一种镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法与流程

本发明属于金属材料界面焊接工艺领域，具体而言，涉及一种镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头焊接方法。

背景技术：

镍钛形状记忆合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性，比强度高，抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和良好的生物相容性等特点，广泛应用于航空航天、仪器仪表和医疗器材等领域，但其成本较高，应用仍有较大的局限性。常将镍钛形状记忆合金与其它材料复合使用，例如将镍钛合金与医用不锈钢复合，作为导丝应用，不但利用了镍钛合金的特性，展现出导丝的柔顺性和超弹性，同时又利用了不锈钢的高强度来达到将导丝推送入血管，并实现体外控制和扭转操作，而不锈钢与镍钛合金连接存在以下难点：1、镍的熔点为1453度、钛熔点为1668度、铁熔点为1535度，这种热熔温度差别表现在当两者进行焊接时，由于熔点不同，热熔及热固化的温度差导致互熔困难；2、焊接时焊接界面容易形成易脆的ti-fe金属间化合物及裂纹；3、焊接过程中极易导致氧化，同时由于互溶，导致互熔部分改变了镍钛形状记忆合金成分和组织，异质结构的形状记忆效应和超弹性受到严重影响。

上述问题已成为制约形状记忆合金和不锈钢异种金属结构在医疗、航空航天等领域广泛使用的主要技术瓶颈，因此，研发镍钛形状记忆合金和不锈钢异种金属高质量连接技术具有重要的实际工程应用价值和广阔的应用前景，对此科技工作者做了许多工作，例如专利cn105562867a公开了以镍或银焊料为中间层，采用极小熔焊焊点结合转动熔焊焊接部位的多点焊接方法实现镍钛合金与不锈钢的焊接。但是该方法只适用于细小导丝，当焊接面较大时接头性能则会显著降低。专利cn104942462a公开的则在焊接钛与管线钢时采用cu-v-nb焊丝，该焊丝包括紫铜药皮与铌粉与钒粉混合得到的焊芯，由于铜与钛互溶性很小，物理和化学性能存在较大差异，在焊接热作用下极易形成tixcuy型脆性金属间化合物，还易形成低熔点共晶物，焊接性较差。专利cn102152017a公开了采用纯铜作为tini形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料的中间层焊料，虽然接头抗拉强度高达490mpa以上，但是其延伸率最高仅达到5.2％。

技术实现要素：

基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种新的镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，该方法实现了镍钛形状记忆合金与不锈钢的有效焊接，避免了镍钛形状记忆合金与不锈焊接时出现的问题，焊接得到的异质接头兼具有一定的抗拉强度和良好的延伸率。

为了实现本发明的上述目的，通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：

一种镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，在镍钛形状记忆合金与不锈钢间加入两层中间层焊料，并通过两次焊接完成，所述的两层中间层焊料为v金属层与nb金属层，其中不锈钢与v金属层结合界面为界面1，v金属层与nb金属层结合界面为界面2，nb金属层与镍钛形状记忆合金结合界面为界面3，第一次焊接时，焊接热源焦点位于不锈钢上，第二次焊接时，焊接热源焦点位于v金属层上，其产生的热量经过nb金属层传导到界面3时，高于nb金属层与镍钛形状记忆合金的共晶反应温度，且靠近界面3附近有未熔化nb金属层。

如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，包括如下步骤：

a中间层焊料的确定：在不锈钢与镍钛形状记忆合金接触界面间加入两层中间层焊料，界面1、界面2和界面3均不留间隙，v金属层宽为0.8-1.0mm,nb金属层宽为0.6-0.8mm；

b热源位置确定：采用激光焊接方式，第一次焊接时将激光光斑置于不锈钢侧距离界面1为0.3-0.5mm位置处；第二次焊接时将激光光斑置于v金属层上，距离界面2为0.1-0.3mm位置处；

c热输出控制：第一次焊接时控制激光热源输出的热量，使界面1熔化，界面2和界面3不发生熔化，同时在界面1和界面2之间存在未熔化的v金属层；第二次焊接时，控制激光热源输出的热量，界面1不受影响，使界面2熔化，同时保证靠近界面3附近有未熔化的nb金属层，并且经热传导到界面3的温度高于nb/niti共晶温度；最终在界面1和界面2处形成熔化焊焊缝，而在界面3处形成接触反应钎焊焊缝。

优选地，如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，在进行c热输出控制步骤时，对熔化区及热影响区进行惰性气体保护。

优选地，如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，所述v金属层和nb金属层分别纯v和纯nb焊丝。

优选地，如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，第一次焊接参数中激光功率为600w-800w，离焦量为0-1mm，焊接速度为1m/min-1.4m/min；第二次焊接参数中激光功率为500w-600w，离焦量为0-1mm，焊接速度为1.4m/min-1.7m/min；两次焊接时，保护气体流量均为正面15-17l/min，背面8-12l/min。

优选地，如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，所述镍钛形状记忆合金为镍钛原子百分比为55.7:44.3的合金，这里的原子百分比即为两种元素原子个数之比。

优选地，如上所述镍钛形状记忆合金与不锈钢异质接头连接方法，所述不锈钢为304不锈钢或316不锈钢等常见不锈钢材料。

本发明相对于现有技术，具有如下技术效果：

(1)本发明方法基于铁与钒无金属间化合物形成，钒与铌无限互溶，而铌与镍钛形状记忆合金可发生共晶反应而无金属间化合物形成，通过精确控制光束位置和焊接热输入，使得v/不锈钢和v/nb界面形成熔化焊连接缝，而在nb/镍钛形状记忆合金界面为接触反应钎焊连接，未熔化的v将不锈钢和nb物理隔开，同时未熔化的nb将v和镍钛形状记忆合金隔开，避免了fe-ti、fe-nb和ni-v等金属间化合物形成，焊缝中无金属间化合物形成；

(2)本发明方法得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头兼具有较高强度和良好的塑性，其抗拉强度达到260-300mpa，延伸率达到12-15％；

(3)对得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头进行拉伸试验，其拉伸断裂位置位于未熔化的v中间层，呈延性断裂模式；

(4)纯nb、纯v填充材料具有强度较低、塑性好的特点，作为中间层形式有利于实现焊接自动化，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例1fe/niti异质金属接头激光焊接俯视示意图；

图2为本发明实施例1fe/niti异质金属接头激光焊接侧视示意图；

图3为本发明实施例1方法制备得到的fe/niti异质金属激光焊接接头；

图4为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头的横截面形貌图像；

图5为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中304与304/v熔化区界面微观组织图像；

图6为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中304/v熔化区微观组织图像；

图7为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中304/v熔化区与未熔化v的界面微观组织图像；

图8为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中v/nb界面微观组织图像；

图9为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中v/nb熔化区组织图像；

图10为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头中nb/niti界面微观组织图像；

图11为本发明实施例1制备得到fe/niti异质金属激光焊接接头的拉伸曲线；

图12为本发明实施例1得到的fe/niti异质金属激光焊接接头拉伸断裂试样图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头焊接：

按照图1所示，对镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢进行激光焊接，其中镍钛形状形状记忆合金与304不锈钢板尺寸规格相同，均为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将v和nb中间层焊料置于镍钛形状记忆合金与304试板界面间，如图1所示，其中v与不锈钢直接接触，nb与镍钛形状记忆合金直接接触，同时保证304/v、v/nb及nb/niti各个界面间不留间隙，nb中间层焊料宽度为0.8mm，v中间层焊料宽度为1mm。第一道焊接时将激光置于304不锈钢侧，距离304/v界面0.4mm，激光焊接参数：800w,离焦量0mm，焊接速度1.2m/min；第二次焊接时将激光置于v侧，距离v/nb界面0.1mm，激光焊接参数：激光功率600w，离焦量0mm，焊接速度1.7m/min；两次焊接时，氩气保护气体流量为正面17l/min，背面12l/min，两次焊接后，焊接效果如图2所示。

最终得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头如图3所示，对接头的焊接处进行横截面的显微形貌观察，得到如图4至图10所示焊接接头的整体横截面形貌图像及不同界面微观组织图像，观察上述图像可知，其中304与v中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝，v与nb中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝，nb/niti界面温度高于nb/niti共晶温度(1170℃)，形成了接触反应钎焊焊缝，焊接过程中，在v/fe界面与v/nb界面间存在未熔化的v中间层，在v/nb界面与nb/niti界面间存在未熔化的nb中间层。

由图4至图10可以看出，焊接接头中的显微结构中无任何金属间化合物形成。

对得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头按照gb/t228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学拉伸测试，拉伸曲线如图11所示，可见接头抗拉强度为300mpa，断后伸长率15％，拉断后断裂部位如图12所示。

实施例2镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头焊接：

对镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢进行激光焊接，其中镍钛形状形状记忆合金与304不锈钢板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将v和nb中间层焊料置于镍钛形状记忆合金与304试板界面间，其中v与不锈钢直接接触，nb与镍钛形状记忆合金直接接触，保证304/v、v/nb及nb/niti各个界面间不留间隙，nb中间层焊料宽度为0.6mm，v中间层焊料宽度为0.8mm。第一道焊接时将激光置于304不锈钢侧，距离304/v界面0.5mm，激光焊接参数：激光功率800w，离焦量1mm，焊接速度1m/min；第二次焊接时将激光置于v侧，距离v/nb界面0.3mm，激光焊接参数：600w,离焦量1mm，焊接速度1.4m/min；两次焊接时，氩气保护气体流量为正面15l/min，背面8l/min。

对得到的钛镍异质接头进行显微观察，可以得到如实施例1中所示相同的显微图像；对得到的钛镍异质接头进行力学拉伸测试，接头抗拉强度为260mpa，延伸率为12％。

实施例3镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头焊接：

对镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢进行激光焊接，其中镍钛形状形状记忆合金与304不锈钢板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将v和nb中间层焊料置于镍钛形状记忆合金与304试板界面间，其中v与不锈钢直接接触，nb与镍钛形状记忆合金直接接触，保证304/v、v/nb及nb/niti各个界面间不留间隙，nb中间层焊料宽度为0.8mm，v中间层焊料宽度为0.8mm。第一道焊接时将激光置于304不锈钢侧，距离304/v界面0.3mm，激光焊接参数：激光功率800w，离焦量0mm，焊接速度1.4m/min；第二次焊接时将激光置于v侧，距离v/nb界面0.2mm，激光焊接参数：600w,离焦量1mm，焊接速度1.5m/min；两次焊接时，氩气保护气体流量为正面17l/min，背面12l/min。

最终得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头如图3所示，对接头的焊接处进行横截面的显微形貌观察结果与实施例1的相同，304不锈钢与v中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝；v与nb中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝；nb/niti界面温度高于nb/niti共晶温度(1170℃)，形成了接触反应钎焊焊缝；焊接过程中，在v/fe界面与v/nb界面间存在未熔化的v中间层，在v/nb界面与nb/niti界面间存在未熔化的nb中间层。

对得到的钛镍异质接头进行显微观察，可以得到如实施例1中所示相同的显微图像；对得到的钛镍异质接头进行力学拉伸测试，接头抗拉强度为285mpa，延伸率为12％。

实施例4镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头焊接：

对镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢进行激光焊接，其中镍钛形状形状记忆合金与304不锈钢板尺寸规格相同，为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将v和nb中间层焊料置于镍钛形状记忆合金与304试板界面间，其中v与不锈钢直接接触，nb与镍钛形状记忆合金直接接触，保证304/v、v/nb及nb/niti各个界面间不留间隙，nb中间层焊料宽度为0.6mm，v中间层焊料宽度为0.8mm。第一道焊接时将激光置于304不锈钢侧，距离304/v界面0.4mm，激光焊接参数：激光功率800w，离焦量1mm，焊接速度1.4m/min；第二次焊接时将激光置于v侧，距离v/nb界面0.2mm，激光焊接参数：600w,离焦量1mm，焊接速度1.5m/min；两次焊接时，氩气保护气体流量为正面17l/min，背面12l/min。

最终得到的镍钛形状记忆合金/不锈钢异种金属接头如图3所示，对接头的焊接处进行横截面的显微形貌观察结果与实施例1的相同，其中304不锈钢与v中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝；v与nb中间层部分熔化，形成熔化焊焊缝；nb/niti界面温度高于nb/niti共晶温度(1170℃)，形成了接触反应钎焊焊缝；焊接过程中，在v/fe界面与v/nb界面间存在未熔化的v中间层，在v/nb界面与nb/niti界面间存在未熔化的nb中间层；

对得到的钛镍异质接头进行显微观察，可以得到如实施例1中所示相同的显微图像；对得到的钛镍异质接头进行力学拉伸测试，接头抗拉强度为265mpa，延伸率为12.5％。

对比例1(无中间层焊料的焊接)

对镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢进行激光焊接，两者尺寸规格相同，均为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，镍钛形状记忆合金与不锈钢异种金属直接进行激光焊接，激光光斑位于304不锈钢/镍钛形状记忆合金界面上，双面氩气保护气氛下进行激光焊接，激光焊接工艺参数为：激光功率600w，离焦量1mm，焊接速度1.4m/min，双面保护气氛中，正面保护气流量17l/min，背面保护气流量12l/min。

结果发现，304不锈钢与镍钛形状记忆合金记忆合金焊接时极易生成大量金属间化合物，焊缝中有大量的裂纹存在，在焊接结束后，接头焊接处即发生断裂。

对比例2(只有nb中间层焊料)

选取镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢，两者尺寸规格相同，均为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将实施例中采用的v+nb两层金属焊料替换为nb中间层焊料，nb中间层厚度为0.6mm，光束位于304不锈钢/nb侧，激光焊接工艺参数为：激光功率800w，离焦量0mm，焊接速度1.4m/min，双面保护气氛中，正面保护气流量17l/min，背面保护气流量12l/min。

结果发现，尽管在焊缝中未发现裂纹，但是焊缝中有大量的fe-nb金属间化合物存在，接头抗拉强度为210mpa，延伸率3.1％，焊缝的塑性较差。

对比例3(只有v中间层焊料)

选取镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢，两者尺寸规格相同，均为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将实施例中采用的v+nb两层金属焊料替换为v中间层焊料，v中间层厚度为0.8mm，第一道焊接光束位于304不锈钢侧，距离304/v界面0.3mm，第二道焊接光束位于v/niti界面处，二道焊接工艺参数都为激光功率800w，离焦量0mm，焊接速度1.4m/min，双面保护气氛中，正面保护气流量17l/min，背面保护气流量12l/min。焊缝中有大量的ni-v金属间化合物存在，接头抗拉强度为187mpa，延伸率2.5％。

对比例4(将v/nb两种中间层焊料的位置互换)

选取镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢，两者尺寸规格相同，均为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将实施例4中采用的v+nb两层金属焊料位置互换，nb中间层焊料宽度为0.6mm，v中间层焊料宽度为0.8mm。第一道焊接光束位于304/nb界面，第二道焊接光束位于v/niti界面处，二道焊接工艺参数都为激光功率800w，离焦量0mm，焊接速度1.4m/min，双面保护气氛中，正面保护气流量17l/min，背面保护气流量12l/min。焊缝中有大量的fe-ni.\,ni-v金属间化合物存在，并且焊缝中有裂纹形成，接头抗拉强度为150mpa，延伸率1.8％。

对比例5

以专利cn104942462a中公开的直径为1.2mm的cu-v-nb焊丝来焊接，其中焊芯中nb粉质量40％、v粉60％，药粉填充量为20％，药皮为紫铜，按照本申请方法焊接，结果发现，焊缝中有fe-nb，ti-cu等化合物生产，得到的焊接接头的强度为320mpa，延伸率3.5％。

对比例6

采用纯铜作为中间层焊料，厚度为100微米，按照实施例1所述过程进行焊接，得到的接头抗拉强度仅为198mpa，延伸率4.5％。

对比例7(只有ni中间层焊料)

选取镍钛形状记忆合金(ni：ti原子比＝55.7：44.3)与304不锈钢，两者尺寸规格相同，都为100mm(长)×50mm(宽)×0.8mm(厚)，将实施例中采用的v+nb两层金属焊料替换为单独的ni中间层焊料，ni中间层厚度为0.6mm，光束位于304不锈钢/ni侧，激光焊接工艺参数为：激光功率800w，离焦量0mm，焊接速度1.4m/min，双面保护气氛中，正面保护气流量17l/min，背面保护气流量12l/min。

结果发现，焊缝中有大量的nixni3金属间化合物生成，接头抗拉强度为310mpa，延伸率5.2％。