一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]NiTiNb (Ni47Ti44Nb9，摩爾比，簡稱NiTiNb)是一種寬滯后形狀記憶合金，相變滯后寬度可達(dá)150°C。鈦合金是一種比強(qiáng)度高的輕質(zhì)合金。形狀記憶合金與鈦合金的連接結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來越廣泛，尤其是生物醫(yī)用領(lǐng)域，多以厚度為0.2mm以下的超薄材料為主。然而，采用熔化焊的方法來焊接這兩種金屬非常困難，接頭抗拉強(qiáng)度幾乎為O，接頭變形較大。主要原因是焊接過程中在焊縫熔合線附近會產(chǎn)生大量的Ti2Ni脆性金屬間化合物，使焊接接頭產(chǎn)生大量的裂紋。激光填絲焊的方法綜合利用了激光焊和填絲焊的優(yōu)點(diǎn)，通過焊接冶金反應(yīng)，抑制了 Ti2Ni脆性金屬間化合物的形成，徹底消除了接頭裂紋，提高了接頭強(qiáng)度。Nb與NiTiNb母材一側(cè)能形成NiT1-Nb偽共晶組織，Nb與鈦合金母材一側(cè)能形成無限固溶體，因此消除了熔合線附近的Ti2Ni脆性金屬間化合物。焊縫中間主要是以Nb為基體，固溶少量T1、Ni等元素的固溶體，強(qiáng)度較高，韌性較好。填充材料Nb為體心立方結(jié)構(gòu)，密度為8.0578g/cm3，熔點(diǎn)為2467± 10°C，高于NiTiNb和鈦合金母材。線膨脹系數(shù)7.2X 10—7K，和母材接近。Nb室溫時(shí)的正彈性模量為E=L 049 X 105，與Ti接近。采用普通的焊接方法容易產(chǎn)生大的焊接應(yīng)力和較大變形，晶粒粗化嚴(yán)重，高熔點(diǎn)的填充材料很難熔化，而激光焊由于能量密度集中，能很好的解決這些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決焊接接頭中存在的裂紋，提高接頭強(qiáng)度，本發(fā)明提出了一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法，它具有抑制接頭Ti2Ni脆性金屬間化合物、提高接頭強(qiáng)度和韌性的特點(diǎn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法，采用填Nb絲激光焊，包括以下步驟:
一、焊前準(zhǔn)備階段
將NiTiNb母材放入體積比為1:3:5的氫氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡約3分鐘，腐蝕至指定厚度，然后用清水沖洗。鈦合金母材表面氧化物用砂紙打磨干凈。將焊接端面在砂紙上打磨平整，再用丙酮清洗干凈，放入烘箱烘干水分；
二、裝配定位階段
根據(jù)板材厚度選擇直徑大小合適的純度為99.9%的Nb絲置于NiTiNb母材與鈦合金母材接頭中間，使用工裝夾具將母材固定，接頭錯(cuò)邊量不大于10% ;蓋上玻璃保護(hù)罩，通入適當(dāng)流量的純度為99.9%的氬氣3min，將玻璃罩內(nèi)空氣排盡；在接頭兩端使用較小的激光功率將Nb絲與母材進(jìn)行定位； 三、激光焊接階段
調(diào)整激光光斑位置，確保激光束位于Nb絲中間，調(diào)試合適的激光工藝參數(shù)，激光通過玻璃對接頭進(jìn)行焊接。
[0005]本發(fā)明的有益效果是:通過熔池冶金反應(yīng)，抑制了 Ti2Ni脆性金屬間化合物，從而完全消除了接頭裂紋。NiTiNb與TC4焊接接頭最大抗拉強(qiáng)度由不填焊絲時(shí)的OMPa，提高到了 740MPa，達(dá)到了退火態(tài)TC4母材抗拉強(qiáng)度(895MPa)的82%。容易實(shí)現(xiàn)超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料的激光焊接，并且焊接的效率高、成本低，接頭質(zhì)量好。
【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明接頭裝配示意圖。
[0007]1、NiTiNb形狀記憶合金，2、純Nb焊絲，3、鈦合金。
[0008]圖2為本發(fā)明定位焊示意圖。
[0009]UNiTiNb形狀記憶合金，2、純Nb焊絲，3、鈦合金，4、定位焊點(diǎn)。
[0010]圖3為本發(fā)明NiTiNb與TC4焊接接頭拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1、圖2、圖3，對本發(fā)明所提出的實(shí)施方式做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
實(shí)施例:本發(fā)明的焊接工藝過程如下:
焊接設(shè)備:Sisma SL80 Nd: YAG激光焊機(jī)，激光功率為16W，脈寬為4.5ms,頻率為4.5Hz，光斑直徑為Φ0.3mm，表面聚焦，焊接速度為0.3m/min，氬氣流量為8L/min。母材選用0.3mm厚熱軋態(tài)的NiTiNb寬滯形狀記憶合金，0.2mm厚退火態(tài)的TC4鈦合金，填充材料選用直徑為Φ0.3mm的純Nb絲。
[0012]一、焊前準(zhǔn)備階段
將NiTiNb母材放入體積比為1:3:5的氫氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡約3分鐘，將母材厚度腐蝕至0.2±0.01mm，然后用清水沖洗。TC4母材表面氧化物用砂紙打磨干凈。將焊接端面在砂紙上打磨平整，再用丙酮清洗干凈，放入烘箱烘干水分；
二、裝配定位階段
裝配方式如圖1所示。根據(jù)板材厚度選擇直徑為Φ0.3mm的純度為99.9%的Nb絲置于NiTiNb母材與TC4母材接頭中間，使用工裝夾具將母材固定壓緊，接頭錯(cuò)邊量不大于10% ;蓋上玻璃保護(hù)罩，通入純度為99.9%的氬氣3min，將玻璃罩內(nèi)空氣排盡；定位方式如圖2所示，在接頭兩端使用較小的激光功率將Nb絲與母材進(jìn)行定位；
三、激光焊接階段
調(diào)整激光光斑位置，確保激光束位于Nb絲中間，調(diào)試合適的激光工藝參數(shù)，激光通過玻璃對接頭進(jìn)行焊接。接頭拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。
[0013]本發(fā)明的焊接過程中，所述純Nb焊絲的熔化過程中，純Nb焊絲作為熔敷金屬進(jìn)入焊縫。
[0014]Nb絲直徑的選擇依據(jù)是Nb絲足夠填滿接頭不產(chǎn)生凹陷，同時(shí)接頭表面余高不至于過高。Nb絲橫截面面積S1=Ji (d/2)2，接頭間隙面積SS2=ScL其中d為Nb絲直徑，δ為母材板厚。需要滿S2，可以推出d彡4δ/π。
[0015]在此說明書中，本發(fā)明已參照特定的實(shí)施例作了闡述。但是，激光焊接工藝參數(shù)和填充純Nb絲的直徑可以根據(jù)母材厚度作出各種修改和變換，并不背離本發(fā)明體現(xiàn)的應(yīng)用范圍。因此，本說明書是說明性的而非限制性的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法，其特征在于所述方法包括以下步驟: 一、焊前準(zhǔn)備階段，將NiTiNb母材放入體積比為1:3:5的氫氟酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡約3分鐘，腐蝕至指定厚度，然后用清水沖洗；鈦合金母材表面氧化物用砂紙打磨干凈，將焊接端面在砂紙上打磨平整，再用丙酮清洗干凈，放入烘箱烘干水分； 二、裝配定位階段，根據(jù)板材厚度選擇直徑大小合適的純度為99.9%的Nb絲置于NiTiNb母材與鈦合金母材接頭中間，使用工裝夾具將母材固定，接頭錯(cuò)邊量不大于10% ;蓋上玻璃保護(hù)罩，通入適當(dāng)流量的高純氬氣3min，將玻璃罩內(nèi)空氣排盡；在接頭兩端使用較小的激光功率將Nb絲與母材進(jìn)行定位； 三、激光焊接階段，調(diào)整激光光斑位置，確保激光束位于Nb絲中間，調(diào)整合適的激光工藝參數(shù)，激光透過玻璃對接頭進(jìn)行焊接。
【專利摘要】一種超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料連接方法，其步驟為：將NiTiNb母材與鈦合金母材表面雜質(zhì)清洗干凈，烘干水分；讓純Nb絲置于NiTiNb與鈦合金母材接頭中間，將母材固定；通入高純氬氣，將玻璃罩內(nèi)空氣排盡；在接頭兩端使用較小的激光功率將Nb絲與母材進(jìn)行定位；調(diào)整合適的激光工藝參數(shù)對接頭進(jìn)行焊接。本發(fā)明消除了焊接接頭的裂紋，實(shí)現(xiàn)了超薄NiTiNb寬滯形狀記憶合金與鈦合金異種材料的激光焊接。NiTiNb與TC4鈦合金焊接接頭最大抗拉強(qiáng)度為740MPa，達(dá)到了退火態(tài)TC4母材抗拉強(qiáng)度（895MPa）的82%。本焊接工藝成本低、效率高、接頭質(zhì)量好。
【IPC分類】B23K26-21, B23K26-60, B23K26-323, B23K26-12
【公開號】CN104722919
【申請?zhí)枴緾N201510095866
【發(fā)明人】陳玉華, 陸巍巍, 黃永德
【申請人】南昌航空大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月4日