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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Werkstoffkunde und - technik, insbesondere das Gebiet des Werkstoffschweißens.
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HINTERGRUND
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Als neuartige Funktionsmaterialien wurden Formgedächtnislegierungen in vielen Bereichen wie der industriellen Produktion, dem täglichen Leben und der medizinischen Biologie usw. eingesetzt. Aufgrund der schlechten Bearbeitbarkeit der Formgedächtnislegierungen und der zunehmenden Komplexität der Teile in praktischen Anwendungen ist es wirtschaftlich und effektiv, Komponenten aus Formgedächtnislegierungen unter Verwendung von Schweißverfahren herzustellen.
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Bei der Formgedächtnislegierung handelt es sich um eine martensitische Phasenumwandlungslegierung, die eine regelmäßige atomare Anordnung aufweist und eine Volumenänderung von weniger als 0,5% aufweist. Eine solche Legierung verformt sich unter der Einwirkung einer äußeren Kraft, und wenn die äußere Kraft aufgehoben wird, kann sie unter bestimmten Temperaturbedingungen ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Da sie eine Wiederherstellungsfunktion für über eine Million Mal besitzt, wird sie „Gedächtnislegierung“ genannt. Natürlich kann sie nicht mit dem Denkgedächtnis des menschlichen Gehirns in Wettbewerb treten, genauer gesagt, sie sollte „Formgedächtnislegierung“ genannt werden. Darüber hinaus hat die Gedächtnislegierung die Vorteile von fehlendem Magnetismus, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und der fehlenden Toxizität, so dass sie weithin eingesetzt wird.
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Das Verbinden von Formgedächtnislegierungen mit anderen ungleichen Materialien ist ein Problem auf dem Fachgebiet. Dies ist zu einem wichtigen technischen Engpass geworden, der die Verbesserung der Betriebseigenschaften von Produkten aus Formgedächtnislegierungen und die ausreichende Ausnutzung des Formgedächtniseffektpotentials einschränkt. Daher ist es notwendig, eine Verbindungstechnologie für ungleiches Material für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen niedrig legierten Stahl zu entwickeln, die einen wichtigen praktischen Wert und eine breite Anwendungsperspektive besitzt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden ungleichen Materials für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen niedrig legierten Stahl bereitzustellen. Das Verfahren basiert auf den Eigenschaften der unbegrenzten gegenseitigen Löslichkeit von Kupfer mit Nickel, der begrenzten Feststofflöslichkeit von Kupfer mit Titan, Eisen und Chrom, der hohen Festigkeit und Plastizität von Kupferfeststofflösung und der geringen Sprödigkeit intermetallischer Kupfer-Titan-Zusammensetzungen. Durch Verwenden von Kupferfüllmaterial und Verringern des Schmelzverhältnisses des TiNi-Legierungsgrundmaterials kann das erfinderische Verfahren eine Kupferfeststofflösung in der Schweißzone ausscheiden und spröde intermetallische Verbindungen verringern, um so die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung ungleichen Materials aus TiNi-Formgedächtnislegierung und niedrig legiertem Stahl zu verbessern.
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Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch die folgende technische Lösung erreicht:
- Ein Verfahren zum Verbinden ungleichen Materials für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen niedrig legierten Stahl weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- Hinzufügen einer Kupferzwischenschicht an der Übergangsstelle zwischen dem Draht (der Platte) aus TiNi-Formgedächtnislegierung und dem Draht (der Platte) aus niedrig legiertem Stahl (TiNi-Legierung/Kupferzwischenschicht/niedrig legierter Stahl), um dadurch über das Füllmaterial der Kupferzwischenschicht eine Kupferfeststofflösung in der Schweißzone auszuscheiden und den Titangehalt und die spröde intermetallische Zusammensetzung in der Schweißzone zu verringern, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung zu verbessern;
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Einstellen der Position einer Schweißwärmequelle (Laserstrahl, Mikrostrahl-Plasma-Lichtbogen, WIG usw.), so dass sich deren Heizpunkt nahe der Übergangsstelle zwischen der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl und näher an der Seite des niedrig legierten Stahls befindet, um dadurch das Schmelzverhältnis des TiNi-Legierungsgrundmaterials zu verringern und den Titangehalt und die spröde intermetallische Zusammensetzung in der Schweißzone zu verringern, um die Betriebseigenschaften der Schweißverbindung zu verbessern; und
Erwärmen, um den Bereich der Übergangsstelle durch die Schweißwärmequelle zu schmelzen, Abkühlen und Verfestigen, um eine Schweißverbindung ungleichen Materials aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl zu bilden. Während des Schweißens wird ein Schutzgas in die Schweißzone eingeleitet, um nachteilige Auswirkungen von H, O, N und dergleichen auf die Betriebseigenschaften der Schweißverbindung zu verhindern.
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Während des Schweißens des Drahtes (der Platte) aus TiNi-Formgedächtnislegierung und des Drahtes (der Platte) aus Drahtes (der Platte) aus niedrig legiertem Stahl kann anstelle der Kupferzwischenschicht ein Kupferschweißdraht als Füllmaterial verwendet werden, um die Betriebseigenschaften der Schweißverbindung zu verbessern.
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Das Kupferfüllmaterial hat die Form einer Kupferzwischenschicht und eines Kupferschweißdrahtes. Das Schmelzverhältnis des TiNi-Legierungsgrundmaterials ist verringert, konkret liegt das Schmelzverhältnis der TiNi-Legierung bei <40%.
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Die Ergebnisse zeigen, dass das erfinderische Verfahren beim Durchführen des Schweißens ungleichen Materials der TiNi-Formgedächtnislegierung und des niedrig legierten Stahls durch Verwenden von Kupferfüllmaterial eine große Menge von Kupferfeststofflösung in der Schweißzone ausscheiden und die spröden intermetallischen Verbindungen verringern kann; und indem die Schweißwärmequelle näher an der Seite des martensitischen Edelstahlbasismaterials platziert wird, ist das erfinderische Verfahren beim Verringern spröder intermetallischer Zusammensetzungen in der Schweißzone vorteilhaft, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung deutlich zu verbessern.
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Die Schweißverbindung, die man durch Ausführen des Schweißens ungleichen Materials aus der TiNi-Formgedächtnislegierung und dem niedrig legierten Stahl gemäß dem erfinderischen Verfahren erhält, erreicht die Leistungsindizes wie folgt: (1) die lasergeschweißte Verbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hat eine Zugfestigkeit von 500-520 MPa, die im Vergleich zu den Schweißverbindungen ohne den Zusatz einer Kupferzwischenschicht um mehr als das Zweifache in der Verbindungsfestigkeit verbessert ist; (2) die lasergeschweißte Verbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl weist einen Biegewinkel von >120° auf, der im Vergleich zu den Schweißverbindungen ohne den Zusatz einer Kupferzwischenschicht im Verbindungsbiegewinkel um mehr als das 30-fache verbessert ist; und (3) die lasergeschweißte Verbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl weist eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >90% auf.
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Die Erfindung besitzt hauptsächlich die folgenden Vorteile: (1) aufgrund der unbegrenzten gegenseitigen Löslichkeit von Kupfer mit Nickel, der begrenzten Feststofflöslichkeit von Kupfer mit Titan, Eisen und Chrom, der hohen Festigkeit und Plastizität der Kupferfeststofflösung und der Tatsache, dass die Kupfer-Titan-Zusammensetzung im Vergleich zu der intermetallischen Eisen-Titan-Zusammensetzung, der intermetallischen Nickel-Titan-Zusammensetzung und der Chrom-Titan-Zusammensetzung eine geringere Sprödigkeit aufweist, ist der Einsatz des Kupferfüllmaterials, um das Schweißen ungleichen Materials aus der TiNi-Formgedächtnislegierung und dem niedrig legierten Stahl durchzuführen vorteilhaft, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung erheblich zu verbessern; (2) das Kupferfüllmaterial hat relativ niedrige Kosten und ist leicht zu beschaffen, was vorteilhaft ist, um die Produktionskosten für das Schweißen zu verringern; und (3) der Einsatz des Kupfer-Zwischenmaterials mit einer guten Plastizität ist vorteilhaft, um eine Automatisierung des Schweißens zu realisieren, um die Produktionseffizienz zu verbessern.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die konkreten Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
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Beispiel 1.
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Ein Draht aus einer TiNi-Legierung und ein niedrig legierter Stahldraht wurden Laserschweißen gemäß dem erfinderischen Verfahren unterzogen, um einen kieferorthopädischen Dentalverbundbogen herzustellen. Sowohl der Draht aus der TiNi-Legierung als auch der Draht aus niedrig legiertem Stahl hatten eine Querschnittsabmessung von 0,66 mm (Breite) × 0,5 mm (Dicke). Eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 85 µm) wurde an der Übergangsstelle zwischen dem Draht aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahldraht (ohne verbleibenden Zwischenraum) platziert, und der Bereich der Übergangsstelle wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißverbindung ungleichen Materials aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl aus zu bilden. Die Parameter des Laserschweißprozesses: eine Pulsenergie von 7,2 J; eine Pulsbreite von 6 ms; und eine Schutzgas (Ar)-Flussrate von 8 L/min. Die erhaltene lasergeschweißte Verbindung ungleichen Materials aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hatte eine Zugfestigkeit von 520 MPa (die in der Verbindungsfestigkeit um mehr als das Zweifache verbessert wurde, im Vergleich zu den Schweißverbindungen ohne den Zusatz der Kupferzwischenschicht); die lasergeschweißte Verbindung hatte einen Biegewinkel von 180° (der im Vergleich zu den Schweißverbindungen ohne den Zusatz der Kupferzwischenschicht um mehr als das 30-fache des Biegewinkels verbessert wurde); und die lasergeschweißte Verbindung hatte eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >95%, was den kieferorthopädischen Leistungsanforderungen der Zähne entsprach.
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Beispiel 2:
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Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus niedrig legiertem Stahl wurden Laserschweißen gemäß dem erfinderischen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus der TiNi-Legierung als auch die Platte aus niedrig legiertem Stahl hatten eine Dicke von 0,54 mm. Eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 90 µm) wurde an der Übergangsstelle zwischen der Platte aus der TiNi-Legierung und der Platte aus niedrig legiertem Stahl (ohne verbleibenden Zwischenraum) platzier und der Bereich der Übergangsstelle wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißverbindung ungleichen Materials aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legiertem Stahl zu bilden. Die Parameter des Laserschweißprozesses: eine Pulsfrequenz von 30 Hz; eine Pulsbreite von 5 ms; eine Laserleistung von 312 W; eine Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min; und eine Schutzgas (Ar)-Flussrate von 9 L/min. Die erhaltene Laserschweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hatte eine Zugfestigkeit von 510 MPa, einen Verbindungsbiegewinkel von >120° und eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >90%.
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Beispiel 3:
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Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus niedrig legiertem Stahl wurden Mikrostrahl-Plasma-Lichtbogenschweißen gemäß dem erfinderischen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus der TiNi-Legierung als auch die Platte aus dem niedrig legierten Stahl weisen eine Dicke von 0,75 mm auf, eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 120 µm) wurde an der Übergangsstelle zwischen der Platte aus der TiNi-Legierung und der Platte aus dem niedrig legierten Stahl (ohne verbleibenden Zwischenraum) platziert, und der Bereich der Übergangsstelle wurde durch eine Mikrostrahl-Plasma-LichtbogenWärmequelle erhitzt und geschmolzen, um eine Schweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl zu bilden. Die Prozessparameter des Mikrostrahl-Plasma-Lichtbogenschweißens: ein Schweißstrom von 10 A; eine Schweißgeschwindigkeit von 12,5 cm/min; eine Ionengas-(Ar)-Flussrate von 0,28 L/min; eine Schutzgas (H21%+Ar)-Flussrate von 9,5 L/min; und eine Düsenöffnung von 0,75 mm. Die erhaltene Mikrostrahl-Plasma-Schweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hatte eine Zugfestigkeit von 500 MPa, einen Verbindungsbiegewinkel von >80° und eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >85%.
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Beispiel 4:
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Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus niedrig legiertem Stahl wurden gemäß dem erfinderischen Verfahren dem Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (TIG) unterzogen. Die Platte aus der TiNi-Legierung und die Platte aus dem niedrig legierten Stahl hatten eine Dicke von 1 mm, eine Zwischenschicht aus Kupfer (mit einer Dicke von 300 µm) wurde an der Übergangsstelle zwischen der Platte aus der TiNi-Legierung und der Platte aus dem niedrig legierten Stahl (ohne verbleibenden Zwischenraum) positioniert und der Bereich der Übergangsstelle wurde durch eine WIG-Wärmequelle erhitzt und geschmolzen, um eine Schweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl zu bilden. Die WIG-Schweißprozessparameter: ein Wolframelektrodendurchmesser von 1,5 mm; ein Schweißstrom von 40 A; und eine Argongasflussrate von 10 L/min. Die erhaltene WIG-Schweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hatte eine Zugfestigkeit von 490 MPa, einen Verbindungsbiegewinkel von >60° und eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >80%.
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Beispiel 5:
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Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus niedrig legiertem Stahl wurden gemäß dem erfinderischen Verfahren dem Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG) unterzogen. Die Platte aus der TiNi-Legierung und die Platte aus niedrig legiertem Stahl hatten eine Dicke von 1 mm, an der Übergangsstelle zwischen der Platte aus der TiNi-Legierung und der Platte aus niedrig legiertem Stahl wurde ein Freiraum von 0,5 mm zum Füllen von Kupferschweißdraht während des WIG-Schweißens belassen. Die Prozessparameter für das WIG-Schweißen: ein Wolframelektrodendurchmesser von 1,5 mm; ein Kupferschweißdrahtdurchmesser von 1,6 mm; ein Schweißstrom von 50 A; und eine Argongasflussrate von 10 L/min. Die erhaltene WIG-Schweißverbindung aus der TiNi-Legierung und dem niedrig legierten Stahl hatte eine Zugfestigkeit von 490 MPa, einen Verbindungsbiegewinkel von >60° und eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts in dem von Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von >80%.