一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法技术

本发明专利技术公开一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，首先采用线切割方法将NiTi形状记忆合金薄片加工成焊接试件，去除氧化膜吹干备用，将NiTi形状记忆合金搭接，启动SONICS‑MW20超声波焊接设备，焊头将NiTi形状记忆合金工件压实后，开始振动焊接。本发明专利技术的技术方案避免了传统熔焊方法形成有害金属间化合物和显著改变接头相成分的问题，在保留NiTi形状记忆合金功能特性方面有明显改进。

【技术实现步骤摘要】
一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法
本专利技术属于材料加工领域，更加具体地说，具体涉及一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法。
技术介绍
NiTi形状记忆合金是近等原子比Ni-Ti合金的总称，主要有两种不同的相结构，即高温奥氏体相(B2，简单立方晶体结构)和低温马氏体相(B19’，单斜晶体结构)。在特殊的条件下，NiTi形状记忆合金也可能呈现另一种位于奥氏体相和马氏体相中间的R相，其晶体结构可以看作是沿着奥氏体相<111>方向的延伸。NiTi形状记忆合金的相转变温度一般在-150～200℃之间。设定Ms和Mf分别为马氏体相变开始和结束温度，As和Af分别为奥氏体相变开始和结束温度。当从奥氏体相冷却材料时，它在Ms温度下开始转变为马氏体，在Mf温度下完成转变，称为正相变；当从低温马氏体相加热材料时，奥氏体相在As温度下开始形成，在Af温度下完成转变，称为逆相变。其中相变点温度的变化主要取决于材料的成分和加工工艺。NiTi形状记忆合金的功能特性主要源自马氏体相和奥氏体相之间的可逆相变。其中超弹性主要来源于应力诱发的马氏体逆相变，而记忆效应主要归因于其热弹性马氏体可逆相变。当材料处于奥氏体相热稳定的温度范围内时，应力的作用会诱发材料产生超弹性。这种特性允许材料在加载过程中发生显著变形(最大应变为10％)，在卸载时可完全恢复其形状。与超弹性不同，形状记忆效应发生在马氏体相状态。当形状记忆合金处于奥氏体相状态时，通过降温可使马氏体相保持稳定(在孪晶状态)，而不会使材料产生任何形状变化。如果在马氏体相状态下对材料施加一定的应力产生形变，只要保持在马氏体稳定相的温度范围内，材料会保持形变，形成去孪晶马氏体相。当加热材料至Af温度以上时，可以完全恢复其原来的形状。进一步将材料冷却到马氏体相，材料不会发生明显的宏观形状变化。此外，NiTi形状记忆合金还具有良好的生物相容性，即与生物体能完美融合，不会影响生物体的机体反应，材料中的化学离子也不会渗透到生物体血液中去。NiTi合金是应用最为广泛的形状记忆合金材料之一，由于其具有形状记忆效应、超弹性、高强度以及生物相容性等特点，作为制动器、传感器和结构元件广泛应用于汽车、生物医学和航空领域。材料应用首先面临的是加工性问题，良好的机加工、焊接等性能可以为结构设计师提供较大的设计空间。当前NiTi记忆合金零件主要为丝、片和弹簧等简单结构零件，将其焊接成更复杂的形状，可较大程度上扩展其应用范围。由于形状记忆合金的特殊性，除了要求接头没有缺陷和具有一定的力学性能外，还须保证材料的功能特性达到所需要求。因此，它比一般金属材料更难于连接，受到的限制更多。传统的熔焊技术会导致脆性金属间化合物的形成，如Ti2Ni，显著影响NiTi接头的力学性能。此外，熔焊方法也会导致形状记忆合金的相变行为发生显著变化，这会影响焊接结构的应用条件。由于NiTi形状记忆合金对热机械加工过程中所经历的温度历史比较敏感，较低的焊接热输入可以抑制合金性能尤其是形状记忆效应和超弹性的恶化。超声波焊接具有焊接时间段、能耗低的特点，适合于小零件和薄材料的焊接。但目前关于NiTi形状记忆合金的超声波焊接研究极少，还处于起步阶段，因此亟需一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，以满足对于接头的力学性能要求与功能特性要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接的方法，避免了熔焊过程中产生有害金属间化合物的技术缺陷，获得了界面部分连接的焊接接头。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，按照下述步骤进行：将待焊接的两片NiTi形状记忆合金搭接，置于超声波焊接设备的砧座上；启动超声波焊接设备，将超声波焊接设备的振动能量传递到超声波焊头和工件上，使NiTi形状记忆合金材料高速摩擦生热产生塑性变形，并在压力的作用下完成焊接。在上述技术方案中，压力的方向为竖直向下的方向，超声波焊头的振动方向为水平方向，两者配合以完成NiTi形状记忆合金材料的焊接。在上述技术方案中，采用线切割方法将NiTi形状记忆合金薄片加工成60mm×20mm的焊接试件，为了去除在熔炼、轧制过程中NiTi材料表面生成的氧化膜，将试样放入7.5％HF+20％HNO3+72.5％H2O的混合溶液中浸泡，如1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。在上述技术方案中，NiTi形状记忆合金为0.2mm厚的薄片，化学成分(原子百分数)为50.8at％Ni、49.2at％Ti，室温(20—25摄氏度)下为完全奥氏体相。在上述技术方案中，由于超声波焊机焊头尖齿的作用，焊接接头表面存在明显压痕，机械嵌合焊接界面处呈现部分连接形貌，接头界面处未形成金属间化合物层，室温下接头相成分相对母材没有发生变化。在上述技术方案中，超声波焊接设备焊头尺寸为8×8mm，砧座尺寸为25×15mm。在上述技术方案中，所选的超声波焊接模式为能量焊接模式，即根据焊接系统反馈的实时功率曲线对焊接时间进行积分，当积分计算得到的焊接能量输入达到设定值时，焊接停止。在上述技术方案中，所述超声波焊接设备焊接能量为500～2000J；所述超声波焊接设备焊接振幅为40～60μm；所述超声波焊接设备夹紧压力为0.30～0.40MPa，所述的超声波焊接设备频率为20—30kHz；所述的超声波焊接设备功率为500～2kW。与现有的技术相比，本专利技术的有益效果具有如下几点：(1)本专利技术提供了一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，避免了传统熔焊方法形成有害金属间化合物和显著改变接头相成分的问题，在保留NiTi形状记忆合金功能特性方面有明显改进。(2)本专利技术的接头制备周期短，焊接过程中不添加焊料、助焊剂和保护气体等，加工完成无需再处理，无废料及毛边，节省成本，降低污染。附图说明图1为本专利技术中采用的超声波焊接过程原理示意图。图2为NiTi形状记忆合金的超声波焊接接头表面形貌照片(1)。图3为NiTi形状记忆合金的超声波焊接接头界面形貌照片。图4为室温下NiTi形状记忆合金的超声波焊接接头相成分的XRD谱线图。图5为NiTi形状记忆合金焊缝表面形貌照片(2)：(a)焊缝整体，(b)局部压痕。图6为NiTi母材及超声波焊缝DSC曲线图，左边为升温曲线，右边为降温曲线。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。按照下述方法进行实施：1.采用线切割方法将NiTi形状记忆合金薄片(经过了冷轧处理，并在400℃温度下保温45分钟进行了去应力退火处理)加工成60mm×20mm的焊接试件。为了去除在熔炼、轧制过程中NiTi材料表面生成的氧化膜，将试样放入7.5％HF+20％HNO3+72.5％H2O的混合溶液中浸泡1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。2.选用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，其特征在于，按照下述步骤进行：将待焊接的两片NiTi形状记忆合金搭接，置于超声波焊接设备的砧座上；启动超声波焊接设备，将超声波焊接设备的振动能量传递到超声波焊头和工件上，使NiTi形状记忆合金材料高速摩擦生热产生塑性变形，并在压力的作用下完成焊接。/n

【技术特征摘要】
1.一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，其特征在于，按照下述步骤进行：将待焊接的两片NiTi形状记忆合金搭接，置于超声波焊接设备的砧座上；启动超声波焊接设备，将超声波焊接设备的振动能量传递到超声波焊头和工件上，使NiTi形状记忆合金材料高速摩擦生热产生塑性变形，并在压力的作用下完成焊接。


2.根据权利要求1所述的一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，其特征在于，所述超声波焊接设备焊接能量为500～2000J；所述超声波焊接设备焊接振幅为40～60μm；所述超声波焊接设备夹紧压力为0.30～0.40MPa，所述的超声波焊接设备频率为20—30kHz；所述的超声波焊接设备功率为500～2kW。


3.根据权利要求1或者2所述的一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法，其特征在于，所选的超声波焊接模式为能量焊接模式，即根据焊接系统反馈的实时功率曲线对焊接时间进行积分，当积分计算得到的焊接能量输入达到设定值时，焊接停止。


4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖三三，张威，李春节，吴满鹏，代玉，罗震，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12