专利名称：超声波焊接制备钛合金结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波焊接制备钛合金智能结构的方法。
背景技术：
钛合金具有密度低、耐腐蚀性强、熔点高、比强度高、综合力学性能良好等特点，所以钛合金在航空工业(特别是在飞机发动机和机翼部件)中得到广泛应用。而制造具有自我感知、自我诊断和自我管理的钛合金智能结构件成为研究的重点。光纤光栅(FBG)传感器除具有一般光纤传感器尺寸小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、 能耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点外，还具有光谱特性好、可靠性高、宽频带、高数据速率、传输距离远，可借助光纤线路实现远程诊断，特别是具有波长编码绝对值测量和易于在线阵、面阵等拓扑结构中复用，可实现分布式和准分布式在线监测的优点，将光纤光栅(FBG)传感器植入钛合金金属构件中，可以获得智能金属构件。当前智能材料的发展和制造技术集中在聚合物基的智能复合材料上。尽管聚合物基智能复合材料制造成本低、重量轻、易于制造，但是它与金属相比应用的温度低、强度低， 并且易于降解，同时聚合物基复合材料不能回收再利用并且在植入单元周围有很高的残余应力等。虽然聚合物基智能复合材料已经成为商业产品，但是市场上更迫切需要强度更高的金属基智能材料来用于更恶劣的环境或满足更高的安全需要，比如机翼结构、飞机发动机、轮船、汽车底盘等。随着快速制造技术的飞速发展，为智能金属材料与结构的制造提供了有效途径。由于超声波金属焊接具有低温、低压、固态成形等优点，有希望通过超声固接技术在金属中植入对温度与压力敏感的光纤Bragg光栅(FBG)来制造智能金属材料与结构，这将极大促进FBG传感器在航空航天等领域的应用，具有十分重要的意义。FBG传感器植入金属内部非常困难，因为FBG传感器的热稳定性差且容易破碎，而常规制造方法由于温度梯度形成残余应力积累、易造成FBG传感器的失效断裂等，传感器难以经受高温的破坏，因而传统制造方法很难完成金属智能结构的制造。本发明之所以使用超声波焊接方法来制造钛合金金属智能结构，是因为超声波焊接不同于传统制造方法， 它方便、快捷、能耗低、可实现多种金属材料连接、对光纤Bragg光栅的植入影响小。研究结果表明，超声波金属焊接制造的金属智能结构强度高、耐腐蚀、耐高温，温度灵敏度得到提高，获得更高分辨率和测试精度的温度传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波焊接制备钛合金智能结构，使植入钛合金结构中的光纤光栅传感器应对更恶劣的环境或满足更高的安全需要，并且起到温度增敏作用，获得更高分辨率和测试精度的温度传感器。本发明是这样来实现的，其方法步骤如下
(1)截取Ti6A14V钛合金箔片使用金属剪切设备截取Ti6A14V钛合金箔片为 160mmX40mmX0. 3mm规格的几何形状，并把两箔片中间部分加工成弧形；(2)光纤Bragg光栅金属镀层预保护将化学镀后的光纤Bragg光栅进行再次电镀镍保护；
(3)调整超声波金属焊接设备参数采用超声波焊接参数为
工作频率 最大输出功率焊接时间振动振幅焊头面积焊接压力
20KHz 4000W
95ms 125ms 35 μ m
4mmX4mm,9mmX9mm (焊头表面锯齿形状深度不同) 800N 1400N ；
(4)将电镀好后的光纤Bragg光栅用超声波焊接的方法植入钛合金智能结构中。中间部分加工的弧形应和电镀后的光纤Bragg光栅弧度接近重合，以增大光纤 Bragg光栅与钛合金的接触面积，使其形成有机的整体，同时起到保护光栅的目的。光纤Bragg光栅金属镀层厚度的选择；若用裸光纤Bragg光栅直接植入势必会在超声波焊接过程中由于焊接振动和摩擦造成裸光纤Bragg光栅的损坏；故用化学复合镀镍的方法保护光纤Bragg光栅，镀层厚度控制300-600 μ m为宜。超声波金属焊接参数的选择； 参数选择为
20KHz 4000W 125ms 35 μ m 4mmX 4mm 1144. 53 N ；
钛合金的硬度大，较低硬度金属势必要加大焊接压力和超声软化作用时间，经大量实验和计算得出以上参数。光纤Bragg光栅的植入方式的选择和操作工艺，植入方式为两钛合金箔片事先用机加工的方法将其中间部分加工成弧形，再把电镀好的光纤Bragg光栅放入两箔片间的弧形内，在弧形两侧施焊，选择此种植入方式是因为钛合金硬度高，达到360HB，若采用直接植入钛合金基体中，电镀好的光纤Bragg光栅也会遭受严重破坏，故采用在弧形两侧的焊接植入方式；
操作工艺为为增加结合强度保持弧形表面的清洁与光滑；须让电镀好的光纤Bragg 光栅的弧度和加工成的弧形接近重合，以增加其接触面积；当在弧形一侧焊好后，准备焊另外一侧时，此时为避免超声振动对已焊的区域造成影响，应用机械的方法把已焊的区域夹紧；防止焊头落在弧形区内损坏光纤Bragg光栅。本发明的优点是(1)用超声波焊接制备金属智能结构方便、快捷、环保、能耗小。 (2)用超声波焊接制备的金属智能结构强度高、耐腐蚀、耐高温，可应对恶劣环境，为金属智能结构的广泛应用奠定了基础。(3 )此种制备方法对光栅几乎不造成破坏影响，一次植入的成功率大。(4)制备后的金属智能结构对温度的灵敏度提高了 1.13倍，获得了更高分辨率和测试精度的温度传感器。
工作频率 最大输出功率焊接时间振动振幅焊头面积焊接压力
具体实施例方式本发明的方法步骤如下，
(1)截取Ti6A14V钛合金箔片使用金属剪切设备截取Ti6A14V钛合金箔片箔片为 160mmX40mmX0. 3mm规格的几何形状；两钛合金箔片用机加工的方法将其中间部分加工成弧形，须让电镀好的光纤Bragg光栅的弧度和加工成的弧形接近重合，以增大光纤Bragg 光栅与钛合金的接触面积，使其形成有机的整体，同时起到保护光栅的目的；为了界面更好的结合强度对截取的钛合金箔片使用酒精进行擦拭以获得更洁净的结合表面。(2)光纤Bragg光栅金属镀层预保护将化学镀后的光纤Bragg光栅进行再次电镀镍保护。镀层厚度控制300-600 μ m为宜。(3)调整超声波金属焊接设备参数采用超声波焊接参数为 工作频率20KHz
最大输出功率 4000W 焊接时间125ms
振动振幅35 μ m
焊头面积4mm X 4mm
焊接压力1144.53 N
(4)超声波焊接植入具有传感性能的光纤Bragg光栅把电镀好的光纤Bragg光栅放入两箔片间的弧形内，先在弧形一侧施焊，焊接完成后用机械的方法把已焊的区域夹紧，在接着焊另一侧；因为钛合金硬度高，不适合直接植入，为避免光纤Bragg光栅遭受损坏，焊接时防止焊头落在弧形区内。
权利要求
1.一种超声波焊接制备钛合金智能结构的方法，其特征在于该方法包括下列各步骤(1)截取Ti6A14V钛合金箔片使用金属剪切设备截取Ti6A14V钛合金箔片为 160mmX40mmX0. 3mm规格的几何形状，并把两箔片中间部分加工成弧形；(2)光纤Bragg光栅金属镀层预保护将化学镀后的光纤Bragg光栅进行再次电镀镍保护；(3)调整超声波金属焊接设备参数采用超声波焊接参数为 工作频率 20KHz最大输出功率4000W 焊接时间95ms 125ms振动振幅 35 μ m 焊头面积 4_X4mm，9_X9_ 焊接压力 800N 1400N ；(4)将电镀好后的光纤Bragg光栅用超声波焊接的方法植入钛合金结构中。
2.根据权利要求1所述的超声波焊接制备钛合金智能结构的方法，其特征是光纤 Bragg光栅金属镀层厚度的选择；若用裸光纤Bragg光栅直接植入势必会在超声波焊接过程中由于焊接振动和摩擦造成裸光纤Bragg光栅的损坏；故用化学复合镀镍的方法保护光纤Bragg光栅，镀层厚度控制300-600 μ m为宜。
3.根据权利要求1所述的超声波焊接制备钛合金智能结构的方法，其特征是超声波金属焊接参数的选择；钛合金的硬度大，较低硬度金属势必要加大焊接压力和超声软化作用时间，经大量实验和计算得出以下参数工作频率 最大输出功率焊接时间振动振幅焊头面积焊接压力20KHz 4000W 125ms 35 μ m 4mmX 4mm 1144. 53 N。
4.根据权利要求1所述的超声波焊接制备钛合金智能结构的方法，其特征是光纤 Bragg光栅的植入方式的选择和操作工艺，植入方式为两钛合金箔片事先用机加工的方法将其中间部分加工成弧形，再把电镀好的光纤Bragg光栅放入两箔片间的弧形内，在弧形两侧施焊，选择此种植入方式是因为钛合金硬度高，达到360HB，若采用直接植入钛合金基体中，电镀好的光纤Bragg光栅也会遭受严重破坏，故采用在弧形两侧的焊接植入方式； 操作工艺为为增加结合强度保持弧形表面的清洁与光滑；须让电镀好的光纤Bragg 光栅的弧度和加工成的弧形接近重合，以增加其接触面积，使其形成有机的整体，同时起到保护光栅的目的作用；当在弧形一侧焊好后，准备焊另外一侧时，此时为避免超声振动对已焊的区域造成影响，应用机械的方法把已焊的区域夹紧；防止焊头落在弧形区内损坏光纤 Bragg光栅。
全文摘要
一种超声波焊接制备钛合金智能结构的方法，其方法步骤为(1)截取Ti6Al4V钛合金箔片并在中间部分加工成弧形；(2)光纤Bragg光栅金属镀层预保护；(3)将超声波金属焊接设备调整到已优化的焊接参数；(4)将电镀好后的光纤Bragg光栅用超声波焊接的方法植入钛合金结构中。本发明的优点是(1)用超声波焊接制备金属智能结构方便、快捷、环保、能耗小。(2)用超声波焊接制备的金属智能结构强度高、耐腐蚀、耐高温，可应对恶劣环境，为金属基智能结构的广泛应用奠定了基础。(3)此种制备方法对光栅几乎不造成破坏影响，一次植入的成功率大。(4)经传感试验证明，制备后的金属智能结构的温度灵敏度得到提高，是原来裸光纤Bragg光栅温度灵敏度的2.13倍(经传感试验裸光纤Bragg光栅温度灵敏度为9.8pm/℃，制备后的钛合金智能结构的温度灵敏度为20.92pm/℃)。
文档编号B23K20/24GK102350583SQ201110304788
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者吴宗辉, 朱政强, 王倩 申请人:南昌大学