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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Werkstoffwissenschaft und -technik, insbesondere das Gebiet des Verschweißens von Werkstoffen.
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HINTERGRUND
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Als neuartige Funktionswerkstoffe sind Formgedächtnislegierungen in vielen Gebieten, wie der industriellen Fertigung, dem täglichen Leben und der medizinischen Biologie usw. angewendet worden. Aufgrund der schlechten Verarbeitbarkeit der Formgedächtnislegierungen und der zunehmenden Komplexität der Teile in praktischen Anwendungen ist es wirtschaftlich und effektiv, Bauteile aus Formgedächtnislegierungen unter Verwendung von Schweißverfahren herzustellen.
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Die Formgedächtnislegierung ist eine martensitische Phasenumwandlungslegierung, die eine regelmäßige Atomanordnung und eine Volumenänderung von weniger als 0,5% aufweist. Unter der Einwirkung einer äußeren Kraft verformt sich eine derartige Legierung, und wenn die äußere Kraft weggenommen wird, kann sie unter bestimmten Temperaturbedingungen ihre ursprüngliche Form wiederherstellen. Da sie eine Funktion aufweist, sich über eine Million Mal zu regenerieren, wird sie „Gedächtnislegierung“ genannt. Natürlich kann sie nicht mit dem denkenden Gedächtnis des menschlichen Gehirns konkurrieren; exakter sollte sie „Formgedächtnislegierung“ genannt werden. Zusätzlich weist die Gedächtnislegierung die Vorteile von fehlendem Magnetismus, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit und fehlender Giftigkeit auf, sodass sie weithin verwendet wird.
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Das Verbinden von Formgedächtnislegierungen mit anderen, unähnlichen Werkstoffen ist ein Problem auf dem Fachgebiet. Dies ist zu einem wesentlichen technischen Engpass geworden, der die Nutzung der Leistungsverbesserung von Formgedächtnislegierungen und die ausreichende Ausübung des Potentials des Formgedächtniseffekts einschränkt. Daher ist es notwendig, eine Technologie zum Verbinden unähnlicher Werkstoffe für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu entwickeln, die bedeutenden praktischen Wert und Aussicht auf breite Anwendung hat.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden unähnlicher Werkstoffe für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bereitzustellen; das Verfahren beruht auf den Eigenschaften der unbegrenzten gegenseitigen Löslichkeit von Kupfer und Nickel, der begrenzten Löslichkeit von Kupfer in Titan, Eisen und Chrom im festen Zustand, der hohen Festigkeit und Formbarkeit fester Kupferlösung und der geringen Sprödigkeit von intermetallischen Kupfer-Titan-Verbindungen. Durch Verwendung von Kupfer-Füllmaterial und Verringerung des Schmelzanteils des TiNi-Legierungs-Basismaterials kann das erfindungsgemäße Verfahren in der Schweißzone feste Kupferlösung ausfällen und spröde intermetallische Verbindungen verringern, um so die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Formgedächtnislegierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu verbessern.
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Das obige Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch die folgende technische Lösung erreicht:
- Ein Verfahren zum Verbinden unähnlicher Werkstoffe für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- Hinzufügen einer Kupfer-Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen dem Draht (der Platte) aus TiNi-Formgedächtnislegierung und dem Draht (der Platte) aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (TiNi-Legierung/Kupfer-Zwischenschicht/ Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt), um dadurch, mittels des Füllmaterials der Kupfer-Zwischenschicht, in der Schweißzone feste Kupferlösung auszufällen und den Titangehalt und spröde intermetallische Verbindungen in der Schweißzone zu verringern, um so die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht zu verbessern;
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Einstellen der Position einer Schweißwärmequelle (Laserstrahl, Mikrostrahl-Plasmalichtbogen, WIG usw.), so dass deren Heizpunkt sich nahe der Grenzfläche zwischen der TiNi-Legierung und dem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und näher an der Seite des Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt befindet, um dadurch den Schmelzanteil des TiNi-Legierungs-Basismaterials zu verringern, und den Titangehalt und spröde intermetallische Verbindungen in der Schweißzone zu verringern, um so die Leistungsfähigkeit der Schweißnaht zu verbessern; und
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Erhitzen, um die Grenzflächenzone durch die Schweißwärmequelle zu schmelzen, Abkühlen und Verfestigen, um eine Schweißnaht zwischen den unähnlichen Werkstoffen TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Während des Schweißens wird ein Schutzgas in die Schweißzone eingeleitet, um die nachteiligen Wirkungen von H, O, N und dergleichen auf die Leistungsfähigkeit der Schweißnaht zu verhindern.
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Während des Verschweißens des Drahtes (der Platte) aus TiNi-Formgedächtnislegierung und des Drahtes (der Platte) aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kann anstelle der Kupfer-Zwischenschicht ein Kupfer-Schweißdraht als das Füllmaterial verwendet werden, um so die Leistungsfähigkeit der Schweißnaht zu verbessern.
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Das Kupfer-Füllmaterial ist in der Form einer Kupfer-Zwischenschicht und eines Kupfer-Schweißdrahtes. Der Schmelzanteil des TiNi-Legierungs-Basismaterials ist verringert, insbesondere beträgt der Schmelzanteil der TiNi-Legierung <40%.
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Die Ergebnisse zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine große Menge fester Kupferlösung in der Schweißzone ausfällen und die spröden intermetallischen Verbindungen verringern kann, wobei ein Verschweißen der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Formgedächtnislegierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durchgeführt wird, indem Kupfer-Füllmaterial verwendet wird; und indem die Schweißwärmequelle näher an der Seite des Basismaterials aus martensitischem rostfreiem Stahl platziert wird, verringert das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise spröde intermetallische Verbindungen in der Schweißzone, um so die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht wesentlich zu verbessern.
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Die durch die Durchführung des Verschweißens der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Formgedächtnislegierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Schweißnaht erreicht die folgenden Leistungsindizes: (1) die Laserschweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt weist eine Zugfestigkeit von 500-520 MPa auf, was hinsichtlich der Nahtfestigkeit um mehr als das 2-fache verbessert ist, verglichen mit den Schweißnähten ohne die Hinzufügung eine Kupfer-Zwischenschicht; (2) die Laserschweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt weist einen Biegewinkel von >120° auf, was hinsichtlich des Nahtbiegewinkels um mehr als das 30-fache verbessert ist, verglichen mit den Schweißnähten ohne die Hinzufügung eine Kupfer-Zwischenschicht; und (3) weist die laserverschweißte Naht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >90% auf.
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Die Erfindung weist hauptsächlich die folgenden Vorteile auf: (1) aufgrund der unbegrenzten gegenseitigen Löslichkeit von Kupfer und Nickel, der begrenzten Löslichkeit von Kupfer in Titan, Eisen und Chrom im festen Zustand, der hohen Festigkeit und Formbarkeit fester Kupferlösung und der Tatsache, dass die Kupfer-Titan-Verbindung, verglichen mit der intermetallischen Eisen-Titan-Verbindung, der intermetallischen Nickel-Titan-Verbindung und der Chrom-Titan-Verbindung eine geringere Sprödigkeit aufweist, ist die Verwendung des Kupfer-Füllmaterials zur Durchführung des Verschweißens der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Formgedächtnislegierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt vorteilhaft, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht wesentlich zu verbessern; (2) das Kupfer-Füllmaterial hat einen relativ niedrigen Preis und ist leicht erhältlich, was vorteilhaft ist, um die Schweißfertigungskosten zu senken; und (3) ist die Verwendung des Kupfer-Zwischenmaterials mit einer guten Formbarkeit vorteilhaft, um eine Automatisierung des Schweißens umzusetzen, um so die Fertigungseffizienz zu verbessern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden im Detail beschrieben.
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Beispiel 1.
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Ein Draht aus TiNi-Legierung und ein Draht aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurden einem Laserschweißen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen, um einen dentalen zusammengesetzten kieferorthopädischen Bogen herzustellen. Sowohl der Draht aus TiNi-Legierung als auch der Draht aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Querschnittsabmessung von 0,66 mm (Breite) × 0,5 mm (Dicke) auf. Eine Kupfer-Zwischenschicht (mit einer Dicke von 85 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen dem Draht aus TiNi-Legierung und dem Draht aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt platziert (ohne verbleibenden Zwischenraum), und die Grenzflächenzone wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißnaht der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Die Prozessparameter des Laserschweißens: eine Pulsenergie von 7,2 J; eine Pulslänge von 6 ms; und eine Flussrate des Schutzgases (Ar) von 8 L/min. Die erhaltene Laserschweißnaht der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Zugfestigkeit von 520 MPa auf (was hinsichtlich der Nahtfestigkeit um mehr als das 2-fache verbessert war, verglichen mit den Schweißnähten ohne die Hinzufügung der Kupfer-Zwischenschicht); die Laserschweißnaht wies einen Biegewinkel von 180° auf (was hinsichtlich des Nahtbiegewinkels um mehr als das 30-fache verbessert war, verglichen mit den Schweißnähten ohne die Hinzufügung der Kupfer-Zwischenschicht); und die Laserschweißnaht wies in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >95% auf, welche die kieferorthopädischen Leistungsanforderungen der Zähne erfüllte.
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Beispiel 2.
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Eine Platte aus TiNi-Legierung und eine Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurden einem Laserschweißen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus TiNi-Legierung als auch die Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Dicke von 0,54 mm auf. Eine Kupfer-Zwischenschicht (mit einer Dicke von 90 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus TiNi-Legierung und der Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt platziert (ohne verbleibenden Zwischenraum), und die Grenzflächenzone wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißnaht der unähnlichen Werkstoffe TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Die Prozessparameter des Laserschweißens: eine Pulsfrequenz von 30 Hz; eine Pulslänge von 5 ms; eine Laserleistung von 312 W; eine Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min; und eine Flussrate des Schutzgases (Ar) von 9 L/min. Die erhaltene Laserschweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Zugfestigkeit von 510 MPa, einen Nahtbiegewinkel von >120° und, in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung, eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >90% auf.
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Beispiel 3:
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Eine Platte aus TiNi-Legierung und eine Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurden einem Mikrostrahl-Plasmalichtbogen-Schweißen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus TiNi-Legierung als auch die Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Dicke von 0,75 mm auf; eine Kupfer-Zwischenschicht (mit einer Dicke von 120 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus TiNi-Legierung und der Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt platziert (ohne verbleibenden Zwischenraum), und die Grenzflächenzone wurde durch eine Mikrostrahl-Plasmalichtbogen-Wärmequelle erhitzt und geschmolzen, um eine Schweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Die Prozessparameter des Mikrostrahl-Plasmalichtbogen-Schweißens: ein Schweißstrom von 10 A; eine Schweißgeschwindigkeit von 12,5 cm/min; eine Flussrate des lonengases (Ar) von 0,28 L/min; eine Flussrate des Schutzgases (H21%+Ar) von 9,5 L/min; und eine Düsenöffnung von 0,75 mm. Die erhaltene Mikrostrahl-Plasmalichtbogen-Schweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Zugfestigkeit von 500 MPa, einen Nahtbiegewinkel von >80° und, in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung, eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >85% auf.
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Beispiel 4:
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Eine Platte aus TiNi-Legierung und eine Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurden einem Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Die Platte aus TiNi-Legierung und die Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wiesen eine Dicke von 1 mm auf; eine Kupfer-Zwischenschicht (mit einer Dicke von 300 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus TiNi-Legierung und der Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt platziert (ohne verbleibenden Zwischenraum), und die Grenzflächenzone wurde durch eine WIG-Wärmequelle erhitzt und geschmolzen, um eine Schweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu bilden. Die Prozessparameter des WIG-Schweißens: ein Wolframelektroden-Durchmesser von 1,5 mm; ein Schweißstrom von 40 A; und eine Argon-Gas-Flussrate von 10 L/min. Die erhaltene WIG-Schweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Zugfestigkeit von 490 MPa, einen Nahtbiegewinkel von >60° und, in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung, eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >80% auf.
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Beispiel 5:
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Eine Platte aus TiNi-Legierung und eine Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurden einem Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Die Platte aus TiNi-Legierung und die Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wiesen eine Dicke von 1 mm auf; an der Grenzfläche zwischen der Platte aus TiNi-Legierung und der Platte aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wurde ein Zwischenraum von 0,5 mm zum Einfüllen von Kupfer-Schweißdraht während des Schweißens belassen. Die Prozessparameter des WIG-Schweißens: ein Wolframelektroden-Durchmesser von 1,5 mm; ein Kupfer-Schweißdraht-Durchmesser von 1,6 mm; ein Schweißstrom von 50 A; und eine Argon-Gas-Flussrate von 10 L/min. Die erhaltene WIG-Schweißnaht von TiNi-Legierung und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wies eine Zugfestigkeit von 490 MPa, einen Nahtbiegewinkel von >60°; und, in der wärmebeeinflussten Zone der TiNi-Legierung, eine Wiederherstellungsrate des Formgedächtniseffekts von >80% auf.