一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法与流程

本发明属于材料加工领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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，本发明的有益效果具有如下几点：

(1)本发明提供了一种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)本发明的接头制备周期短，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为本发明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发明作进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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.选用超声波焊接的能量焊接模式，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。

3.将niti形状记忆合金搭接，搭接部分尺寸为20mm×20mm，将其置于砧座上。

4.启动sonics-mw20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进行焊接，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。

5.采用超景深三维显微镜(vhx-2000c)对焊缝的表面形貌进行观察，利用钨灯丝扫描电镜(sem，su1510)对焊缝横截面的结合形貌进行表征，利用x射线衍射仪(xrd，d8advanced)分析室温下niti形状记忆合金超声波接头的相组成。

实施案例1

1.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1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。

2.启动sonics-mw20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进行焊接，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。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的能量为500j；焊接振幅为60μm；夹紧压力为0.38mpa。

3.采用超景深三维显微镜(vhx-2000c)对焊缝的表面形貌进行观察，利用钨灯丝扫描电镜(sem，su1510)对焊缝横截面的结合形貌进行表征，利用x射线衍射仪(xrd，d8advanced)分析室温下niti形状记忆合金超声波接头的相组成。采用超声波焊接方法能实现niti形状记忆合金薄片的搭接焊，焊缝表面存在明显压痕，界面有效连接面积较少，接头在室温下为完全奥氏体相状态。

实施案例2

1.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1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。

2.启动sonics-mw20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进行焊接，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。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的能量为1000j；焊接振幅为60μm；夹紧压力为0.38mpa。

3.采用超景深三维显微镜(vhx-2000c)对焊缝的表面形貌进行观察，利用钨灯丝扫描电镜(sem，su1510)对焊缝横截面的结合形貌进行表征，利用x射线衍射仪(xrd，d8advanced)分析室温下niti形状记忆合金超声波接头的相组成。采用超声波焊接方法能实现niti形状记忆合金薄片的搭接焊，焊缝表面存在明显压痕，界面有效连接面积较少，接头在室温下为完全奥氏体相状态。

实施案例3

1.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1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。

2.启动sonics-mw20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进行焊接，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。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的能量为1500j；焊接振幅为60μm；夹紧压力为0.38mpa。

3.采用超景深三维显微镜(vhx-2000c)对焊缝的表面形貌进行观察，利用钨灯丝扫描电镜(sem，su1510)对焊缝横截面的结合形貌进行表征，利用x射线衍射仪(xrd，d8advanced)分析室温下niti形状记忆合金超声波接头的相组成。采用超声波焊接方法能实现niti形状记忆合金薄片的搭接焊，焊缝表面存在明显压痕，界面有效连接面积较多，接头在室温下为完全奥氏体相状态。

实施案例4

1.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1min，然后采用酒精清洗干净，吹干备用。

2.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。所述的超声波的频率为20khz；超声波焊接设备的能量为2000j；焊接振幅为60μm；夹紧压力为0.38mpa。

3.采用超景深三维显微镜(vhx-2000c)对焊缝的表面形貌进行观察，利用钨灯丝扫描电镜(sem，su1510)对焊缝横截面的结合形貌进行表征，利用x射线衍射仪(xrd，d8advanced)分析室温下niti形状记忆合金超声波接头的相组成。采用超声波焊接方法能实现niti形状记忆合金薄片的搭接焊，焊缝表面存在明显压痕，界面有效连接面积最多，接头在室温下为完全奥氏体相状态。

由niti超声波焊接接头表面的典型宏观形貌照片来看，由于焊头和砧座的影响，焊缝表面产生明显的压痕。在超声波焊机工具中，焊头表面的齿形主要是为了抓牢焊接工件，防止工件与焊头之间产生相对滑动。在超声波焊接过程中，工件表面微凸起首先承受剪切变形，同时焊接界面经受持续的剪切塑性变形及相互摩擦，产生大量热，降低焊接界面niti形状记忆合金的屈服强度，促进材料的软化及塑性流动，因此焊接界面的有效接触面积随着超声波焊接的进行而持续增大。此外，还可以观察到焊缝表面存在明显的氧化现象，这是由于试验过程中使用的超声波焊机是开放装置，niti形状记忆合金对温度变化比较敏感，导致在焊接过程中材料表面与空气接触发生氧化行为，因此优选可在惰性气氛或者真空状态下进行超声波摩擦焊接，如氮气、氩气或者氦气。

从niti形状记忆合金超声波焊缝横截面形貌，可以看出焊缝界面呈部分连接状态，沿焊缝界面存在弱连接区域。结合超声波焊缝表面形貌，分析认为，针对niti形状记忆合金，由于其屈服强度较高，加工过程中变形程度相对较小，导致仅在焊头尖齿对应位置实现有效连接，并且界面连接效率随着焊接能量的增大而提高，后续力学性能测试表明部分连接的界面会显著影响焊缝结合强度。

在室温下对接头进行xrd测试，如图4所示，niti母材与焊缝(即niti接头)的相组成相似，仅由b2立方奥氏体相组成，不存在b19’单斜马氏体相。由于在制备过程中niti合金母材发生了明显的择优取向，导致xrd图谱中niti相的b2(110)晶面处的衍射峰非常强，而2θ为61.98°所对应(200)晶面的衍射峰在图中非常弱。在相应的焊缝区域未检测到ti2ni等金属间化合物相，而这种结构经常在niti形状记忆合金的某些熔焊过程中形成。

形状记忆合金的形状记忆效应归因于热弹性马氏体可逆相变，相变温度与合金材料的成分及显微结构密切相关。因此，研究niti形状记忆合金超声波焊缝的相变行为非常重要。试验中分别对母材和四种焊接能量下的焊缝进行dsc测试，所得到的升降温曲线如图6所示，在dsc曲线中，虽然母材和焊缝的奥氏体转变结束温度有差异，但均低于室温，表明在室温下二者均为完全奥氏体相状态。

根据本发明内容进行工艺参数的调整均可实现niti形状记忆合金的焊接连接，且表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。