一种大尺寸NiTi形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法

一种大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法
技术领域
1.本发明涉及niti形状记忆合金与不锈钢的异种材料焊接领域，具体为一种大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法。


背景技术：

2.niti形状记忆合金(shape memory alloy，简称sma)作为一种特殊的形状记忆材料，凭借其良好的形状记忆效应(shape memory effect，简称sme)、超弹性(pseudoelasticity)以及优异的生物相容性和高阻尼性，已经成为实用化程度最高的形状记忆材料。目前，在航天航空、原子能、机械电子、海洋开发、仪器仪表以及医疗领域等具有广阔的应用前景，被人们称之为“跨越21世纪的理想材料”。经过数十年的发展，如今对于niti合金的成分设计和制备工艺、各相晶体结构、热弹性马氏体相变、多孔sma的制备等方面的研究工作已经日趋成熟。随着niti sma在各个领域的广泛应用，开展niti sma连接技术的研究工作显得越发迫切和重要。
3.不锈钢与niti同为常用的生物医用材料，将niti与不锈钢进行连接，niti/不锈钢的复合结构可使不锈钢高强高韧性、耐腐蚀性能与sma的形状记忆功能和超弹性结合起来，能充分发挥两种材料性能上的优势得到优异综合性能的构件。目前，这种结构的材料拥有良好的应用前景，尤其在骨科(如：治疗关节骨折的形状记忆植入物、弓形主动记忆加压接骨器、髋骨修复术术中的形状记忆双杯等)、牙科(如：正畸牙弓丝、牙髓针、口腔正畸用拉簧和推簧)以及介入医疗(如：冠心病介入治疗、非血管支架介入治疗)等领域得到广泛的应用。
4.传统的熔化焊工艺在对niti和不锈钢进行焊接时，由于母材化学成分上的巨大差异，焊缝中往往会出现大量脆性金属间化合物(如：fe2ti)。这类脆性的金属间化合物在焊接残余应力的作用下很容易使焊缝发生开裂。现有的研究大多采用添加中间层的方式来抑制焊缝区脆性金属间化合物的析出，然而这种方法只在焊接丝材以及厚度很薄的板材时适用。在焊接大尺寸niti和不锈钢构件时，由于拘束维度的增加，会导致焊接残余应力极大增加，焊缝往往更容易发生开裂，传统的方法已经不能保证焊接的质量。迄今为止仍未能找到一种适合大尺寸niti合金与不锈钢构件的连接方法。因此，设计一种适合大尺寸niti/不锈钢构件的焊接工艺，是当前研究的热点，也是急需解决的应用瓶颈。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，利用激光熔覆工艺在先niti合金表面形成一层ni的熔覆层，再利用真空电子束来进行焊接，该方法解决两种材料在焊接时由于产生脆性相以及焊接残余应力过大而导致的焊缝开裂的问题，能显著提高大尺寸niti与304不锈钢异种材料焊接头性能及可靠性。
6.本发明技术方案如下：
7.一种大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，该方法按照以下步骤实
现：
8.[a]将niti形状记忆合金基材表面用1000#砂纸打磨光洁后，分别用丙酮、酒精进行超声波清洗去除油污，并固定在工作台上；
[0009]
[b]利用同步送粉激光成型设备在准备好的niti形状记忆合金基材上熔覆1～4mm厚的ni熔覆层；所选用ni粉的粒度为45～105μm，纯度大于99wt％；激光熔覆的参数范围如下：激光功率1400～2500w，送粉量10～15g/min，氩气保护0.1～0.3mpa；
[0010]
[c]待激光熔覆程序完成后，将熔覆完成的niti形状记忆合金基材冷却至室温后取出，与不锈钢组成待焊工件固定到夹具上，夹具两端施加压应力保证待焊工件贴合紧密；
[0011]
[d]将步骤c中的待焊工件连同夹具一起放入电子束焊机的真空室内，对真空室抽真空至10-2
～10-3
pa后，进行真空电子束焊接；
[0012]
[e]待真空电子束焊接程序完成后，先在真空下冷却5～15min，再去除真空并取出工件，完成niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接。
[0013]
所述的大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，niti形状记忆合金成分为niti近等原子比，ni与ti的原子比为(50～55):(45～50)；niti形状记忆合金具有b2～b19'马氏体相变而获得形状记忆效应和超弹性，其性能指标如下：室温下屈服强度达到340～360mpa，抗拉强度达到800～830mpa。
[0014]
所述的大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，步骤c中，在niti形状记忆合金基材表面完成ni熔覆层的激光熔覆后，需要对ni熔覆层表面进行磨削加工，使其光滑平整，显现出金属光泽。
[0015]
所述的大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，步骤d中，选择具有穿透能力强、能量转化率高、加热冷却速度快的电子束流作为施焊热源，有效抑制析出相的产生。
[0016]
所述的大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，步骤d中，真空电子束焊接参数范围如下：
[0017]
焊接速度为300mm/min～2000mm/min；加速电压为30kv～60kv；聚焦电流为1500ma～5000ma；电子束电流为5ma～50ma；工作距离为100mm～400mm。
[0018]
所述的大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，在niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接完成后，室温下焊接处的抗拉强度达到240～280mpa。
[0019]
本发明的设计思路是：
[0020]
现有的研究大多采用添加中间层的方式来抑制焊缝区脆性金属间化合物的析出，然而这种方法只在焊接丝材以及厚度很薄的板材时适用。在焊接大尺寸niti合金和不锈钢构件时，由于拘束维度的增加，会导致焊接残余应力极大增加，焊缝往往更容易发生开裂。通过激光熔覆工艺，在niti合金基材表面熔覆一定厚度的ni，可以避免在焊接时两种母材的直接接触而产生脆性的fe2ti相，同时这种方法可以使焊缝区完全奥氏体化，极大提高了焊缝区塑性，有效降低焊接残余应力。
[0021]
本发明的优点及有益效果是：
[0022]
1、本发明在niti合金基材表面激光熔覆一定厚度的ni后，可以避免焊接时niti母材中的ti元素与不锈钢中的fe元素在熔化时接触，彻底断绝了fe2ti相在焊缝内产生的可能性。
[0023]
2、本发明ni熔覆层能使焊缝区完全奥氏体化，提高焊缝区塑性，降低焊接残余应力。
[0024]
3、本发明所采用的激光熔覆工艺可以适用于各种大尺寸以及复杂的构件，能极大拓宽此类异种材料焊接构件的应用范围。
[0025]
4、本发明制备的niti形状记忆合金与不锈钢焊接头成型良好，室温抗拉强度能达到240～280mpa。
附图说明
[0026]
图1为焊接示意图。
[0027]
图2为在niti基体上激光熔覆ni后的组织形貌。
[0028]
图3为熔覆样品稀释区的组织形貌。
[0029]
图4为焊件拉伸断口照片。
具体实施方式
[0030]
在具体实施过程中，传统的熔化焊工艺在对niti和不锈钢进行焊接时，由于母材化学成分上的巨大差异，焊缝中往往会出现大量脆性金属间化合物(如：fe2ti)。这类脆性的金属间化合物在焊接残余应力的作用下很容易使焊缝发生开裂。现有的研究大多采用添加中间层的方式来抑制焊缝区脆性金属间化合物的析出，然而这种方法只能在焊接丝材以及厚度很薄的板材时适用。在焊接厚度大于1mm以上的大尺寸niti和不锈钢构件时，由于拘束维度的增加，会导致焊接残余应力极大增加，焊缝往往更容易发生开裂，传统的方法已经不能保证焊接的质量。
[0031]
如图1所示，本发明通过激光熔覆工艺，在niti合金表面熔覆一定厚度的ni，形成ni熔覆层，将ni熔覆层表面进行打磨清理后，再完成与不锈钢之间的真空电子束焊接。从而，通过在niti合金表面激光熔覆ni的方法，可以避免在焊接时两种母材的直接接触而产生脆性的fe2ti相，同时这种方法可以使焊缝区完全奥氏体化，极大提高了焊缝区塑性，有效降低焊接残余应力，最大程度的保证了焊件的可靠性和强度，为大尺寸niti/不锈钢焊接构件提供了有效的解决方案，经过优化后最高的焊接强度可达到280mpa。
[0032]
本发明中，实验材料为近等原子比的niti合金，其中ni与ti的原子比为50.8:49.2；不锈钢选用304奥氏体不锈钢(ss)，其成分按质量百分比计，铬：18.01％，镍：8.06％，锰：1.01％，硅：0.62％，碳：0.039％，余量为铁。
[0033]
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例中，大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法如下：
[0036]
首先将尺寸为40
×
30
×
20mm的niti合金块状样品表面打磨光洁，然后分别用丙酮、酒精溶剂进行超声波清洗去除油污，并固定在激光熔覆的三轴工作台上。选用粒度为60μm、纯度大于99wt％的ni粉，利用激光同步送粉设备在niti合金表面熔覆3mm的ni熔覆层。所选用的参数为：激光功率1400w，送粉量10g/min，氩气保护0.1mpa。待激光熔覆程序完成后，将熔覆完成的样品冷却后取出，对熔覆层表面进行磨削加工，使其平整光洁并将其切割成厚度为2.8mm厚的板材。与同样进行过表面处理(磨削加工使其平整光洁)的不锈钢组成
待焊工件固定到夹具上，夹具两端施加一定的压应力，以保证焊件贴合紧密。
[0037]
将待焊工件连同夹具一起放入电子束焊机的真空室内，对真空室抽真空至2
×
10-3
pa后，进行真空电子束焊接。真空电子束焊接参数如下：焊接速度为1000mm/min，加速电压为60kv，聚焦电流为2325ma，电子束电流为13ma，工作距离为260mm。待真空电子束焊接程序完成后，先在真空下冷却10min，再去除真空并取出工件，完成niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接。
[0038]
本实施例中，在niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接完成后，室温下焊接处的抗拉强度可以达到240mpa。
[0039]
实施例2
[0040]
本实施例中，大尺寸niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法如下：
[0041]
首先将尺寸为40
×
30
×
20mm的niti合金块状样品表面打磨光洁，然后分别用丙酮、酒精溶剂进行超声波清洗去除油污，并固定在激光熔覆的三轴工作台上。选用粒度为90μm、纯度大于99wt％的ni粉，利用激光同步送粉设备在niti合金表面熔覆2mm的ni熔覆层。所选用的参数为：激光功率1800w，送粉量12g/min，氩气保护0.2mpa。待激光熔覆程序完成后，将熔覆完成的样品冷却后取出，对熔覆层表面进行磨削加工，使其平整光洁并将其切割成厚度为3.4mm的板材。与同样进行过表面处理(磨削加工使其平整光洁)的不锈钢组成待焊工件固定到夹具上，夹具两端施加一定的压应力，以保证焊件贴合紧密。
[0042]
将待焊工件连同夹具一起放入电子束焊机的真空室内，对真空室抽真空至3
×
10-3
pa后，进行真空电子束焊接。真空电子束焊接参数如下：焊接速度为800mm/min，加速电压为40kv，聚焦电流为2325ma，电子束电流为15ma，工作距离为150mm。待真空电子束焊接程序完成后，先在真空下冷却15min，再去除真空并取出工件，完成niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接。
[0043]
本实施例中，在niti形状记忆合金与不锈钢构件的焊接完成后，室温下焊接处的抗拉强度可以达到280mpa。
[0044]
如图2所示，实施例中激光熔覆样品的微观形貌。图中下面部分为niti基材，上面部分为ni熔覆层，两部分之间存在一个稀释区(白色虚线画出)。
[0045]
如图3所示，实施例中稀释区的组织形貌。从图中可以看到，稀释区主要由两相组成：b2相(深色)和ni3ti相浅色，两相以凝固枝晶的形态存在。
[0046]
如图4所示，实施例中niti母材与不锈钢母材焊接件进行拉伸测试后的情况。从图中可以看到，断裂发生的位置位于稀释区而不是焊缝内部，焊缝强度获得了极大提高。
[0047]
实施例1和实施例2两种工艺得到的焊件强度如下表所示：
[0048]
表1
[0049] 实施例1实施例2niti母材不锈钢母材r
p0.2
(mpa)
--
340316rm(mpa)240280816779
[0050]
实施结果表明，本发明方法通过在niti合金基材表面激光熔覆ni中间层，再利用真空电子束焊来实现niti和不锈钢两种材料的焊接。避免了焊缝中脆性相的析出，最大程度的保证焊接头的力学性能，经过参数优化后的电子束焊接接头室温强度可以达到240～280mpa。