專利名稱：一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料、機(jī)械、電氣、醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域的一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，屬于異種材料連接技術(shù)。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金是一種新型的功能材料，它具有特殊的形狀記憶效應(yīng)(SEM)和超彈性(SE)。在已發(fā)現(xiàn)的具有形狀記憶效應(yīng)的合金中應(yīng)用最廣的是TiNi合金。它除了具有形狀記憶恢復(fù)率高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有比強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕和生物相容性好等特點(diǎn)，在航空航天、原子能、海洋開發(fā)、儀器儀表、家用電器以及醫(yī)療領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能提出了更高、更苛刻的要求。單一形狀記憶合金很難同時(shí)滿足產(chǎn)品不同部位對(duì)使用性能的不同要求。形狀記憶合金與其它異種材料的連接是解決這一問題的主要選擇對(duì)策。例如通過TiNi合金絲與奧氏體不銹鋼絲焊接(連接)制備牙科復(fù)合矯治弓絲，TiNi合金絲對(duì)錯(cuò)位牙施加合適的矯治力，而不銹鋼絲為非錯(cuò)位牙提供充足的支抗，可明顯提高牙齒正畸效率、減輕患者痛苦。但是，由于TiNi形狀記憶合金與不銹鋼異種材料焊接性差，嚴(yán)重影響接頭的使用性能。存在的主要問題是，熔化焊時(shí)焊縫區(qū)析出大量脆性含鈦金屬間化合物(Ni3Ti、NiTi2、！^e2Ti、FeTi、Cr2Ti等)，明顯降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性(激光焊接頭抗拉強(qiáng)度150-190MPa，彎曲角2-5° ；微束等離子弧焊接頭抗拉強(qiáng)度130-160MPa，彎曲角2_5° ；儲(chǔ)能焊接頭抗拉強(qiáng)度140_170MPa，彎曲角 10-16° )。這已成為制約形狀記憶合金產(chǎn)品使用性能提高和形狀記憶效應(yīng)潛能充分發(fā)揮的主要技術(shù)瓶頸。因此，研究開發(fā)TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接技術(shù)具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，該方法基于銅與鎳無限互溶，銅與鈦、鐵、鉻有限固溶，銅固溶體具有較高的強(qiáng)度和塑性及銅-鈦金屬間化合物的脆性較低等特點(diǎn)，通過采用純銅填充材料和降低TiM合金母材熔合比，使焊縫區(qū)析出銅固溶體、減少脆性金屬間化合物，提高TiNi形狀記憶合金與不銹鋼異種材料焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，按以下工藝步驟進(jìn)行a)純銅中間層在TiNi形狀記憶合金絲(板)與奧氏體不銹鋼絲(板)界面加純銅中間層(TiNi合金/銅中間層/不銹鋼)。通過純銅中間層填充材料，使焊縫區(qū)析出銅固溶體，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，提高焊接接頭強(qiáng)度和韌性；b)熱源位置調(diào)整焊接熱源(激光束、微束等離子弧、TIG等)位置，使其加熱斑點(diǎn)位于TiNi合金與不銹鋼界面附近偏向不銹鋼一側(cè)，降低TiNi合金母材熔合比，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，提高焊接接頭性能；c)焊接保護(hù)采用焊接熱源加熱熔化界面區(qū)，冷卻凝固后形成TiNi合金-不銹鋼異種材料焊接接頭。焊接過程中，焊接區(qū)通入保護(hù)體，防止Η、0、Ν等對(duì)焊接接頭性能的有害影響。d)純銅焊絲=TiNi形狀記憶合金絲(板)與奧氏體不銹鋼絲(板)的焊接可采用純銅焊絲代替銅中間層作為填充材料，提高焊接接頭性能。所述的純銅填充材料形式為銅中間層和銅焊絲。降低TiNi合金母材熔合比，具體為TiNi合金熔合比< 40%。研究結(jié)果表明，采用純銅填充材料進(jìn)行TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，可使焊縫區(qū)析出大量銅固溶體、減少脆性金屬間化合物；焊接熱源置于偏向不銹鋼母材一側(cè)有利于減少焊縫區(qū)脆性金屬間化合物，可明顯提高焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，其焊接接頭達(dá)到的性能指標(biāo)為(I)TiNi合金-不銹鋼激光焊接頭抗拉強(qiáng)度500-520MPa，與未加銅中間層的焊接接頭相比，接頭強(qiáng)度提高2倍以上；(^TiM合金-不銹鋼激光焊接頭彎曲角> 120°，與未加銅中間層的焊接接頭相比，接頭彎曲角提高30倍以上；(3)TiNi合金-不銹鋼激光焊接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 90%。本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn)⑴銅與鎳無限互溶，銅與鈦、鐵、鉻有限固溶，銅固溶體具有較高的強(qiáng)度和塑性，與鐵-鈦、鎳-鈦、鉻-鈦金屬間化合相比，銅-鈦化合物的脆性較低，因此采用純銅填充材料進(jìn)行TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，有利于明顯提高焊接接頭的強(qiáng)度和韌性；( 純銅填充材料價(jià)格相對(duì)較低、且易得，有利于降低焊接生產(chǎn)成本；C3)純銅材料塑性好，采用中間層形式有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。


圖1是TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接示意圖(加銅中間層)圖2是TiNi形狀記憶合金絲與奧氏體不銹鋼絲激光焊接頭彎曲形貌。圖1中=A-TiNi合金，B-純銅中間層，C-焊接熱源，D-不銹鋼圖2中=TiNi-TiNi合金，SS-不銹鋼，WZ-焊縫區(qū)
具體實(shí)施例方式下面舉例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiM合金絲與不銹鋼絲激光焊接，制備牙科復(fù)合矯治弓絲。TiNi合金絲、不銹鋼絲的截面尺寸均為0.64mm(寬)X0.48mm(厚)。將銅中間層(厚度80μπι)置于TiNi合金絲和不銹鋼絲界面(不留間隙)，用脈沖激光熱源熔化界面區(qū)形成TiM合金-不銹鋼異種材料焊接接頭。激光焊接工藝參數(shù)脈沖能量7. 2J ； 脈沖寬度6ms ；保護(hù)氣體(Ar)流量8L/min。TiM合金-不銹鋼異種材料激光焊接頭抗拉強(qiáng)度520MPa (與未加銅中間層焊接接頭相比，接頭強(qiáng)度提高2倍以上)；激光焊接頭彎曲角 180° (與未加銅中間層焊接接頭相比，接頭彎曲角提高30倍以上)；激光焊接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 95%，滿足牙齒正畸使用性能要求。實(shí)施例2、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiNi合金與不銹鋼板材激光焊接。TiNi合金和不銹鋼板厚均為0. 54mm，將銅中間層(厚度90 μ m)置于TiNi合金與不銹鋼界面(不留間隙)，用脈沖激光熱源熔化界面區(qū)形成TiNi合金-不銹鋼焊接接頭。激光焊接工藝參數(shù)脈沖頻率30Hz ；脈沖寬度5ms ；激光功率312W ；焊接速度lm/min ；保護(hù)氣體(Ar)流量9L/min。 TiNi合金-不銹鋼激光焊接頭抗拉強(qiáng)度510MPa ；接頭彎曲角> 120° ；接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 90%。實(shí)施例3、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiM合金與不銹鋼板材微束等離子弧焊接。 TiNi合金和不銹鋼板厚0. 75mm，將銅中間層(厚度120 μ m)置于TiNi合金和不銹鋼界面 (不留間隙)，用微束等離子弧熱源加熱熔化界面區(qū)形成TiNi合金-不銹鋼焊接接頭。微束等離子弧焊接工藝參數(shù)焊接電流IOA ；焊接速度12. 5cm/min ；離子氣(Ar)流量0. 28L/ min ；保護(hù)氣體(H21% +Ar)流量9. 5L/min ；噴嘴孔徑0. 75mm。TiNi合金-不銹鋼微束等離子弧焊接頭抗拉強(qiáng)度500MPa，；接頭彎曲角>80° ；焊接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 85%。實(shí)施例4、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiNi合金與不銹鋼板材鎢極氬弧焊(TIG)。TiNi 合金和不銹鋼板厚1mm，將銅中間層(厚度300 μ m)置于TiNi合金和不銹鋼界面(不留間隙)，用TIG熱源加熱熔化界面區(qū)形成TiNi合金-不銹鋼焊接接頭。TIG焊接工藝參數(shù)鎢極直徑1. 5mm ；焊接電流40A ；氬氣流量lOL/min。TiNi合金-不銹鋼TIG焊接頭抗拉強(qiáng)度 490MPa ；接頭彎曲角> 60° ；TIG焊接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 80%。 實(shí)施例5、采用本發(fā)明的方法進(jìn)行TiNi合金與不銹鋼板材鎢極氬弧焊(TIG)。TiNi合金和不銹鋼板厚1mm，在TiM合金和不銹鋼界面預(yù)留0. 5mm間隙，TIG焊接過程中填充純銅焊絲。TIG焊接工藝參數(shù)鎢極直徑1. 5mm ；純銅焊絲直徑1. 6mm ；焊接電流50A ；氬氣流量IOL/ min. TiNi合金-不銹鋼接頭抗拉強(qiáng)度490MPa，；接頭彎曲角> 60° ；接頭TiNi合金熱影響區(qū)形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)率> 80%。
權(quán)利要求
1.一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，其特征在于，按以下工藝步驟進(jìn)行a)純銅中間層在TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼界面加純銅中間層，通過銅中間層填充材料，使焊縫區(qū)析出銅固溶體，減少焊縫區(qū)脆性金屬間化合物，提高焊接接頭強(qiáng)度和韌性；b)熱源位置將焊接熱源中心置于TiNi合金與不銹鋼界面附近偏向不銹鋼一側(cè)，降低 TiNi合金母材熔合比，減少焊縫區(qū)脆性金屬間化合物，提高焊接接頭性能；c)焊接保護(hù)采用焊接熱源加熱熔化界面區(qū)，冷卻凝固后形成TiNi合金-不銹鋼異種材料焊接接頭。焊接過程中，焊接區(qū)通入保護(hù)氣體，防止Η、0、Ν等對(duì)焊接接頭性能的有害影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法， 其特征在于，采用純銅焊絲代替銅中間層作為填充材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法， 其特征在于，采用TiNi合金絲與不銹鋼絲激光焊接，TiNi合金絲、不銹鋼絲的截面尺寸均為0. 64mm寬X0. 48mm厚，將厚度80 μ m的銅中間層置于TiNi合金絲和不銹鋼絲界面，界面不留間隙，用脈沖激光熱源熔化界面區(qū)形成TiNi合金-不銹鋼異種材料焊接接頭，激光焊接工藝參數(shù)脈沖能量7. 2J ；脈沖寬度6ms ；保護(hù)氣體Ar流量8L/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法， 其特征在于，采用TiNi合金與不銹鋼板材激光焊接，TiNi合金和不銹鋼板厚均為0. 54mm, 將厚度為90 μ m的銅中間層置于TiM合金與不銹鋼界面，界面不留間隙，用脈沖激光熱源熔化界面區(qū)形成TiM合金-不銹鋼焊接接頭，激光焊接工藝參數(shù)脈沖頻率30Hz ；脈沖寬度5ms ；激光功率312W ；焊接速度lm/min ；保護(hù)氣體Ar流量9L/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，其特征在于，采用TiNi合金與不銹鋼板材微束等離子弧焊接，TiNi合金和不銹鋼板厚 0. 75mm,將厚度為120 μ m的銅中間層置于TiNi合金和不銹鋼界面，界面不留間隙，用微束等離子弧熱源加熱熔化界面區(qū)形成TiM合金-不銹鋼焊接接頭，微束等離子弧焊接工藝參數(shù)焊接電流IOA ；焊接速度12. 5cm/min ；離子氣Ar流量0. 28L/min ；保護(hù)氣體H21% +Ar 流量9. 5L/min ；噴嘴孔徑0. 75mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法， 其特征在于，采用TiNi合金與不銹鋼板材鎢極氬弧焊TIG，TiNi合金和不銹鋼板厚1mm，將厚度為300 μ m的銅中間層置于TiNi合金和不銹鋼界面，界面不留間隙，用TIG熱源加熱熔化界面區(qū)形成TiNi合金-不銹鋼焊接接頭，TIG焊接工藝參數(shù)鎢極直徑1. 5mm ；焊接電流 40A ；氬氣流量10L/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiM形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法， 其特征在于，采用TiNi合金與不銹鋼板材鎢極氬弧焊TIG，TiNi合金和不銹鋼板厚1mm，， 在TiNi合金和不銹鋼界面預(yù)留0. 5mm間隙，TIG焊接過程中填充純銅焊絲，TIG焊接工藝參數(shù)鎢極直徑1. 5mm ；純銅焊絲直徑1. 6mm ；焊接電流50A ；氬氣流量l0L/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料、機(jī)械、電氣、醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域的一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法，屬于異種材料連接技術(shù)。該方法針對(duì)TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接性問題，基于銅與鎳無限互溶，銅與鈦、鐵、鉻有限固溶，銅固溶體具有較高的強(qiáng)度和塑性及銅-鈦金屬間化合物的脆性較低等特點(diǎn)，通過采用純銅填充材料(銅中間層或銅焊絲)和降低TiNi合金母材熔合比，使焊縫區(qū)析出銅固溶體、減少脆性金屬間化合物，提高TiNi形狀記憶合金與不銹鋼異種材料焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明的工藝步驟為加純銅中間層(純銅焊絲)→調(diào)整熱源位置→焊接區(qū)保護(hù)→熔化焊接。
文檔編號(hào)B23K103/24GK102152017SQ20111003704
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者孫大千, 李洪梅 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)