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

本发明专利技术涉及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。该方法通过激光熔覆工艺在NiTi合金表面形成了一定厚度的Ni熔覆层。将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。本发明专利技术通过在NiTi合金基材表面激光熔覆Ni的方法，使焊缝区完全奥氏体化，同时避免了Fe2Ti等脆性相的产生，极大提高了焊缝区塑性，降低了焊接残余应力，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。280MPa。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸NiTi形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法


[0001]本专利技术涉及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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术技术方案如下：
[0007]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：
[0008][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]本专利技术的设计思路是：
[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]本专利技术的优点及有益效果是：
[0022]1、本专利技术在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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术制备的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为熔覆样品稀释区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸NiTi形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实现：[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；[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；[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；[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；[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。2.根据权利要求1所述的大尺寸NiTi形状记忆合金与不锈钢构件的焊接方法，其特征在于，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):(...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海昌，牛浩，赵明久，胡小锋，陈胜虎，戎利建，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：