CN108705199B - 一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料焊(连)接技术领域，具体涉及一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法。其主要是使用线切割将待焊金属板的坡口切割成可进行搭接焊接的坡口，并对Ti6Al4V合金和Ni‑Ti合金板的中心线大面积搭接处采用搅拌摩擦焊接，在Ti6Al4V板切割成的坡口表面镀一层铌，以铌作为过渡金属层与Ni‑Ti合金连接，在两种金属的表面交界处使用激光焊接方法并在焊接过程中添加铌金属粉末进行双面焊接。通过对两种金属搭接的横向和纵向交界处采用不同的方法进行焊接，提高了焊接件在受到不同方向的力的作用时焊接件的服役能力，提高了焊接件的使用寿命，具有广泛的应用前景。

Description

一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法
技术领域
本发明涉及金属材料焊(连)接技术领域，具体涉及一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，能够有效地提高异种金属焊接件在工业应用中的服役寿命。
背景技术
Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金焊接主要用于生物医疗和航空领域，Ni-Ti合金的最主要的性能是具有记忆合金功能同时还具有较好的物理性能和抗疲劳破坏，抗腐蚀等性能，这大大地提高了该合金的广泛应用。Ti6Al4V是在航空、核电、化学和生物领域使用最为广泛的一种合金。在实际的生产应用中，这些金属材料正在被集成到高度复杂的整体***中，因此需要对这两种性质不同的金属进行焊(连)接，由于Ni-Ti合金和Ti6Al4V在物理和化学成分上的差异，导致直接焊接这两种金属容易导致脆性金属间化合物(Ti2Ni,Ni3Ti和Al3Ti)的产生。
目前对异种金属进行焊接一般采用搅拌摩擦焊接和激光焊接等技术。其中，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104～105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105～107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。搅拌摩擦焊接是通过搅拌头的快速旋转，使待焊金属发生热塑性变形，在夹具的力的作用下实现异种金属的连接的一种方式。使用这两种焊接方法对异种金属焊接件进行焊接，均存在焊接过程中易产生脆性相的问题，容易导致焊接件发生脆性断裂，严重影响焊接质量。
发明内容
本发明提出一种使用铌作为中间层的NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，能够有效地解决异种金属焊接件在服役过程中的脆性断裂问题，减少焊接变形，从而有效地改善异种金属焊接件的力学性能，提高焊接件在实际应用中的使用寿命。
本方法是综合搅拌摩擦焊接和激光焊接的优点，在Ti6Al4V表面镀一层金属铌镀层，以金属铌作为过渡金属层与Ni-Ti接触并采用搅拌摩擦焊进行连接，在搅拌摩擦搭接焊接后的两种金属表面交界处使用激光双面焊接方法，并在焊接过程中添加铌粉末，阻止Al-Ti脆性相的产生。本方法可以有效地解决异种金属焊接件易发生脆性断裂的问题并且有效地提高了焊接质量，具有很强的新颖性和创造性。
本发明采用的技术方案，具体步骤如下：
(1)将两块厚度均为A的Ni-Ti合金板和Ti6Al4V合金板切割成能够进行搭接焊接的坡口类型，切割后的板材坡口厚度均为B。
(2)对Ti6Al4V的坡口上表面进行毛化处理，毛化处理的区域为距离坡口边缘分别为5mm的矩形区域，毛化区域的表面粗糙度大于等于5μm；使用丙酮溶液对Ti6Al4V的坡口上表面进行清洗，去除表面油污和粉尘。
(3)在Ti6Al4V毛化处理后的表面镀一层铌，并对铌镀层表面进行打磨，使铌镀层的厚度为C，板材厚度A，切割后的板材坡口厚度B和铌镀层厚度C之间满足关系：2B+C＝A。
(4)使用光斑形状为圆形，光斑直径为3mm，脉宽为20ns，搭接率为50％，脉冲能量为8J的激光对铌镀层表面进行激光冲击，增强铌镀层与Ti6Al4V合金表面的结合强度。
(5)使用搅拌摩擦焊完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金在中心线横向交界处直接的连接：组成Ni-Ti合金板在上，Ti6Al4V合金板在下的搭接接头，在夹具力的作用下使Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金以及镀铌层紧密接触，对Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金进行搅拌摩擦焊接，摩擦搅拌焊接过程中，控制搅拌针端部穿过铌镀层并且扎入Ti6Al4V合金板，搅拌摩擦焊接的参数为焊具的转速为1500r/min，焊接速度为4mm/s，搅拌头倾角为1°，搅拌头肩部后缘挤入工件深为0.3mm。
(6)使用激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率2～10Hz的激光进行焊接，焊接过程中在待焊的表面纵向交界处添加铌粉末，对Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金进行表面纵向交界处的有效连接，至此，完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金的异种金属复合焊接。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述方法的具体操作步骤流程图。
图2为本文具体实施案例焊接坡口示意图。
图3为本文所述复合焊接方法示意图。
图4为横向交界处、纵向交界处示意图。
表1为本文具体实施案例性能测试数据对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例采用Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金作为实施对象，具体尺寸如图2所示。
一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法的实例，其具体步骤为：
(1)将两块厚度为10mm钢板切割成可以进行搭接焊接的坡口类型，切割后的板材坡口厚度均为4.5mm。
(2)对Ti6Al4V的坡口上表面进行毛化处理，毛化处理的区域为距离坡口边缘分别为5mm的矩形区域，毛化区域的表面粗糙度大于等于5μm。使用丙酮溶液对Ti6Al4V的表面进行清洗，去除表面油污和粉尘，
(3)在Ti6Al4V表面镀一层铌，并对铌镀层表面进行打磨，使铌镀层的厚度为1mm。
(4)使用光斑形状为圆形，光斑直径为3mm，脉宽为20ns，搭接率为50％，脉冲能量为8J的激光对铌镀层表面进行激光冲击，增强铌镀层与Ti6Al4V表面的结合强度。
(5)使用搅拌摩擦焊完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金在中心线横向交界处直接的连接：组成Ni-Ti合金板在上，Ti6Al4V合金板在下的搭接接头，在夹具的作用下使Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金以及镀铌层达到紧密接触，对Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金进行搅拌摩擦焊接，摩擦搅拌焊接过程中，控制搅拌针端部穿过铌镀层并且扎入Ti6Al4V合金板，搅拌摩擦焊接的参数为焊具的转速为1500r/min，焊接速度为4mm/s，搅拌头倾角为1°，搅拌头肩部后缘挤入工件深为0.3mm。
(6)使用激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ns，脉冲频率2～10Hz的激光焊接方法在焊接过程中添加铌粉末，对Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金进行表面纵向交界处的有效连接，至此，完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金的异种金属复合焊接。
(7)对使用本方法进行焊接的焊接件进行拉伸实验测试焊接件的强度作为对比组1。
(8)对尺寸相同的Ti6Al4V板材和Ni-Ti合金板材使用激光焊接方法进行对接焊接，激光焊接参数为激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ns，脉冲频率2～10Hz。采用对接焊，V形坡口，不采用铌粉末。对焊接完成的焊接接头进行拉伸实验测试。测量焊接件的强度作为对比组2。
对比对比组1和对比组2的拉伸性能可知，该焊接方法有效地改善了焊接件的易发生脆性断裂的问题，提高了焊接件的力学性能。
表1
抗拉伸性能 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断面收缩率/％ 断后伸长率/％
对比组1 1300 1155 34.7 10.4
对比组2 1011 898 12.4 6.7

Claims (6)

1.一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，使用线切割将Ni-Ti和Ti6Al4V金属板切割成能够在同一水平面进行搭接焊的坡口类型，对于Ti6Al4V和Ni-Ti合金板的坡口大面积接触的表面，在Ti6Al4V表面镀一层金属铌，以金属铌作为过渡金属层与Ni-Ti接触并采用搅拌摩擦焊进行连接，并在搅拌摩擦搭接焊接后的两种金属表面交界处使用激光双面焊接方法，并在激光焊接过程中添加铌粉末，阻止Al-Ti脆性相的产生，具体步骤如下：
(1)将两块厚度均为A的Ni-Ti合金板和Ti6Al4V合金板切割成能够进行搭接焊接的坡口类型，切割后的板材坡口厚度均为B；
(2)对Ti6Al4V的坡口上表面进行毛化处理；使用丙酮溶液对Ti6Al4V的坡口上表面进行清洗，去除表面油污和粉尘；
(3)在Ti6Al4V毛化处理后的表面镀一层铌，并对铌镀层表面进行打磨，使铌镀层的厚度为C；
(4)使用激光对铌镀层表面进行激光冲击，增强铌镀层与Ti6Al4V合金表面的结合强度；
(5)使用搅拌摩擦焊完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金在中心线横向交界处直接的连接：组成Ni-Ti合金板在上，Ti6Al4V合金板在下的搭接接头，在夹具力的作用下使Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金以及镀铌层紧密接触，对Ti6Al4V合金和Ni-Ti合金进行搅拌摩擦焊接；
(6)使用激光进行焊接，焊接过程中在待焊的表面纵向交界处添加铌粉末，对Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金进行表面纵向交界处的有效连接，至此，完成Ni-Ti合金和Ti6Al4V合金的异种金属复合焊接。
2.如权利要求1所述的一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，毛化处理的区域为距离坡口边缘为5mm的矩形区域，毛化区域的表面粗糙度大于等于5μm。
3.如权利要求1所述的一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，板材厚度A，切割后的板材坡口厚度B和铌镀层厚度C之间满足关系：2B+C＝A。
4.如权利要求1所述的一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，激光冲击使用光斑形状为圆形，光斑直径为3mm，脉宽为20ns，搭接率为50％，脉冲能量为8J的激光对铌镀层表面进行激光冲击。
5.如权利要求1所述的一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，步骤(5)中，摩擦搅拌焊接过程中，控制搅拌针端部穿过铌镀层并且扎入Ti6Al4V合金板，使三种金属同时发生热塑性变形并进行焊接；搅拌摩擦焊接的参数为焊具的转速为1500r/min，焊接速度为4mm/s，搅拌头倾角为1°，搅拌头肩部后缘挤入工件深为0.3mm。
6.如权利要求1所述的一种NiTi和Ti6Al4V异种金属复合焊接方法，其特征在于，步骤(6)中，激光功率350～400W，激光控制电流40～100A，脉冲宽度10～20ms，脉冲频率2～10Hz。
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