-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und Materialtechnik und insbesondere auf das Gebiet des Materialschweißens.
-
HINTERGRUND
-
Als neuartige Funktionsmaterialien wurden Formgedächtnislegierungen auf vielen Gebieten wie etwa der industriellen Fertigung, dem Alltag und der medizinischen Biologie, usw. angewendet. Aufgrund der schlechten Bearbeitbarkeit der Formgedächtnislegierungen und der zunehmenden Komplexität der Komponenten bei praktischen Anwendungen ist es wirtschaftlich und wirksam, Komponenten aus Formgedächtnislegierungen unter Verwendung von Schweißverfahren zu produzieren.
-
Die Formgedächtnislegierung ist eine Umwandlungslegierung einer martensitischen Phase, die eine reguläre atomare Anordnung aufweist und eine Volumenänderung von weniger als 0,5 % aufweist. Eine derartige Legierung wird sich unter der Einwirkung einer externen Kraft verformen, und wenn die externe Kraft entfernt wird, kann sie sich unter bestimmten Temperaturbedingungen in einer ursprünglichen Form wiederherstellen. Da sie eine Funktion des Rückverformens für mehr als eine Million Wiederholungen aufweist, wird sie „Gedächtnislegierung“ genannt. Natürlich kann sie nicht mit dem Gedächtnis eines menschlichen Gehirns konkurrieren, genauer sollte sie „Formgedächtnislegierung“ genannt werden. Außerdem weist die Gedächtnislegierung die Vorteile auf, dass sie keinen Magnetismus, keine Abnutzung und Korrosion und keine Toxizität aufweist, weshalb sie weitverbreitet verwendet wird.
-
Das Verbinden von Formgedächtnislegierungen mit anderen artfremden Materialen ist ein Problem in dem Gebiet. Dies ist ein grundlegender technischer Engpass, der die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Verwendung von Produkten aus Formgedächtnislegierungen und die ausreichende Anwendung des Potentials der Formgedächtniswirkung einschränkt. Daher ist es notwendig, eine Technologie zum Verbinden artfremder Materialien für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen verzinkten Stahl zu entwickeln, die einen bedeutenden praktischen Wert und eine breite Anwendungsperspektive aufweist.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden artfremder Materialien für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen verzinkten Stahl bereitzustellen, das Verfahren basiert auf den Eigenschaften der unbegrenzten, wechselseitigen Löslichkeit von Kupfer mit Nickel, der begrenzten Festkörperlöslichkeit von Kupfer mit Titan, Eisen und Chrom, der hohen Festigkeit und Plastizität einer festen Kupferlösung und der geringen Sprödigkeit von intermetallischen Kupfer-Titan-Verbindungen. Durch Verwenden eines Kupferfüllmaterials und Verringern des Schmelzflussverhältnisses eines Materials auf Basis einer TiNi-Legierung kann das erfindungsgemäße Verfahren im Schweißbereich eine feste Kupferlösung ausfällen und spröde intermetallische Verbindungen verringern, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung artfremder Materialien TiNi-Formgedächtnislegierung/verzinkter Stahl zu verbessern.
-
Die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die folgende technische Lösung gelöst:
- Ein Verfahren zum Verbinden artfremder Materialien für eine TiNi-Formgedächtnislegierung und einen verzinkten Stahl umfasst die folgenden Prozessschritte:
- Hinzufügen einer Kupferzwischenschicht an der Grenzfläche zwischen dem Draht (der Platte) aus einer TiNi-Formgedächtnislegierung und dem Draht (der Platte) aus verzinktem Stahl (TiNi-Legierung/Kupferzwischenschicht/verzinkter Stahl), um dadurch über das Kupferzwischenschicht-Füllmaterial im Schweißbereich eine feste Kupferlösung auszufällen und den Titangehalt und die spröde intermetallische Verbindung im Schweißbereich zu verringern, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung zu verbessern;
- Einstellen der Position einer Schweißwärmequelle (Laserstrahl, Mikrostrahl-Plasmabogen, TIG, usw.), derart, dass ihr Heizpunkt in der Nähe der Grenzfläche zwischen der TiNi-Legierung und dem verzinkten Stahl und näher an der Seite des verzinkten Stahls angeordnet ist, um dadurch das Schmelzflussverhältnis des Materials auf Basis der TiNi-Legierung zu verringern und den Titangehalt und die spröde intermetallische Verbindung im Schweißbereich zu verringern, um die Leistungsfähigkeit der Schweißverbindung zu verbessern; und
- Erwärmen durch die Schweißwärmequelle, um den Zwischenbereich zu schmelzen, Kühlen und Verfestigen, um eine Schweißverbindung artfremder Materialien von TiNi-Legierung/verzinktem Stahl zu bilden. Während des Schweißens wird ein Abschirmgas in den Schweißbereich eingebracht, um die Nebenwirkungen von H, O, N und dergleichen auf die Leistungsfähigkeit der Schweißverbindung zu verhindern.
-
Während des Schweißens des Drahtes (der Platte) aus einer TiNi-Formgedächtnislegierung und des Drahtes (der Platte) aus verzinktem Stahl kann ein Kupferschweißdraht anstelle der Kupferzwischenschicht als das Füllmaterial verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit der Schweißverbindung zu verbessern.
-
Das Kupferfüllmaterial liegt in der Form einer Kupferzwischenschicht und eines Kupferschweißdrahtes vor. Das Schmelzflussverhältnis des Materials auf Basis einer TiNi-Legierung wird verringert, insbesondere ist das Schmelzflussverhältnis der TiNi-Legierung < 40 %.
-
Die Ergebnisse zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren im Schweißbereich eine große Menge einer festen Kupferlösung ausfällen und die spröden intermetallischen Verbindungen verringern kann, indem das Schweißen artfremder Materialien der TiNi-Formgedächtnislegierung und des verzinkten Stahls durch Einsetzen eines Kupferfüllmaterials durchgeführt wird; und das erfindungsgemäße Verfahren durch das Anordnen der Schweißwärmequelle näher an der Seite des martensitischen Materials auf Edelstahlbasis beim Verringern von spröden intermetallischen Verbindungen im Schweißbereich vorteilhaft ist, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung deutlich zu verbessern.
-
Die Schweißverbindung, die durch das Durchführen des Schweißens artfremder Materialen der TiNi-Formgedächtnislegierung und des verzinkten Stahls gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, erfüllt die Leistungsfähigkeitsindizes wie folgt: (1) die Laserschweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl weist eine Zugfestigkeit von 500-520 MPa auf, wobei die Verbindungsfestigkeit verglichen mit den Schweißverbindungen ohne das Hinzufügen einer Kupferzwischenschicht um mehr als das 2-fache verbessert wird; (2) die Laserschweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl weist einen Biegewinkel von > 120° auf, wobei der Verbindungsbiegewinkel verglichen mit den Schweißverbindungen ohne das Hinzufügen einer Kupferzwischenschicht um mehr als das 30-fache verbessert wird; und (3) die Laserschweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl weist eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 90 % auf.
-
Die Erfindung weist hauptsächlich die folgenden Vorteile auf: (1) aufgrund der unbegrenzten, wechselseitigen Löslichkeit von Kupfer mit Nickel, der begrenzten Festkörperlöslichkeit von Kupfer mit Titan, Eisen und Chrom, der hohen Festigkeit und Plastizität einer festen 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 der Einsatz des Kupferfüllmaterials, um das Schweißen artfremder Materialien der TiNi-Formgedächtnislegierung und des verzinkten Stahls durchzuführen, dienlich, um die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißverbindung deutlich zu verbessern; (2) das Kupferfüllmaterial weist relativ niedrige Kosten auf und ist auf einfach zu erhalten, was dienlich ist, um die Herstellungskosten des Schweißens zu verringern; und (3) der Einsatz des Kupferzwischenmaterials mit einer guten Plastizität ist dienlich, um eine Automatisierung des Schweißens zu realisieren, um die Effizienz der Herstellung zu verbessern.
-
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die spezifischen Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden genau beschrieben.
-
Beispiel 1:
-
Ein Draht aus einer TiNi-Legierung und ein Draht aus verzinktem Stahl wurden einem Laserschweißen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen, um einen kieferorthopädischen Verbund-Dentalbogendraht vorzubereiten. Sowohl der Draht aus einer TiNi-Legierung als auch der Draht aus verzinktem Stahl wiesen eine Schnittabmessung von 0,66 mm (Breite) × 0,5 mm (Dicke) auf. Eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 85 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen dem Draht aus einer TiNi-Legierung und dem Draht aus verzinktem Stahl angeordnet (ohne verbleibenden Abstand), und der Grenzflächenbereich wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißverbindung artfremder Materialien von TiNi-Legierung/verzinktem Stahl zu bilden. Die Laserschweißprozessparameter: eine Impulsenergie von 7,2 J; eine Impulsbreite von 6 ms; und eine Durchflussmenge des Abschirmgases (Ar) von 8 l/min. Die erhaltene Laserschweißverbindung artfremder Materialien von TiNi-Legierung/verzinktem Stahl wies eine Zugfestigkeit von 520 MPa auf (wobei die Verbindungsfestigkeit verglichen mit den Schweißverbindungen ohne das Hinzufügen der Kupferzwischenschicht um mehr als das 2-fache verbessert wurde); die Laserschweißverbindung wies einen Biegewinkel von 180° auf (wobei der Verbindungsbiegewinkel verglichen mit den Schweißverbindungen ohne das Hinzufügen der Kupferzwischenschicht um mehr als das 30-fache verbessert wurde); und die Laserschweißverbindung wies eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 95 % auf, was die kieferorthopädischen Leistungsfähigkeitsanforderungen der Zähne erfüllte.
-
Beispiel 2:
-
Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus verzinktem Stahl wurden einem Laserschweißen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus einer TiNi-Legierung als auch die Platte aus verzinktem Stahl wiesen eine Dicke von 0,54 mm auf. Eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 90 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus einer TiNi-Legierung und der Platte aus verzinktem Stahl angeordnet (ohne verbleibenden Abstand), und der Grenzflächenbereich wurde durch eine gepulste Laserwärmequelle geschmolzen, um eine Schweißverbindung artfremder Materialien von TiNi-Legierung/verzinktem Stahl zu bilden. Die Laserschweißprozessparameter: eine Impulsfrequenz von 30 Hz; eine Impulsbreite von 5 ms; eine Laserleistung von 312 W; eine Schweißgeschwindigkeit von 1 m/min; und eine Durchflussmenge des Abschirmgases (Ar) von 9 l/min. Die erhaltene Laserschweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl wies eine Zugfestigkeit von 510 MPa; einen Verbindungsbiegewinkel von > 120°; und eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 90 % auf.
-
Beispiel 3:
-
Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus verzinktem Stahl wurden einem Mikrostrahl-Plasmabogenschweißen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Sowohl die Platte aus einer TiNi-Legierung als auch die Platte aus verzinktem Stahl wiesen eine Dicke von 0,75 mm auf, eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 120 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus einer TiNi-Legierung und der Platte aus verzinktem Stahl angeordnet (ohne verbleibenden Abstand), und der Grenzflächenbereich wurde durch eine Mikrostrahl-Plasmabogen-Wärmequelle erwärmt und geschmolzen, um eine Schweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl zu bilden. Die Mikrostrahl-Plasmabogen-Schweißprozessparameter: ein Schweißstrom von 10 A; eine Schweißgeschwindigkeit von 12,5 cm/min; eine Durchflussmenge des Ionengases (Ar) von 0,28 l/min; eine Durchflussmenge des Abschirmgases (H 21 % + Ar) von 9,5 l/min; und eine Düsenöffnung von 0,75 mm. Die erhaltene Mikrostrahl-Plasmabogen-Schweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl wies eine Zugfestigkeit von 500 MPa; einen Verbindungsbiegewinkel von > 80°; und eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 85 % auf.
-
Beispiel 4:
-
Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus verzinktem Stahl wurden einem Wolfram-Argon-Bogenschweißen (TIG) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Die Platte aus einer TiNi-Legierung und die Platte aus verzinktem Stahl wiesen eine Dicke von 1 mm auf, eine Kupferzwischenschicht (mit einer Dicke von 300 µm) wurde an der Grenzfläche zwischen der Platte aus einer TiNi-Legierung und der Platte aus verzinktem Stahl angeordnet (ohne verbleibenden Abstand), und der Grenzflächenbereich wurde durch eine TIG-Wärmequelle erwärmt und geschmolzen, um eine Schweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl zu bilden. Die TIG-Schweißprozessparameter: ein Wolfram-Elektrodendurchmesser von 1,5 mm; ein Schweißstrom von 40 A; und eine Durchflussmenge des Argon-Gases von 10 l/min. Die erhaltene TIG-Schweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl wies eine Zugfestigkeit von 490 MPa; einen Verbindungsbiegewinkel von > 60°; und eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 80 % auf.
-
Beispiel 5:
-
Eine Platte aus einer TiNi-Legierung und eine Platte aus verzinktem Stahl wurden einem Wolfram-Argon-Bogenschweißen (TIG) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen. Die Platte aus einer TiNi-Legierung und die Platte aus verzinktem Stahl wiesen eine Dicke von 1 mm auf, ein Abstand von 0,5 mm wurde zum Einfüllen eines Kupferschweißdrahtes während des TIG-Schweißens an der Grenzfläche zwischen der Platte aus einer TiNi-Legierung und der Platte aus verzinktem Stahl belassen. Die TIG-Schweißprozessparameter: ein Wolfram-Elektrodendurchmesser von 1,5 mm; ein Durchmesser des Kupferschweißdrahtes von 1,6 mm; ein Schweißstrom von 50 A; und eine Durchflussmenge des Argon-Gases von 10 l/min. Die erhaltene TIG-Schweißverbindung TiNi-Legierung/verzinkter Stahl wies eine Zugfestigkeit von 490 MPa; einen Verbindungsbiegewinkel von > 60°; und eine Rückverformungsrate der Formgedächtniswirkung in dem von der Wärme beeinflussten Bereich der TiNi-Legierung von > 80 % auf.