CN104722919A - 一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法 - Google Patents

一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法 Download PDF

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Abstract

一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法，其步骤为：将NiTiNb母材与钛合金母材表面杂质清洗干净，烘干水分；让纯Nb丝置于NiTiNb与钛合金母材接头中间，将母材固定；通入高纯氩气，将玻璃罩内空气排尽；在接头两端使用较小的激光功率将Nb丝与母材进行定位；调整合适的激光工艺参数对接头进行焊接。本发明消除了焊接接头的裂纹，实现了超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料的激光焊接。NiTiNb与TC4钛合金焊接接头最大抗拉强度为740MPa，达到了退火态TC4母材抗拉强度（895MPa）的82%。本焊接工艺成本低、效率高、接头质量好。

Description

一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法
技术领域
    本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法。
背景技术
    NiTiNb（Ni47Ti44Nb9，摩尔比，简称NiTiNb）是一种宽滞后形状记忆合金，相变滞后宽度可达150℃。钛合金是一种比强度高的轻质合金。形状记忆合金与钛合金的连接结构在航空航天、汽车和生物医用等领域的应用需求越来越广泛，尤其是生物医用领域，多以厚度为0.2mm以下的超薄材料为主。然而，采用熔化焊的方法来焊接这两种金属非常困难，接头抗拉强度几乎为0，接头变形较大。主要原因是焊接过程中在焊缝熔合线附近会产生大量的Ti2Ni脆性金属间化合物，使焊接接头产生大量的裂纹。激光填丝焊的方法综合利用了激光焊和填丝焊的优点，通过焊接冶金反应，抑制了Ti2Ni脆性金属间化合物的形成，彻底消除了接头裂纹，提高了接头强度。Nb与NiTiNb母材一侧能形成NiTi-Nb伪共晶组织，Nb与钛合金母材一侧能形成无限固溶体，因此消除了熔合线附近的Ti2Ni脆性金属间化合物。焊缝中间主要是以Nb为基体，固溶少量Ti、Ni等元素的固溶体，强度较高，韧性较好。填充材料Nb为体心立方结构，密度为8.0578g/cm3，熔点为2467±10℃，高于NiTiNb和钛合金母材。线膨胀系数7.2×10-6/K，和母材接近。Nb室温时的正弹性模量为E=1.049×105，与Ti接近。采用普通的焊接方法容易产生大的焊接应力和较大变形，晶粒粗化严重，高熔点的填充材料很难熔化，而激光焊由于能量密度集中，能很好的解决这些问题。
发明内容
为了解决焊接接头中存在的裂纹，提高接头强度，本发明提出了一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法，它具有抑制接头Ti2Ni脆性金属间化合物、提高接头强度和韧性的特点。
为了实现上述目标，本发明的技术方案是：一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法，采用填Nb丝激光焊，包括以下步骤：
    一、焊前准备阶段
将NiTiNb母材放入体积比为1：3：5的氢氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡约3分钟，腐蚀至指定厚度，然后用清水冲洗。钛合金母材表面氧化物用砂纸打磨干净。将焊接端面在砂纸上打磨平整，再用丙酮清洗干净，放入烘箱烘干水分；
二、装配定位阶段
根据板材厚度选择直径大小合适的纯度为99.9%的Nb丝置于NiTiNb母材与钛合金母材接头中间，使用工装夹具将母材固定, 接头错边量不大于10%；盖上玻璃保护罩，通入适当流量的纯度为99.9%的氩气3min，将玻璃罩内空气排尽；在接头两端使用较小的激光功率将Nb丝与母材进行定位；
三、激光焊接阶段
调整激光光斑位置，确保激光束位于Nb丝中间，调试合适的激光工艺参数，激光通过玻璃对接头进行焊接。
本发明的有益效果是：通过熔池冶金反应，抑制了Ti2Ni脆性金属间化合物，从而完全消除了接头裂纹。NiTiNb与TC4焊接接头最大抗拉强度由不填焊丝时的0MPa，提高到了740MPa,达到了退火态TC4母材抗拉强度（895MPa）的82%。容易实现超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料的激光焊接，并且焊接的效率高、成本低，接头质量好。
附图说明
图1为本发明接头装配示意图。
1、NiTiNb形状记忆合金，  2、纯Nb焊丝，  3、钛合金。
图2为本发明定位焊示意图。
    1、NiTiNb形状记忆合金，2、纯Nb焊丝，3、钛合金 ，4、定位焊点。
图3为本发明NiTiNb与TC4焊接接头拉伸工程应力-应变曲线。
具体实施方式
如图1、图2、图3，对本发明所提出的实施方式做进一步的详细说明：
实施例：本发明的焊接工艺过程如下：
焊接设备：Sisma SL80 Nd:YAG激光焊机, 激光功率为16W，脉宽为4.5ms, 频率为4.5Hz,光斑直径为Φ0.3mm，表面聚焦，焊接速度为0.3m/min，氩气流量为8L/min。母材选用0.3mm厚热轧态的NiTiNb宽滞形状记忆合金，0.2mm厚退火态的TC4钛合金，填充材料选用直径为Φ0.3mm的纯Nb丝。
    一、焊前准备阶段
将NiTiNb母材放入体积比为1：3：5的氢氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡约3分钟，将母材厚度腐蚀至0.2±0.01mm,然后用清水冲洗。TC4母材表面氧化物用砂纸打磨干净。将焊接端面在砂纸上打磨平整，再用丙酮清洗干净，放入烘箱烘干水分；
二、装配定位阶段
装配方式如图1所示。根据板材厚度选择直径为Φ0.3mm的纯度为99.9%的Nb丝置于NiTiNb母材与TC4母材接头中间，使用工装夹具将母材固定压紧, 接头错边量不大于10%；盖上玻璃保护罩，通入纯度为99.9%的氩气3min，将玻璃罩内空气排尽；定位方式如图2所示，在接头两端使用较小的激光功率将Nb丝与母材进行定位；
三、激光焊接阶段
调整激光光斑位置，确保激光束位于Nb丝中间，调试合适的激光工艺参数，激光通过玻璃对接头进行焊接。接头拉伸工程应力-应变曲线如图3所示。
本发明的焊接过程中，所述纯Nb焊丝的熔化过程中，纯Nb焊丝作为熔敷金属进入焊缝。
Nb丝直径的选择依据是Nb丝足够填满接头不产生凹陷，同时接头表面余高不至于过高。Nb丝横截面面积S1=π(d/2)2，接头间隙面积为S2=δd。其中d为Nb丝直径，δ为母材板厚。需要满足S1≥S2，可以推出d≥4δ/π。
在此说明书中，本发明已参照特定的实施例作了阐述。但是，激光焊接工艺参数和填充纯Nb丝的直径可以根据母材厚度作出各种修改和变换，并不背离本发明体现的应用范围。因此，本说明书是说明性的而非限制性的。

Claims (1)

1.一种超薄NiTiNb宽滞形状记忆合金与钛合金异种材料连接方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
    一、焊前准备阶段，将NiTiNb母材放入体积比为1：3：5的氢氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡约3分钟，腐蚀至指定厚度，然后用清水冲洗；钛合金母材表面氧化物用砂纸打磨干净，将焊接端面在砂纸上打磨平整，再用丙酮清洗干净，放入烘箱烘干水分；
二、装配定位阶段，根据板材厚度选择直径大小合适的纯度为99.9%的Nb丝置于NiTiNb母材与钛合金母材接头中间，使用工装夹具将母材固定，接头错边量不大于10%；盖上玻璃保护罩，通入适当流量的高纯氩气3min，将玻璃罩内空气排尽；在接头两端使用较小的激光功率将Nb丝与母材进行定位；
三、激光焊接阶段，调整激光光斑位置，确保激光束位于Nb丝中间，调整合适的激光工艺参数，激光透过玻璃对接头进行焊接。
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