[发明专利]一种NiTi形状记忆合金的超声波焊接方法

说明书

本发明公开一种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。

技术领域

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M_s和M_f分别为马氏体相变开始和结束温度，A_s和A_f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M_s温度下开始转变为马氏体，在M_f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A_s温度下开始形成，在A_f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A_f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。

发明内容

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。