：抗拉强度140-170MPa，弯曲角10-16°)。这已成为制约形状记忆合金产品使用性能提高和形状记忆效应潜能充分发挥的主要技术瓶颈。因此，研究开发TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接技术具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，该方法基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜填充材料和降低TiNi合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，按以下工艺步骤进行：
a)纯铜中间层：在TiNi形状记忆合金丝(板)与奥氏体不锈钢丝(板)界面加纯铜中间层(TiNi合金/铜中间层/不锈钢)。通过纯铜中间层填充材料，使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，提高焊接接头强度和韧性；
b)热源位置：调整焊接热源(激光束、微束等离子弧、TIG等)位置，使其加热斑点位于TiNi合金与不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TiNi合金母材熔合比，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，提高焊接接头性能；
c)焊接保护：采用焊接热源加热熔化界面区，冷却凝固后形成TiNi合金-不锈钢异种材料焊接接头。焊接过程中，焊接区通入保护体，防止H、O、N等对焊接接头性能的有害影响。
d)纯铜焊丝：TiNi形状记忆合金丝(板)与奥氏体不锈钢丝(板)的焊接可采用纯铜焊丝代替铜中间层作为填充材料，提高焊接接头性能。
所述的纯铜填充材料形式为铜中间层和铜焊丝。降低TiNi合金母材熔合比，具体为：TiNi合金熔合比＜40％。
研究结果表明，采用纯铜填充材料进行TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，可使焊缝区析出大量铜固溶体、减少脆性金属间化合物；焊接热源置于偏向不锈钢母材一侧有利于减少焊缝区脆性金属间化合物，可明显提高焊接接头的强度和韧性。
采用本发明的方法进行TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，其焊接接头达到的性能指标为：(1)TiNi合金-不锈钢激光焊接头抗拉强度500-520MPa，与未加铜中间层的焊接接头相比，接头强度提高2倍以上；(2)TiNi合金-不锈钢激光焊接头弯曲角＞120°，与未加铜中间层的焊接接头相比，接头弯曲角提高30倍以上；(3)TiNi合金-不锈钢激光焊接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞90％。
本发明具有以下主要优点：(1)铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性，与铁-钛、镍-钛、铬-钛金属间化合相比，铜-钛化合物的脆性较低，因此采用纯铜填充材料进行TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，有利于明显提高焊接接头的强度和韧性；(2)纯铜填充材料价格相对较低、且易得，有利于降低焊接生产成本；(3)纯铜材料塑性好，采用中间层形式有利于实现焊接自动化，提高生产效率。
附图说明
图1是TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接示意图(加铜中间层)
图2是TiNi形状记忆合金丝与奥氏体不锈钢丝激光焊接头弯曲形貌。
图1中：A-TiNi合金，B-纯铜中间层，C-焊接热源，D-不锈钢
图2中：TiNi-TiNi合金，SS-不锈钢，WZ-焊缝区
具体实施方式
下面举例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1、采用本发明的方法进行TiNi合金丝与不锈钢丝激光焊接，制备牙科复合矫治弓丝。TiNi合金丝、不锈钢丝的截面尺寸均为0.64mm(宽)×0.48mm(厚)。将铜中间层(厚度80μm)置于TiNi合金丝和不锈钢丝界面(不留间隙)，用脉冲激光热源熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢异种材料焊接接头。激光焊接工艺参数：脉冲能量7.2J；脉冲宽度6ms；保护气体(Ar)流量8L/min。TiNi合金-不锈钢异种材料激光焊接头抗拉强度520MPa(与未加铜中间层焊接接头相比，接头强度提高2倍以上)；激光焊接头弯曲角180°(与未加铜中间层焊接接头相比，接头弯曲角提高30倍以上)；激光焊接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞95％，满足牙齿正畸使用性能要求。
实施例2、采用本发明的方法进行TiNi合金与不锈钢板材激光焊接。TiNi合金和不锈钢板厚均为0.54mm，将铜中间层(厚度90μm)置于TiNi合金与不锈钢界面(不留间隙)，用脉冲激光热源熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头。激光焊接工艺参数：脉冲频率30Hz；脉冲宽度5ms；激光功率312W；焊接速度1m/min；保护气体(Ar)流量9L/min。TiNi合金-不锈钢激光焊接头抗拉强度510MPa；接头弯曲角＞120°；接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞90％。
实施例3、采用本发明的方法进行TiNi合金与不锈钢板材微束等离子弧焊接。TiNi合金和不锈钢板厚0.75mm，将铜中间层(厚度120μm)置于TiNi合金和不锈钢界面(不留间隙)，用微束等离子弧热源加热熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头。微束等离子弧焊接工艺参数：焊接电流10A；焊接速度12.5cm/min；离子气(Ar)流量0.28L/min；保护气体(H21％+Ar)流量9.5L/min；喷嘴孔径0.75mm。TiNi合金-不锈钢微束等离子弧焊接头抗拉强度500MPa，；接头弯曲角＞80°；焊接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞85％。
实施例4、采用本发明的方法进行TiNi合金与不锈钢板材钨极氩弧焊(TIG)。TiNi合金和不锈钢板厚1mm，将铜中间层(厚度300μm)置于TiNi合金和不锈钢界面(不留间隙)，用TIG热源加热熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头。TIG焊接工艺参数：钨极直径1.5mm；焊接电流40A；氩气流量10L/min。TiNi合金-不锈钢TIG焊接头抗拉强度490MPa；接头弯曲角＞60°；TIG焊接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞80％。实施例5、采用本发明的方法进行TiNi合金与不锈钢板材钨极氩弧焊(TIG)。TiNi合金和不锈钢板厚1mm，在TiNi合金和不锈钢界面预留0.5mm间隙，TIG焊接过程中填充纯铜焊丝。TIG焊接工艺参数：钨极直径1.5mm；纯铜焊丝直径1.6mm；焊接电流50A；氩气流量10L/min。TiNi合金-不锈钢接头抗拉强度490MPa，；接头弯曲角＞60°；接头TiNi合金热影响区形状记忆效应恢复率＞80％。

Claims (7)

1.一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：
a)纯铜中间层：在TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢界面加纯铜中间层，通过铜中间层填充材料，使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头强度和韧性；
b)热源位置：将焊接热源中心置于TiNi合金与不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TiNi合金母材熔合比，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头性能；
c)焊接保护：采用焊接热源加热熔化界面区，冷却凝固后形成TiNi合金-不锈钢异种材料焊接接头。焊接过程中，焊接区通入保护气体，防止H、O、N等对焊接接头性能的有害影响。
2.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用纯铜焊丝代替铜中间层作为填充材料。
3.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用TiNi合金丝与不锈钢丝激光焊接，TiNi合金丝、不锈钢丝的截面尺寸均为0.64mm宽×0.48mm厚，将厚度80μm的铜中间层置于TiNi合金丝和不锈钢丝界面，界面不留间隙，用脉冲激光热源熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢异种材料焊接接头，激光焊接工艺参数：脉冲能量7.2J；脉冲宽度6ms；保护气体Ar流量8L/min。
4.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用TiNi合金与不锈钢板材激光焊接，TiNi合金和不锈钢板厚均为0.54mm，将厚度为90μm的铜中间层置于TiNi合金与不锈钢界面，界面不留间隙，用脉冲激光热源熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头，激光焊接工艺参数：脉冲频率30Hz；脉冲宽度5ms；激光功率312W；焊接速度1m/min；保护气体Ar流量9L/min。
5.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用TiNi合金与不锈钢板材微束等离子弧焊接，TiNi合金和不锈钢板厚0.75mm，将厚度为120μm的铜中间层置于TiNi合金和不锈钢界面，界面不留间隙，用微束等离子弧热源加热熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头，微束等离子弧焊接工艺参数：焊接电流10A；焊接速度12.5cm/min；离子气Ar流量0.28L/min；保护气体H21％+Ar流量9.5L/min；喷嘴孔径0.75mm。
6.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用TiNi合金与不锈钢板材钨极氩弧焊TIG，TiNi合金和不锈钢板厚1mm，将厚度为300μm的铜中间层置于TiNi合金和不锈钢界面，界面不留间隙，用TIG热源加热熔化界面区形成TiNi合金-不锈钢焊接接头，TIG焊接工艺参数：钨极直径1.5mm；焊接电流40A；氩气流量10L/min。
7.根据权利要求1所述的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，其特征在于，采用TiNi合金与不锈钢板材钨极氩弧焊TIG，TiNi合金和不锈钢板厚1mm，，在TiNi合金和不锈钢界面预留0.5mm间隙，TIG焊接过程中填充纯铜焊丝，TIG焊接工艺参数：钨极直径1.5mm；纯铜焊丝直径1.6mm；焊接电流50A；氩气流量10L/min。
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