形状记忆合金电‑热驱动的连接方法和驱动组件与流程

本发明涉及一种形状记忆合金电-热驱动的连接方法和驱动组件。

背景技术：

形状记忆合金是一种兼具感知和驱动功能的智能材料，该合金经过较大变形以后，可以通过自发(超弹性)或加热(形状记忆效应)恢复其原始形状，所以在某种程度上来说其具有自适应、自感知和自诊断的能力。形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)是它最为显著的特性，即在高温定形后SMA材料，经过冷却到达低温状态，施加形变并留下残余形变，如果通过再次加热，升温到某个明确的温度时，就能使它恢复到形变前的状态。以上过程可以反复出现，就像合金记住了它在高温时的状态一样。此外，除了其拥有的如高阻尼特性、超弹性、形状记忆效应等基本特性，并且具有特别的弹性模量随温度变化的特性及电阻温度特性，所以研究镍钛形状记忆合金的热驱动控制技术具有较好的前景。

此外以前研究的都是镍钛形状记忆合金的驱动控制，一部分采用夹子加紧单根镍钛形状记忆合金，然后对其加热，由于用夹子夹紧的稳定性不够好，容易脱落。此外电路稳定性差。还有一部分采用的对镍钛形状形状记忆合金整根丝进行驱动，这样成本较高，而且控制精度较低。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有成本低，控制精度高的形状记忆合金电-热驱动的连接方法。

根据本发明实施例的一种形状记忆合金电-热驱动的连接方法,包括如下步骤:套接：将形状记忆合金管的第一端与第一连接件套接，并形成第一重合点，将形状记忆合金管的第二端与第二连接件套接，并形成第二重合点；焊接：采用脉冲激光热源在所述第一重合点将形状记忆合金管的第一端与第一连接件焊接，并在第二重合点焊接将形状记忆合金管的第二端与第二连接件。其中，第一连接件为形状记忆合金丝，第二连接件为导电金属丝或形状记忆合金丝。

根据本发明的一种形状记忆合金电-热驱动的连接方法具有如下优势：

(1)焊接口连接稳定、不脱落、抗拉强度高；

(2)形状记忆效应回复率超过85％；

(3)焊接口的延展性超过基材的75％；

(4)实现镍钛合金的超弹性和形状记忆功能的叠加；

(5)实现镍钛形状记忆合金的多重自由度的电-热驱动控制；

(6)通过控制焊接点的电阻实现一根驱动器上可以实现多根镍钛形状记忆合金的多种驱动控制功能。

在本发明中,焊接参数设置为：峰值功率为2kw～4.5kw，脉宽为15ms～25ms，脉冲能量为20J～40J。

进一步地,在焊接步骤前，还包括以下步骤：通保护气，保护气的流量为10L/min～20L/min，通保护气的时间大于或等于20秒。

进一步地,在套接步骤前，还包括前处理步骤：分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗形状记忆合金管；分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗形状记忆合金丝；分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗导电金属丝。

进一步地,前处理步骤还包括：打磨导电金属丝。

进一步地,在焊接步骤后，还包括热退火处理步骤，处理温度为405℃～490℃，保温时间6min～18min。

本发明的一个目的在于提出一种具有形状记忆合金电-热驱动组件，包括第一导电金属丝，第一导电金属丝连接电驱动装置；第一形状记忆合金管，第一形状记忆合金管的第一端与第一导电金属丝的第二端套接，并在套接处形成第一焊接点；形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的第一端与第一形状记忆合金管的第二端套接，并在套接处形成第二焊接点；第二形状记忆合金管，第二形状记忆合金管的第一端与形状记忆合金丝套接，并在套接处形成第三焊接点；第二导电金属丝，第二导电金属丝的第一端与第二形状记忆合金管的第二端套接，并在套接处形成第四焊接点。

在本发明中，形状记忆合金丝为镍钛形状记忆合金丝。

在本发明中,导电金属丝为铜合金丝。

在本发明中,形状记忆合金管的外半径为0.4mm～0.8mm,形状记忆合金管的内半径为0.3mm～0.7mm,形状记忆合金丝的半径为0.2mm～0.6mm，导电金属丝的半径为0.2mm～0.6mm。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例的形状记忆合金电-热驱动的连接方法的流程图；

图2是本发明实施例的具有形状记忆合金电-热驱动组件的示意图；

图3是本发明实施例的形状记忆合金电-热驱动组件的嵌入方式示意图；

图4是本发明实施例的焊接夹具的示意图；

图5是利用本发明实施例的焊接夹具进行形状记忆合金电-热驱动组件组装的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的一种形状记忆合金电-热驱动的连接方法100,包括如下步骤:

步骤101：套接：将形状记忆合金管的第一端与第一连接件套接，并形成第一重合点，将形状记忆合金管的第二端与第二连接件套接，并形成第二重合点。具体地说，第一连接件可以为镍钛形状记忆合金丝，第二连接件可以为镍钛形状记忆合金丝或铜合金丝，形状记忆合金管可以为镍钛形状记忆合金管，导电金属丝可以为具有高电导率的铜合金丝作为外接线。嵌入方式如图2所示，将镍钛形状记忆合金丝或通合金丝插入超弹性镍钛形状记忆合金管，插入深度为5mm左右，可以使得焊接时稳定，不脱落。

优选的,在套接步骤前，还包括前处理步骤：分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗形状记忆合金管；分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗形状记忆合金丝；分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗导电金属丝，以去除表面的杂质，避免在焊接过程中形成其他的化学反应产生杂质，降低对焊接处电阻以及后续的驱动过程的影响。

优选的，前处理步骤还包括：打磨导电金属丝，使导电金属丝嵌入形状记忆合金管的时候更加方便。

步骤102：焊接：采用脉冲激光热源在所述第一重合点将形状记忆合金管的第一端与第一连接件焊接，并在第二重合点焊接将形状记忆合金管的第二端与第二连接件。首先设定焊接的工艺参数，峰值功率大致为2kw～4.5kw，脉宽可以为15ms～25ms，脉冲能量约为20J～40J，根据要求可相应调整。然后使激光热源位置对准镍钛合金管与合金丝重合部位的中间位置(如图2所示的301位置)进行点加热即可。其中，激光热源可以选择采用Nd：YAG激光器对镍钛合金管与丝重合部位的中间位置加热，通过调整激光工艺参数可获得高强度和电阻可控的焊接接头。

优选地,在焊接步骤前，还可以通保护气，保护气的流量大概为10L/min～20L/min，通保护气的时间大于或等于20秒。使用气体保护的作用是用惰性气体把氧气、氮气隔离在外，以防对熔化的金属产生不利影响。保护气可以为氩气、氖气等。

优选地，在焊接步骤后，还可以进行热退火处理。处理温度约为405℃～490℃，保温时间大概为6min～18min，有利于调节焊缝组织形貌和晶粒尺寸，减小奥氏体与马氏体相变温度的滞后性。

如图3所示，根据本发明实施例的一种形状记忆合金电-热驱动组件，包括第一铜合金丝200，第一镍钛形状记忆合金管300，镍钛形状记忆合金丝400，第二镍钛形状记忆合金管500和第二铜合金丝600。第一铜合金丝200与第一镍钛形状记忆合金管300的焊接点为第一焊接点301，第一镍钛形状记忆合金管300与镍钛形状记忆合金丝400的焊接点为第二焊接点302。第二镍钛形状记忆合金管500与镍钛形状记忆合金丝400的焊接点为第三焊接点501，第二镍钛形状记忆合金管500与第二铜合金丝600的焊接点为第四焊接点502。通过具有超高电导率的铜合金丝与电驱动装置连接，实现对形状记忆合金电-热驱动组件的驱动，从而解决了镍钛形状记忆合金的驱动控制问题，且控制精度高，实现方式简单。在驱动控制中，在加热期间，形状记忆合金的电阻基本随温度升高而线性增加，但是在十次以内的热循环后，其电阻也会相应增加，但是在十次以后电阻几乎不再增加。通过对电路电阻的控制，从而实现对形状记忆合金的热驱动控制。作为本领域的技术人员应该可以理解，通过连接多根形状记忆合金丝和形状记忆合金管，还可以实现形状记忆合金的多中驱动功能。例如，在第二镍钛形状记忆合金管之后，嵌入第二镍钛形状记忆合金丝作为第二驱动组件，依次类推，以ABABABABAB…的方式嵌套多个镍钛形状记忆合金丝和多个镍钛形状记忆合金管，最后再用镍钛形状记忆合金管嵌套第二铜合金丝600。根据需求调整每根镍钛形状记忆合金记忆形状，由于每根镍钛形状记忆合金丝的记忆功能不一样，在通电流加热后，其变形功能不一样，从而实现镍钛形状记忆合金的多种驱动功能，并且一根驱动器上多根镍钛形状记忆合金的驱动功能。

图4为本发明实施例的焊接夹具的示意图，图5是利用本发明实施例的焊接夹具进行形状记忆合金电-热驱动组件组装的示意图。如图4和图5所示，将形状记忆合金管和形状记忆合金丝或铜合金丝按照图2的方式进行嵌套，然后放于焊接夹具基座700上，用固定装置800夹紧。焊接前，通过保护气入口701通入保护气，从保护气出口801吹出。本发明实施例的焊接夹具可以保证焊接时保护气体的浓度，从而保证焊缝均匀平滑，无明显凹陷，正面、背面很少出现明显余高，焊接接头的熔合线非常清晰，焊缝成形较好。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

优选实施例一：

采用两根长度为20.00mm，外半径为0.4mm，内半径为0.3mm的镍钛形状记忆合金管，长度为30.00mm，半径为0.2mm的镍钛形状记忆合金丝和两根长度为30.00mm，半径为0.2mm铜合金丝。首先将铜合金丝打磨，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗铜合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金管。将镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝或铜合金丝通过图2方式嵌套，并放于夹具基座700上，用固定装置800夹紧。向夹具基座700的保护气入口701处通入氩气，氩气流量为10L/min，时间为20秒，保护气从保护气出口801处吹出。设置脉冲激光热源的参数为：峰值功率为2kw，脉宽为15ms，脉冲能量为20J，对准重合点的中间位置，依次对镍钛形状记忆合金管与铜合金丝和镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝的进行焊接。焊接后，对焊接点进行热处理，处理温度为405℃，保温时间6min。最后得到铜合金丝-镍钛形状记忆合金管-镍钛形状记忆合金丝-镍钛形状记忆合金管-铜合金丝驱动组件。

优选实施例二：

采用两根长度为30.00mm，外半径为0.6mm，内半径为0.5mm的镍钛形状记忆合金管，长度为40.00mm，半径为0.4mm的镍钛形状记忆合金丝和两根长度为40.00mm，半径为0.4mm铜合金丝。首先将铜合金丝打磨，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗铜合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金管。将镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝或铜合金丝通过图2方式嵌套，并放于夹具基座700上，用固定装置800夹紧。向夹具基座700的保护气入口701处通入氩气，氩气流量为15L/min，时间为30秒，保护气从保护气出口801处吹出。设置脉冲激光热源的参数为：峰值功率为3kw，脉宽为20ms，脉冲能量为30J，对准重合点的中间位置，依次对镍钛形状记忆合金管与铜合金丝和镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝的进行焊接。焊接后，对焊接点进行热处理，处理温度为455℃，保温时间10min。最后得到铜合金丝-镍钛形状记忆合金管-镍钛形状记忆合金丝-镍钛形状记忆合金管-铜合金丝驱动组件。

优选实施例三：

采用三根长度为30.00mm，外半径为0.8mm，内半径为0.7mm的镍钛形状记忆合金管，两根长度为40.00mm，半径为0.6mm的镍钛形状记忆合金丝和两根长度为40.00mm，半径为0.6mm铜合金丝。首先将铜合金丝打磨，然后分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗铜合金丝，分别用丙酮、乙醇和去离子水清洗镍钛形状记忆合金管。将镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝或铜合金丝通过图2方式嵌套，并放于夹具基座700上，用固定装置800夹紧。向夹具基座700的保护气入口701处通入氩气，氩气流量为20L/min，时间为40秒，保护气从保护气出口801处吹出。设置脉冲激光热源的参数为：峰值功率为4.5kw，脉宽为25ms，脉冲能量为40J，对准重合点的中间位置，依次对镍钛形状记忆合金管与铜合金丝和镍钛形状记忆合金管与镍钛形状记忆合金丝的进行焊接。焊接后，对焊接点进行热处理，处理温度为490℃，保温时间10min。最后得到铜合金丝-镍钛形状记忆合金管-镍钛形状记忆合金丝-镍钛形状记忆合金管-镍钛形状记忆合金丝-镍钛形状记忆合金管-铜合金丝驱动组件。

根据本发明的一种形状记忆合金电-热驱动的连接方法具有如下优势：

(1)焊接口连接稳定、不脱落、抗拉强度高。

(2)形状记忆效应回复率超过85％。

(3)焊接口的延展性超过基材的75％。

(4)实现镍钛合金的超弹性和形状记忆功能的叠加。

(5)实现镍钛形状记忆合金的多重自由度的电-热驱动控制。

(6)通过控制焊接点的电阻实现一根驱动器上可以实现多根镍钛形状记忆合金的多种驱动控制功能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。