[發明專利]一種NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接方法

在審

• 申請號: 201811394359.6
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN111203629A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 敖三三;張威;李春節;吳滿鵬;代玉;羅震
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K20/10
• 分類號: B23K20/10;B23K20/26;B23K103/14
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開一種NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接方法，首先采用線切割方法將NiTi形狀記憶合金薄片加工成焊接試件，去除氧化膜吹干備用，將NiTi形狀記憶合金搭接，啟動SONICS?MW20超聲波焊接設備，焊頭將NiTi形狀記憶合金工件壓實后，開始振動焊接。本發明的技術方案避免了傳統熔焊方法形成有害金屬間化合物和顯著改變接頭相成分的問題，在保留NiTi形狀記憶合金功能特性方面有明顯改進。

技術領域

本發明屬于材料加工領域，更加具體地說，具體涉及一種NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接方法。

背景技術

NiTi形狀記憶合金是近等原子比Ni-Ti合金的總稱，主要有兩種不同的相結構，即高溫奧氏體相(B2，簡單立方晶體結構)和低溫馬氏體相(B19’，單斜晶體結構)。在特殊的條件下，NiTi形狀記憶合金也可能呈現另一種位于奧氏體相和馬氏體相中間的R相，其晶體結構可以看作是沿著奧氏體相111方向的延伸。NiTi形狀記憶合金的相轉變溫度一般在-150～200℃之間。設定M_s和M_f分別為馬氏體相變開始和結束溫度，A_s和A_f分別為奧氏體相變開始和結束溫度。當從奧氏體相冷卻材料時，它在M_s溫度下開始轉變為馬氏體，在M_f溫度下完成轉變，稱為正相變；當從低溫馬氏體相加熱材料時，奧氏體相在A_s溫度下開始形成，在A_f溫度下完成轉變，稱為逆相變。其中相變點溫度的變化主要取決于材料的成分和加工工藝。

NiTi形狀記憶合金的功能特性主要源自馬氏體相和奧氏體相之間的可逆相變。其中超彈性主要來源于應力誘發的馬氏體逆相變，而記憶效應主要歸因于其熱彈性馬氏體可逆相變。當材料處于奧氏體相熱穩定的溫度范圍內時，應力的作用會誘發材料產生超彈性。這種特性允許材料在加載過程中發生顯著變形(最大應變為10％)，在卸載時可完全恢復其形狀。與超彈性不同，形狀記憶效應發生在馬氏體相狀態。當形狀記憶合金處于奧氏體相狀態時，通過降溫可使馬氏體相保持穩定(在孿晶狀態)，而不會使材料產生任何形狀變化。如果在馬氏體相狀態下對材料施加一定的應力產生形變，只要保持在馬氏體穩定相的溫度范圍內，材料會保持形變，形成去孿晶馬氏體相。當加熱材料至A_f溫度以上時，可以完全恢復其原來的形狀。進一步將材料冷卻到馬氏體相，材料不會發生明顯的宏觀形狀變化。此外，NiTi形狀記憶合金還具有良好的生物相容性，即與生物體能完美融合，不會影響生物體的機體反應，材料中的化學離子也不會滲透到生物體血液中去。

NiTi合金是應用最為廣泛的形狀記憶合金材料之一，由于其具有形狀記憶效應、超彈性、高強度以及生物相容性等特點，作為制動器、傳感器和結構元件廣泛應用于汽車、生物醫學和航空領域。材料應用首先面臨的是加工性問題，良好的機加工、焊接等性能可以為結構設計師提供較大的設計空間。當前NiTi記憶合金零件主要為絲、片和彈簧等簡單結構零件，將其焊接成更復雜的形狀，可較大程度上擴展其應用范圍。由于形狀記憶合金的特殊性，除了要求接頭沒有缺陷和具有一定的力學性能外，還須保證材料的功能特性達到所需要求。因此，它比一般金屬材料更難于連接，受到的限制更多。傳統的熔焊技術會導致脆性金屬間化合物的形成，如Ti₂Ni，顯著影響NiTi接頭的力學性能。此外，熔焊方法也會導致形狀記憶合金的相變行為發生顯著變化，這會影響焊接結構的應用條件。由于NiTi形狀記憶合金對熱機械加工過程中所經歷的溫度歷史比較敏感，較低的焊接熱輸入可以抑制合金性能尤其是形狀記憶效應和超彈性的惡化。

超聲波焊接具有焊接時間段、能耗低的特點，適合于小零件和薄材料的焊接。但目前關于NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接研究極少，還處于起步階段，因此亟需一種NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接方法，以滿足對于接頭的力學性能要求與功能特性要求。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種NiTi形狀記憶合金的超聲波焊接的方法，避免了熔焊過程中產生有害金屬間化合物的技術缺陷，獲得了界面部分連接的焊接接頭。