CN103231136A - 一种钛镍形状记忆合金与异种轻金属的激光钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛镍形状记忆合金与异种轻金属的激光钎焊方法，属于异种材料连接技术领域。TiNi形状记忆合金和异种轻金属的待焊面打磨平整后，清洗干燥；焊接采用搭接方式，将异种轻金属作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料置于下板TiNi形状记忆合金上，并紧贴异种轻金属的搭接端，采用激光对钎料加热，待钎料下塌熔化后，在下板TiNi形状记忆合金的边缘加载超声波振动，促使钎料填充焊缝，最后空冷取出。本发明能获得高强度和无缺陷的钎焊接头。
Description
技术领域
本发明属于异种材料连接技术领域，具体涉及TiNi形状记忆合金与异种轻金属的超声辅助激光钎焊连接方法。
背景技术
新材料的研究和应用已经成为现代高科技的一个重要组成部分。TiNi形状记忆合金具有很高的能量密度，不会引起重量的显著增加，同时兼有温度传感器及执行元件两种功能，与高合金钢或铝合金相比，钛合金具有密度小、强度高、耐热性及耐腐蚀性能好的特点，因此，这两种材料在航空航天工业领域得到广泛应用，例如：飞机进气道变形驱动器、飞机机架以及航空发动机叶片等。而形状记忆合金驱动器与飞机机身钛合金结构的连接方式主要是铆接，如果采用焊接方式代替铆接，不仅可以降低飞机重量，而且可以简化飞机机身的机械结构，提高飞机服役寿命。
目前，对于TiNi形状记忆合金与钛合金连接技术的研究，国内外鲜有报道，主要采用激光焊技术。中国的宋鹏等人采用激光焊接1.2mm厚的TiNi形状记忆合金和1.5mm厚的TC4钛合金，研究结果表明，焊缝中存在Ti2Ni和TiNi金属间化合物，焊缝具有较大的裂纹倾向，在焊接应力的作用下焊缝产生裂纹（宋鹏,朱颖,郭伟等.TiNi形状记忆合金和TC4的激光焊接裂纹产生机理分析.2011全国计算机辅助焊接工程学术研讨会,2011，174-179）。英国的J.Hora采用Nd-YAG激光点焊设备对0.5mm厚的TiNi形状记忆合金与厚度为0.11mm的TC4进行连接，研究结果表明，由于焊核中聚集的热输入过多，导致部分元素蒸发，在焊核熔核区内部存在裂纹（J.Hora,LaserMicrowelding of Ti and Ni-Ti Shape Memory Alloys,Msc Thesis,Cranfield University,Bedfordshire,UK,2004.）。
总的来说，TiNi形状记忆合金的组织与性能对温度和成分变化极其敏感，与异种金属的连接主要存在两个关键问题：1）焊接温度接近或者超过TiNi形状记忆合金熔点会严重影响其形状记忆性能，而焊接温度较低又很难获得高强度的接头；2）TiNi形状记忆合金和异种金属连接界面发生一定的扩散有利于提高接头强度，但界面元素过分分散，扩散层过厚可能会影响TiNi形状记忆合金母材和接头的形状记忆特性。对于钛合金与异种金属的连接来说，由于钛合金会在750℃-1040℃范围内发生同素异构转变，组织显著粗化，降低材料性能。因此，欲获得高强度的接头，而同时又保证母材和接头的形状记忆特性，关键是控制焊接温度和接头元素的扩散。目前，尚未见到关于TiNi形状记忆合金与钛合金的超声振动辅助激光钎焊技术的报道。
发明内容
本发明的目的在于解决现有TiNi形状记忆合金与异种轻金属尤其是钛合金（TC4）连接技术的不足，提供一种TiNi形状记忆合金与异种轻质金属的连接方法。
本发明所提供的方法包括以下步骤：
（1）将TiNi形状记忆合金和异种轻金属的待焊面打磨平整后，在酒精溶剂中超声波清洗去除油污，并干燥；
（2）将钎料块表面打磨平整，置于酒精溶剂中超声清洗，并干燥；钎料的成分范围（重量百分比）：Al：80-90%；Si：10-15%；Zn：0-5%；Ag：0-5%；Ti：0-5%；熔点580℃-600℃；
（3）焊接采用搭接方式，将异种轻金属作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料置于下板TiNi形状记忆合金上，并紧贴异种轻金属的搭接端，采用激光对钎料加热，待钎料下塌熔化后，在下板TiNi形状记忆合金的边缘加载超声波振动，并同时继续加热异种轻质金属，促使钎料填充焊缝，最后空冷取出；
其中激光热输入功率能够使钎料融化，且对异种轻金属和TiNi形状记忆合金的强度无影响，超声波振动时间能够使得熔化的钎料填充到上下板间隙中。激光加热钎料的时间不同，可以使钎料和异种轻金属在界面处形成的扩散层的厚度不同，扩散层的厚度范围约为0.04mm-0.15mm。
优选异种轻金属为TC4钛合金，激光输入功率400-500w，超声波振动时间0.5-2.0s，激光加热钎料和TC4钛合金的时间不超过5min，优选2-4min。
本发明的原理：鉴于650℃是近等原子比TiNi形状记忆合金抗拉强度变化的临界转变温度，而TC4钛合金的β相临界相变温度达到1000℃，因此，对TiNi形状记忆合金与钛合金的焊接温度应该最好控制在650℃以下。选用低熔点的Al基钎料（熔点小于600℃）。在焊件上辅助施加超声波振动，通过激光钎焊对TiNi形状记忆合金与异种轻质金属（TC4）进行连接。利用激光钎焊具有能量输入精确可控性，精确控制焊接温度，减少高温对母材性能的影响，同时利用超声振动产生的空化作用进一步去除母材和钎料表面的氧化膜，促进钎料填缝，最终完成TiNi形状记忆合金与TC4的连接。
与现有TiNi形状记忆合金与异种轻金属（TC4）的连接技术相比较，本发明具有以下有益效果：
1.降低TiNi形状记忆合金与钛合金（TC4）的焊接温度至650℃以下，焊接过程对母材（TiNi形状记忆合金）的组织和性能影响小。
2.可以实现钎焊过程中无钎剂连接。利用超声振动产生的空化效应去除母材和钎料表面的氧化膜，代替钎剂去除氧化膜，消除钎剂残留对接头焊缝组织性能的影响。
3.获得高强度和无缺陷的钎焊接头。激光钎焊热输入能量的精确可控性，通过适当调整焊接热输入和焊接时间，控制焊接过程中，钎料和母材间元素的扩散反应和扩散层厚度，提高焊接接头的力学性能。在适当参数下，TiNi形状记忆合金与TC4钛合金接头无任何缺陷，其拉剪强度范围81.2MPa-134.9MPa。
附图说明
图1超声辅助激光钎焊示意图，其中，1为激光光源、2为上板TC4合金、3为下板TiNi合金、4为钎料、5为超声波压头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金分别切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al85Si10Zn2Ag2Ti1的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.焊接采用搭接方式，将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板上，并贴紧上板的搭接端上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为500W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热4min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间1.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.1mm，剪切强度达126.2MPa。
实施例2
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al83Si12Zn2Ag2Ti1的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.焊接采用搭接方式，将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为500W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热4min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间2.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.12mm，剪切强度达134.93MPa。
实施例3
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al80Si10Zn6Ag2Ti2的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为500W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热2min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间1.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.08mm，剪切强度达104.04MPa。
实施例4
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al85Si8Zn4Ag2Ti1的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为500W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热2min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间2.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.06mm，剪切强度达98.79MPa。
实施例5
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al85Si12Zn1Ag1Ti1的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为400W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热4min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间1.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.08mm，剪切强度达103.38MPa。
实施例6
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al85Si8Zn2Ag2Ti3的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为400W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热4min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间2.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.06mm，剪切强度达97.82MPa。
实施例7
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al80Si10Zn4Ag4Ti2的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为400W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热2min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间1.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.05mm，剪切强度达86.69MPa。
实施例8
1.将TiNi形状记忆合金与TC4钛合金切成50mm×10mm×3mm的板条状，打磨平整并有表面金属光泽后，放入酒精溶剂中超声波清洗15min，擦净晾干；
2.将尺寸为10mm×3mm×3mm的Al80Si10Zn5Ag4Ti1的钎料在砂纸上打磨平整光滑后，放入酒精溶剂中超声清洗15min，擦净晾干；
3.将TC4钛合金作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料块置于下板母材，并靠近上下板材间隙处，打开激光器，将光斑对准钎料，调整激光热输入功率为400W，待钎料下塌熔化后，激光继续加热2min后，在下板母材边缘加载超声振动，超声时间2.0s，促使钎料填缝，待超声振动结束后，关闭激光器，空冷取出试样。
焊接接头基体母材发生扩散，扩散层厚度为0.04mm，剪切强度达81.20MPa。
Claims (4)
1.一种钛镍形状记忆合金与异种轻金属的激光钎焊方法，其特征在于，是采用超声振动辅助激光钎焊的方法，具体包括以下步骤：
（1）将TiNi形状记忆合金和异种轻金属的待焊面打磨平整后，在酒精溶剂中超声波清洗去除油污，并干燥；
（2）将钎料块表面打磨平整，置于酒精溶剂中超声清洗，并干燥；钎料的成分范围（重量百分比）：Al：80-90%；Si：10-15%；Zn：0-5%；Ag：0-5%；Ti：0-5%；熔点580℃-600℃；
（3）焊接采用搭接方式，将异种轻金属作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料置于下板TiNi形状记忆合金上，并紧贴异种轻金属的搭接端，采用激光对钎料加热，待钎料下塌熔化后，在下板TiNi形状记忆合金的边缘加载超声波振动，并同时继续加热异种金属，促使钎料填充焊缝，最后空冷取出；
其中激光热输入功率能够使钎料融化，且对异种轻金属和TiNi形状记忆合金的强度无影响，超声波振动时间能够使得熔化的钎料填充到上下板间隙中，激光加热钎料的时间为使得钎料和异种轻金属形成的扩散层的厚度为0.04-0.15mm。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，异种轻金属为TC4钛合金。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，激光输入功率400w-500w，超声波振动时间0.5s-2.0s，激光加热钎料和TC4钛合金的时间不超过5min。
4.按照权利要求3的方法，其特征在于，激光加热钎料和TC4钛合金的时间为2-4min。
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