[發明專利]一種TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接方法

無效

• 申請號: 201110037046.7
• 申請日: 2011-02-14
• 公開（公告）號: CN102152017A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 孫大千;李洪梅
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K31/12
• 分類號: B23K31/12;B23K103/24
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明涉及材料、機械、電氣、醫療等技術領域的一種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。

背景技術

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(SEM)和超彈性(SE)。在已發現的具有形狀記憶效應的合金中應用最廣的是TiNi合金。它除了具有形狀記憶恢復率高的優點外，還具有比強度高、抗疲勞、耐腐蝕和生物相容性好等特點，在航空航天、原子能、海洋開發、儀器儀表、家用電器以及醫療領域獲得了廣泛的應用。隨著科學技術的進步和現代工業的發展，現代社會對產品性能提出了更高、更苛刻的要求。單一形狀記憶合金很難同時滿足產品不同部位對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)制備牙科復合矯治弓絲，TiNi合金絲對錯位牙施加合適的矯治力，而不銹鋼絲為非錯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，嚴重影響接頭的使用性能。存在的主要問題是，熔化焊時焊縫區析出大量脆性含鈦金屬間化合物(Ni₃Ti、NiTi₂、Fe₂Ti、FeTi、Cr₂Ti等)，明顯降低焊接接頭的強度和韌性(激光焊接頭抗拉強度150-190MPa，彎曲角2-5°；微束等離子弧焊接頭：抗拉強度130-160MPa，彎曲角2-5°；儲能焊接頭：抗拉強度140-170MPa，彎曲角10-16°)。這已成為制約形狀記憶合金產品使用性能提高和形狀記憶效應潛能充分發揮的主要技術瓶頸。因此，研究開發TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接技術具有重要的實用價值和廣闊的應用前景。

發明內容

本發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度和塑性及銅-鈦金屬間化合物的脆性較低等特點，通過采用純銅填充材料和降低TiNi合金母材熔合比，使焊縫區析出銅固溶體、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度和韌性。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

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，使焊縫區析出銅固溶體，減少焊縫區含鈦量及脆性金屬間化合物，提高焊接接頭強度和韌性；

b)熱源位置：調整焊接熱源(激光束、微束等離子弧、TIG等)位置，使其加熱斑點位于TiNi合金與不銹鋼界面附近偏向不銹鋼一側，降低TiNi合金母材熔合比，減少焊縫區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：采用焊接熱源加熱熔化界面區，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，焊接區通入保護體，防止H、O、N等對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％。

研究結果表明，采用純銅填充材料進行TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，可使焊縫區析出大量銅固溶體、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有利于減少焊縫區脆性金屬間化合物，可明顯提高焊接接頭的強度和韌性。

采用本發明的方法進行TiNi形狀記憶合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，其焊接接頭達到的性能指標為：(1)TiNi合金-不銹鋼激光焊接頭抗拉強度500-520MPa，與未加銅中間層的焊接接頭相比，接頭強度提高2倍以上；(2)TiNi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合金熱影響區形狀記憶效應恢復率＞90％。