一種鈦鎳形狀記憶合金與異種輕金屬的雷射釺焊方法
2023-06-12 19:55:26 1
專利名稱：一種鈦鎳形狀記憶合金與異種輕金屬的雷射釺焊方法
技術領域：
本發明屬於異種材料連接技術領域，具體涉及TiNi形狀記憶合金與異種輕金屬的超聲輔助雷射釺焊連接方法。
背景技術：
新材料的研究和應用已經成為現代高科技的一個重要組成部分。TiNi形狀記憶合金具有很高的能量密度，不會引起重量的顯著增加，同時兼有溫度傳感器及執行元件兩種功能，與高合金鋼或鋁合金相比，鈦合金具有密度小、強度高、耐熱性及耐腐蝕性能好的特點，因此，這兩種材料在航空航天工業領域得到廣泛應用，例如:飛機進氣道變形驅動器、飛機機架以及航空發動機葉片 等。而形狀記憶合金驅動器與飛機機身鈦合金結構的連接方式主要是鉚接，如果採用焊接方式代替鉚接，不僅可以降低飛機重量，而且可以簡化飛機機身的機械結構，提高飛機服役壽命。目前，對於TiNi形狀記憶合金與鈦合金連接技術的研究，國內外鮮有報導，主要採用雷射焊技術。中國的宋鵬等人採用雷射焊接1.2mm厚的TiNi形狀記憶合金和1.5mm厚的TC4鈦合金，研究結果表明，焊縫中存在Ti2Ni和TiNi金屬間化合物，焊縫具有較大的裂紋傾向，在焊接應力的作用下焊縫產生裂紋(宋鵬，朱穎，郭偉等.TiNi形狀記憶合金和TC4的雷射焊接裂紋產生機理分析.2011全國計算機輔助焊接工程學術研討會，2011，174-179)。英國的J.Hora採用Nd-YAG雷射點焊設備對0.5mm厚的TiNi形狀記憶合金與厚度為0.1lmm的TC4進行連接，研究結果表明，由於焊核中聚集的熱輸入過多，導致部分元素蒸發，在焊核熔核區內部存在裂紋(J.Hora, Laser Microwelding of Ti and N1-Ti ShapeMemory Alloys, Msc Thesis, Cranfield University, Bedfordshire, UK, 2004.X總的來說，TiNi形狀記憶合金的組織與性能對溫度和成分變化極其敏感，與異種金屬的連接主要存在兩個關鍵問題:1)焊接溫度接近或者超過TiNi形狀記憶合金熔點會嚴重影響其形狀記憶性能，而焊接溫度較低又很難獲得高強度的接頭；2) TiNi形狀記憶合金和異種金屬連接界面發生一定的擴散有利於提高接頭強度，但界面元素過分分散，擴散層過厚可能會影響TiNi形狀記憶合金母材和接頭的形狀記憶特性。對於鈦合金與異種金屬的連接來說，由於鈦合金會在750°C -1040°C範圍內發生同素異構轉變，組織顯著粗化，降低材料性能。因此，欲獲得高強度的接頭，而同時又保證母材和接頭的形狀記憶特性，關鍵是控制焊接溫度和接頭元素的擴散。目前，尚未見到關於TiNi形狀記憶合金與鈦合金的超聲振動輔助雷射釺焊技術的報導。
發明內容
本發明的目的在於解決現有TiNi形狀記憶合金與異種輕金屬尤其是鈦合金(TC4)連接技術的不足，提供一種TiNi形狀記憶合金與異種輕質金屬的連接方法。本發明所提供的方法包括以下步驟:(I)將TiNi形狀記憶合金和異種輕金屬的待焊面打磨平整後，在酒精溶劑中超聲波清洗去除油汙，並乾燥；(2)將釺料塊表面打磨平整，置於酒精溶劑中超聲清洗，並乾燥；釺料的成分範圍(重量百分比):A1:80-90% ；S1:10-15% ；Zn:0-5% ；Ag:0-5% ；Ti:0-5% ;熔點 580°C -600°C ；(3)焊接採用搭接方式，將異種輕金屬作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料置於下板TiNi形狀記憶合金上，並緊貼異種輕金屬的搭接端，採用雷射對釺料加熱，待釺料下塌熔化後，在下板TiNi形狀記憶合金的邊緣加載超聲波振動，並同時繼續加熱異種輕質金屬，促使釺料填充焊縫，最後空冷取出；其中雷射熱輸入功率能夠使釺料融化，且對異種輕金屬和TiNi形狀記憶合金的強度無影響，超聲波振動時間能夠使得熔化的釺料填充到上下板間隙中。雷射加熱釺料的時間不同，可以使釺料和異種輕金屬在界面處形成的擴散層的厚度不同，擴散層的厚度範圍約為 0.04mm-0.15mm。優選異種輕金屬為TC4鈦合金，雷射輸入功率400-500W，超聲波振動時間
0.5-2.0s，雷射加熱釺料和TC4鈦合金的時間不超過5min，優選2_4min。本發明的原理:鑑於650°C是近等原子比TiNi形狀記憶合金抗拉強度變化的臨界轉變溫度，而TC4鈦合金的β相臨界相變溫度達到1000°C，因此，對TiNi形狀記憶合金與鈦合金的焊接溫度應該最好控制在650°C以下。選用低熔點的Al基釺料(熔點小於600°C )。在焊件上輔助施加超聲波振動，通過雷射釺焊對TiNi形狀記憶合金與異種輕質金屬(TC4)進行連接。利用雷射釺焊具有能量輸入精確可控性，精確控制焊接溫度，減少高溫對母材性能的影響，同時利用超聲振動產生的空化作用進一步去除母材和釺料表面的氧化膜，促進釺料填縫，最終完成TiNi形狀記憶合金與TC4的連接。與現有TiNi形狀記憶合金與異 種輕金屬(TC4)的連接技術相比較，本發明具有以下有益效果:1.降低TiNi形狀記憶合金與鈦合金(TC4)的焊接溫度至650°C以下，焊接過程對母材(TiNi形狀記憶合金)的組織和性能影響小。2.可以實現釺焊過程中無釺劑連接。利用超聲振動產生的空化效應去除母材和釺料表面的氧化膜，代替釺劑去除氧化膜，消除釺劑殘留對接頭焊縫組織性能的影響。3.獲得高強度和無缺陷的釺焊接頭。雷射釺焊熱輸入能量的精確可控性，通過適當調整焊接熱輸入和焊接時間，控制焊接過程中，釺料和母材間元素的擴散反應和擴散層厚度，提高焊接接頭的力學性能。在適當參數下，TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金接頭無任何缺陷，其拉剪強度範圍81.2MPa-134.9MPa。
圖1超聲輔助雷射釺焊示意圖，其中，I為雷射光源、2為上板TC4合金、3為下板TiNi合金、4為釺料、5為超聲波壓頭。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。實施例1
1.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金分別切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；
2.將尺寸為IOmmX 3mmX 3mm的A185SilOZn2Ag2Til的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.焊接採用搭接方式，將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板上，並貼緊上板的搭接端上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為500W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱4min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間1.0s，促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.1mm,剪切強度達126.2MPa。實施例21.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3_的A183Sil2Zn2Ag2Til的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.焊接採用搭接方式，將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為500W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱4min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間2.0s，促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.12mm,剪切強度達134.93MPa。實施例31.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3_的A180Sil0Zn6Ag2Ti2的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為500W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱2min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間1.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.08mm,剪切強度達104.04MPa。實施例41.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10臟父311111^3111111的41853丨82114482111的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為500W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱2min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間2.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。
焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.06mm,剪切強度達98.79MPa。實施例51.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3_的A185Sil2ZnlAglTil的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為400W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱4min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間1.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.08mm,剪切強度達103.38MPa。實施例61.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3mm的A185Si8Zn2Ag2Ti3的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為400W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱4mi·n後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間2.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.06mm,剪切強度達97.82MPa。實施例71.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3_的A180Sil0Zn4Ag4Ti2的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為400W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱2min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間1.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.05mm,剪切強度達86.69MPa。實施例81.將TiNi形狀記憶合金與TC4鈦合金切成50mmX IOmmX 3mm的板條狀，打磨平整並有表面金屬光澤後，放入酒精溶劑中超聲波清洗15min，擦淨晾乾；2.將尺寸為10_X3_X3_的A180Sil0Zn5Ag4Til的釺料在砂紙上打磨平整光滑後，放入酒精溶劑中超聲清洗15min，擦淨晾乾；3.將TC4鈦合金作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料塊置於下板母材，並靠近上下板材間隙處，打開雷射器，將光斑對準釺料，調整雷射熱輸入功率為400W，待釺料下塌熔化後，雷射繼續加熱2min後，在下板母材邊緣加載超聲振動，超聲時間2.0s,促使釺料填縫，待超聲振動結束後，關閉雷射器，空冷取出試樣。焊接 接頭基體母材發生擴散，擴散層厚度為0.04mm,剪切強度達81.20MPa。
權利要求
1.一種鈦鎳形狀記憶合金與異種輕金屬的雷射釺焊方法，其特徵在於，是採用超聲振動輔助雷射釺焊的方法，具體包括以下步驟: (1)將TiNi形狀記憶合金和異種輕金屬的待焊面打磨平整後，在酒精溶劑中超聲波清洗去除油汙，並乾燥； (2)將釺料塊表面打磨平整，置於酒精溶劑中超聲清洗，並乾燥；釺料的成分範圍(重量百分比):A1:80-90% ；S1:10-15% ；Zn:0-5% ；Ag:0-5% ；Ti:0-5% ;熔點 580°C -600°C ； (3)焊接採用搭接方式，將異種輕金屬作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料置於下板TiNi形狀記憶合金上，並緊貼異種輕金屬的搭接端，採用雷射對釺料加熱，待釺料下塌熔化後，在下板TiNi形狀記憶合金的邊緣加載超聲波振動，並同時繼續加熱異種金屬，促使釺料填充焊縫，最後空冷取出； 其中雷射熱輸入功率能夠使釺料融化，且對異種輕金屬和TiNi形狀記憶合金的強度無影響，超聲波振動時間能夠使得熔化的釺料填充到上下板間隙中，雷射加熱釺料的時間為使得釺料和異種輕金屬形成的擴散層的厚度為0.04-0.15mm。
2.按照權利要求1的方法，其特徵在於，異種輕金屬為TC4鈦合金。
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於，雷射輸入功率400w-500w，超聲波振動時間0.5s-2.0s，雷射加熱釺料和TC4鈦合金的時間不超過5min。
4.按照權利 要求3的方法，其特徵在於，雷射加熱釺料和TC4鈦合金的時間為2-4min。
全文摘要
一種鈦鎳形狀記憶合金與異種輕金屬的雷射釺焊方法，屬於異種材料連接技術領域。TiNi形狀記憶合金和異種輕金屬的待焊面打磨平整後，清洗乾燥；焊接採用搭接方式，將異種輕金屬作為上板，搭接在下板TiNi形狀記憶合金上，將釺料置於下板TiNi形狀記憶合金上，並緊貼異種輕金屬的搭接端，採用雷射對釺料加熱，待釺料下塌熔化後，在下板TiNi形狀記憶合金的邊緣加載超聲波振動，促使釺料填充焊縫，最後空冷取出。本發明能獲得高強度和無缺陷的釺焊接頭。
文檔編號B23K1/20GK103231136SQ201310106120
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者李紅, 陶博浩, 聶海傑, 郭福, 慄卓新 申請人:北京工業大學