[發明專利]一種NiTi形狀記憶合金加Al中間層的超聲波焊接方法

在審

• 申請號: 201910494480.4
• 申請日: 2019-06-06
• 公開（公告）號: CN112045295A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 敖三三;李春節;何思賢;王安琪;秦向陽;吳滿鵬;羅震
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K20/10
• 分類號: B23K20/10;B23K20/16
• 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形狀記憶合金加Al中間層的超聲波焊接方法，將NiTi形狀記憶合金搭接，鋁箔作為中間層，將超聲波焊接設備的振動能量傳遞至焊頭，在焊頭靜壓力和機械振動共同作用下，使NiTi形狀記憶合金與鋁箔界面間發生高速摩擦生熱和塑性變形等行為，破碎NiTi氧化膜，達到金屬原子結合而完成焊接。本發明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，Al箔作為中間層提高了NiTi超聲波焊接接頭的力學性能，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，具體涉及一種NiTi形狀記憶合金加Al中間層的超聲波焊接方法。

背景技術

NiTi形狀記憶合金是近等原子比Ni-Ti合金的總稱，具有兩種非常不同的功能特性：形狀記憶效應和超彈性。這是由于其可逆的馬氏體相變。NiTi形狀記憶合金的相轉變溫度一般在-150～200℃之間。馬氏體相變中的高溫相叫做母相，或奧氏體相(P)，是一種體心立方晶體結構的CsCl相(又稱B2)。低溫相叫做馬氏體相((B19’)，是一種低對稱性的單斜晶體結構。從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變。從馬氏體相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。四個相變特征溫度分別為馬氏體轉變開始溫度M_s、終了溫度M_f、母相轉變(即逆轉變)開始溫度A_s和終了溫度A_f。形狀記憶合金的馬氏體相變屬于熱彈性馬氏體相變。相變點溫度的變化主要取決于材料的成分和加工工藝。

當材料處于熱穩定奧氏體的溫度范圍內，應力誘導加載過程中產生的大應變(最大應變為10％)在卸載時可完全恢復其形狀，發生了奧氏體向馬氏體在彈性卸載后再向奧氏體的轉變過程，即產生超彈性效應。與超彈性相反，形狀記憶效應從馬氏體狀態的材料開始，低溫下發生變形，加熱到達一定溫度后(As)能完全消除，恢復到原來高溫狀態下的形狀，加熱時產生的回復應力非常大，可達500MPa。形狀記憶效應是由于合金在高低溫轉變時發生了兩次相變，先由奧氏體(母相)轉變為馬氏體相，再由馬氏體相逆變為奧氏體。此外，NiTi形狀記憶合金無通常金屬呈現的“疲勞斷裂”現象，還具有良好的生物相容性，包括組織相容性和血液相容性兩方面，是一種安全的很有發展潛力的生物醫用材料。

NiTi合金作為一種新型功能材料，集感知與驅動為一體。由于其獨特的形狀記憶效應和超彈性及優良的抗腐蝕性、生物相容性，在機械電子工業，醫學應用，航空航天，能源開發以及交通運輸等領域獲得了廣泛的應用。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記憶合金工程應用主要為緊固、連接和一些控制元件等簡單結構零件，將其焊接成更復雜的形狀，可較大程度上擴展其應用范圍。NiTi合金焊接接頭不僅應保證具有一定的強度和塑性，而且要盡量保持它的記憶功能，所以它比一般材料更難連接，連接工藝受到的限制也更多。

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。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。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。但是0.5mm厚的NiTi由于其較高的硬度厚度，上下工件間摩擦運動與塑性變形行為困難，難以實現符合接頭力學性能要求的連接。通過焊接材料添加合適的合金元素是改善焊縫組織及接頭力學性能的有效途徑。Al是一種熔點低于NiTi的軟金屬，它不僅具有高導熱性和導電性，還具有良好的耐腐蝕性和延展性而且與NiTi的冶金兼容性也很好。所以用鋁箔作為中間層不僅可以得到良好的NiTi超聲波焊接接頭，在保留NiTi形狀記憶合金功能特性方面也有明顯改進。

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，并且NiTi形狀記憶合金片的厚度硬度對于超聲波焊接接頭質量有很大的影響，因此亟需一種NiTi形狀記憶合金加Al中間層的超聲波焊接方法，以滿足對于接頭的力學性能要求與功能特性要求。