镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法及其夹具的制作方法
【专利摘要】本发明涉及材料、机械、电气等【技术领域】的一种镍钛形状记忆合金与铜合金的激光焊接方法，属于异种材料连接【技术领域】。该方法利用铜的高导电性和镍钛合金的超弹性或形状记忆特性实现传感器、执行器等功能。工艺步骤包括：镍钛形状记忆合金与铜合金丝、带材或板材的待焊面打磨清洗后，采用搭接或对接的方式，利用设计夹具，采用Nd:YAG激光器对镍钛形状记忆合金部分或连接位置加热，调整激光和热处理工艺参数可获得高强度、无缺陷、低阻抗的异种材料焊接接头。
【专利说明】镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法及其夹具
【技术领域】
[0001]本发明涉及异种材料连接技术，具体来讲是一种涉及材料、机械、电子、电气等【技术领域】的一种镍钛形状记忆合金与铜合金异种材料连接方法。
【背景技术】
[0002]镍钛形状记忆合金是一种应用最为广泛的智能材料，其中镍钛原子百分比约为1:1，具有特殊的形状记忆效应(shape memory effect, SME)和超弹性(pseudoelasticity, PE)。此外,还具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等特性,在航空航天,仪器仪表和医疗领域均得到广泛应用。目前，以镍钛形状记忆合金为代表的智能材料已开始逐步应用于电子、电气领域，包括紧固元器件、电连接器、电/热驱动器等。这就对材料性能提出了更高、更苛刻的要求。由于镍钛形状记忆合金的电阻率较高，单一材料难以满足电子产品对使用性能的要求，此外，为了实现远程控制和操作，也需要将镍钛形状记忆合金和电子、电气领域常用的铜合金连接起来。由于镍钛形状记忆合金与铜合金异种材料的熔点、线膨胀系数差异较大，严重影响了接头的电学和力学性能。存在的主要问题在于:铜合金对激光的反射率较高，激光焊时熔合区、热影响区生成大量铜-钛金属间化合物(主要包括:Cu4Ti, Cu2Ti, Cu3Ti2, Cu4Ti3, CuTi,和CuTi2等)，显著降低了焊接接头的强度、韧性和导电率。这也成为制约形状记忆合金产品在电子、电气方面使用性能提高和广泛应用的主要技术瓶颈。因此，研发镍钛形状记忆合金与铜合金异种材料连接技术具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
[0003]专利号200910035281.3的发明涉及一种紫铜的激光焊接方法，涉及焊接【技术领域】。具体为:将不锈钢薄片沿焊缝长度方面置于紫铜上，用Nd: YAG激光器进行激光焊接，采用惰性气体保护；激光焊接的工艺参数为:激光输出功率P=3?4kW，焊接速度V=8?15mm/s，光斑直径d=0.不锈钢薄片与紫铜表面间隙小于0.5mm;不锈钢薄片厚度在
0.1mnT0.5mm。本发明能在较低功率下获得较大熔深的焊缝，且焊缝接头平整美观，综合性能良好。
[0004]专利号201110037046.7的发明涉及材料、机械、电气、医疗等【技术领域】的一种TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料连接方法，属于异种材料连接技术。该方法针对TiNi形状记忆合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接性问题，基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜填充材料(铜中间层或铜焊丝)和降低TiNi合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。本发明的工艺步骤为:加纯铜中间层(纯铜焊丝)一调整热源位置一焊接区保护一熔化焊接。
[0005]专利号201310106120.5的发明涉及一种钛镍形状记忆合金与异种轻金属的激光钎焊方法，属于异种材料连接【技术领域】。TiNi形状记忆合金和异种轻金属的待焊面打磨平整后，清洗干燥；焊接采用搭接方式，将异种轻金属作为上板，搭接在下板TiNi形状记忆合金上，将钎料置于下板TiNi形状记忆合金上，并紧贴异种轻金属的搭接端，采用激光对钎料加热，待钎料下塌熔化后，在下板TiNi形状记忆合金的边缘加载超声波振动，促使钎料填充焊缝，最后空冷取出。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于在此提供一种镍钛形状记忆合金与铜合金的激光焊接方法，该方法利用铜的高导电性和镍钛合金的超弹性或形状记忆特性实现传感器、执行器等功能。镍钛形状记忆合金与铜合金丝、带材或板材的待焊面打磨清洗后，采用搭接或对接的方式，利用设计夹具，采用Nd:YAG激光器对镍钛形状记忆合金部分或连接位置加热，调整激光和热处理工艺参数可获得高强度、无缺陷、低阻抗的异种材料焊接接头。
[0007]本发明是这样实现的，构造一种镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法，其特征在于，按照以下工艺步骤进行:
a、热源位置及焊接工艺:采用对接或搭接焊接方式，对接焊时激光热源偏向熔点较低铜合金侧，利用铜合金流动性的特点实现有效连接；
紫铜-镍钛合金搭接焊接时，镍钛合金置于上部，采用夹具压紧，减少紫铜高反射率的影响；
黄铜-镍钛合金搭接焊接时，黄铜置于上部，采用夹具压紧，减少由于锌元素蒸发而造成的焊接气孔和裂纹；采用适当的激光工艺参数提高焊接接头性能；
b、焊后热处理:焊后整体退火热处理，有利于调节焊缝组织形貌和晶粒尺寸，减小奥氏体-马氏体相变温度的滞后性。
[0008]根据本发明所述的一种镍钛形状记忆合金与铜合金激光焊接方法，其特征在于，铜合金为紫铜、黄铜合金。
[0009]按照本发明的镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法，其特征在于:激光焊接工艺参数:激光峰值功率1.5-5 kff,脉冲宽度10-30ms，焊接速度4一25mm/s，保护气体流量:20-40CFH，焊后热处理温度:400-500°C，保温时间:5_20min。
[0010]一种实现上述连接方法的夹具，其特征在于:该夹具用于对镍钛形状记忆合金和铜合金带材、板材和丝进行激光焊接，实现无间隙压紧和双面气体保护，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头的强度和韧性；
该夹具包括底座、固定装置和上层保护气体盖三部分；
底座由螺栓固定在工作台，中间开槽，用于装夹镍钛丝及铜丝、板材，底座左侧圆孔为通保护气体孔；
固定装置由若干长方体块组成，与底座通过螺栓固定；固定装置底部开槽，用以实现上方焊接材料的固定；
保护气体盖中间开圆孔为激光孔，左侧圆孔为保护气体孔；前后凹槽对应固定装置，通过螺栓与底座连接。
[0011]本发明的优点在于:本发明所述的镍钛形状记忆合金与铜合金的激光焊接方法，该方法利用铜的高导电性和镍钛合金的超弹性或形状记忆特性实现传感器、执行器等功能。镍钛形状记忆合金与铜合金丝、带材或板材的待焊面打磨清洗后，采用搭接或对接的方式，利用设计夹具，采用Nd: YAG激光器对镍钛形状记忆合金部分或连接位置加热，调整激光和热处理工艺参数可获得高强度、无缺陷、低阻抗的异种材料焊接接头。且具有如下优势:
(1)α —铜的固溶强化，提高了焊接接头的强度和韧性，剪切拉伸强度可到铜母材的80%以上；
(2)焊接接头的电导率约为铜母材的70%-85%;
(3)形状记忆效应恢复率>90%，温度滞后性与镍钛形状记忆合金母材相比减小10-15。。。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1-图2是本发明夹具整体示意图图3-图6是底座意图
图7-图11是固定装置意图图12-图15是保护气体盖不意图。
【具体实施方式】
[0013]下面将结合附图1-15对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0014]如图所示，本发明涉及材料、机械、电气等【技术领域】的一种镍钛形状记忆合金与铜合金的激光焊接方法，属于异种材料连接【技术领域】。该方法利用铜的高导电性和镍钛合金的超弹性或形状记忆特性实现传感器、执行器等功能。
[0015]工艺步骤包括:镍钛形状记忆合金与铜合金丝、带材或板材的待焊面打磨清洗后，采用搭接或对接的方式，利用设计夹具，采用Nd:YAG激光器对镍钛形状记忆合金部分或连接位置加热，调整激光和热处理工艺参数可获得高强度、无缺陷、低阻抗的异种材料焊接接头。
[0016]下面举例详细说明本发明的【具体实施方式】:
实施例1、采用本发明的方法进行镍钛合金丝与紫铜带材激光焊接。镍钛合金丝的直径为0.70mm，紫铜带材的界面尺寸为2.0Omm (宽度)*0.50mm (厚度)。将镍钛合金丝置于紫铜带材上面，采用自制夹具压紧(不留间隙)，用脉冲激光热源熔化镍钛合金丝和部分黄铜带材形成异种材料搭接接头。激光焊接工艺参数:峰值功率2.2KW，脉宽20ms，脉冲能量26.9J ;焊点重合率60% ;保护气体(Ar)流量40 CFH ;焊后热处理温度:400°C，保温时间:20min。镍钛合金丝-黄铜带材异种材料激光搭接接头的抗剪力可达266N,形变恢复率达到92%。
[0017]实施例2、采用本发明的方法进行镍钛合金带材与黄铜带材激光焊接。镍钛合金带材的界面尺寸为2.0Omm (宽度)*0.40mm(厚度)，黄铜带材的界面尺寸为2.0Omm (宽度)*0.50mm(厚度)。将黄铜带材置于上端，采用自制夹具压紧(不留间隙)，用脉冲激光热源熔化黄铜带材形成黄铜-镍钛合金异种材料搭接接头。激光焊接工艺参数:峰值功率2.4KW，脉宽30ms，脉冲能量36.6J;焊点重合率50% ;保护气体(Ar)流量40 CFH ;焊后热处理温度:400°C,保温时间:10 min。镍钛合金丝-黄铜带材异种材料激光搭接接头的抗剪力可达242N,形变恢复率达到90%。
[0018]实施例3、采用本发明的方法进行镍钛合金丝与紫铜丝激光焊接。镍钛合金丝的直径为0.40mm，紫铜丝的直径为0.40mm。将镍钛合金丝和紫铜丝平行放置，采用自制夹具压紧(不留间隙)，用脉冲激光热源熔化连接界面带材形成异种材料对接焊接接头。激光焊接工艺参数:峰值功率1.6KW，脉宽20ms，脉冲能量18.8J;焊点重合率60% ;保护气体(Ar)流量30L/min ;焊后热处理温度:450-500°C，保温时间:10 min。镍钛合金丝-黄铜带材异种材料激光搭接接头的抗拉强度可达260 Mpa以上，温度滞后性与镍钛形状记忆合金母材相比减小12°C。
[0019]本发明所述的夹具用于对镍钛形状记忆合金和铜合金带材、板材和丝进行激光焊接，实现无间隙压紧和双面气体保护，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头的强度和韧性；该夹具主要包括三部分，即底座1、固定装置2和上层保护气体盖3。底座I由螺栓固定在工作台，中间开槽la，用于装夹镍钛丝及铜丝、板材等，可根据不同材料、结构设计不同的开槽形状和尺寸，底座左侧圆孔Ib为通保护气体孔；固定装置2由若干长方体块组成，与底座通过螺栓固定。固定装置底部开槽，用以实现上方焊接材料的固定。比如镍钛丝与紫铜板材搭接焊接，那么镍钛在上，紫铜在下；即底座开紫铜板材的长方体槽，固定装置开镍钛丝的半圆形槽；再如镍钛板材与黄铜板材搭接焊接，那么黄铜板材在上，镍钛板材在下；即底座开镍钛板材的长方体槽，固定装置开镍钛板材的长方体槽；又如镍钛丝和紫铜丝的对接焊接，即在底座和固定装置均开半圆形槽，用以固定两丝线。保护气体盖3中间开圆孔3a，为激光孔，左侧圆孔3b为保护气体孔；前后凹槽3c对应固定装置，通过螺栓与底座连接。
[0020]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法，其特征在于，按照以下工艺步骤进行: a、热源位置及焊接工艺:采用对接或搭接焊接方式，对接焊时激光热源偏向熔点较低铜合金侧，利用铜合金流动性的特点实现有效连接； 紫铜-镍钛合金搭接焊接时，镍钛合金置于上部，采用夹具压紧，减少紫铜高反射率的影响； 黄铜-镍钛合金搭接焊接时，黄铜置于上部，采用夹具压紧，减少由于锌元素蒸发而造成的焊接气孔和裂纹；采用适当的激光工艺参数提高焊接接头性能； b、焊后热处理:焊后整体退火热处理，有利于调节焊缝组织形貌和晶粒尺寸，减小奥氏体-马氏体相变温度的滞后性。
2.根据权利要求1所述的一种镍钛形状记忆合金与铜合金激光焊接方法，其特征在于，铜合金为紫铜、黄铜合金。
3.按照权利要求1的镍钛形状记忆合金与铜合金的异种材料连接方法，其特征在于:激光焊接工艺参数:激光峰值功率1.5-5 kff,脉冲宽度10-30 ms，焊接速度4一25mm/s，保护气体流量:20-40 CFH，焊后热处理温度:400-500°C，保温时间:5_20min。
4.一种实现上述连接方法的夹具，其特征在于:该夹具用于对镍钛形状记忆合金和铜合金带材、板材和丝进行激光焊接，实现无间隙压紧和双面气体保护，减少焊缝区脆性金属间化合物，提高焊接接头的强度和韧性； 该夹具包括底座(1)、固定装置(2 )和上层保护气体盖(3 )三部分； 底座(1)由螺栓固定在工作台，中间开槽(la)，用于装夹镍钛丝及铜丝、板材，底座左侧圆孔(lb)为通保护气体孔； 固定装置(2)由若干长方体块组成，与底座(1)通过螺栓固定；固定装置底部开槽2a，用以实现上方焊接材料的固定； 保护气体盖(3)中间开圆孔(3a)为激光孔，左侧圆孔(3b)为保护气体孔；前后凹槽(3c)对应固定装置(2)，通过螺栓与底座连接。
【文档编号】B23K26/70GK104259663SQ201410449257
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】曾志, 周志明, 李迅波, 黄波, 李淼, 汤茂林 申请人:电子科技大学