形狀記憶合金電‑熱驅動的連接方法和驅動組件與流程
2023-06-26 04:48:02 1
本發明涉及一種形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法和驅動組件。
背景技術：
形狀記憶合金是一種兼具感知和驅動功能的智能材料，該合金經過較大變形以後，可以通過自發(超彈性)或加熱(形狀記憶效應)恢復其原始形狀，所以在某種程度上來說其具有自適應、自感知和自診斷的能力。形狀記憶效應(Shape Memory Effect，簡稱SME)是它最為顯著的特性，即在高溫定形後SMA材料，經過冷卻到達低溫狀態，施加形變並留下殘餘形變，如果通過再次加熱，升溫到某個明確的溫度時，就能使它恢復到形變前的狀態。以上過程可以反覆出現，就像合金記住了它在高溫時的狀態一樣。此外，除了其擁有的如高阻尼特性、超彈性、形狀記憶效應等基本特性，並且具有特別的彈性模量隨溫度變化的特性及電阻溫度特性，所以研究鎳鈦形狀記憶合金的熱驅動控制技術具有較好的前景。
此外以前研究的都是鎳鈦形狀記憶合金的驅動控制，一部分採用夾子加緊單根鎳鈦形狀記憶合金，然後對其加熱，由於用夾子夾緊的穩定性不夠好，容易脫落。此外電路穩定性差。還有一部分採用的對鎳鈦形狀形狀記憶合金整根絲進行驅動，這樣成本較高，而且控制精度較低。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
為此，本發明的一個目的在於提出一種具有成本低，控制精度高的形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法。
根據本發明實施例的一種形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法,包括如下步驟:套接：將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件套接，並形成第一重合點，將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件套接，並形成第二重合點；焊接：採用脈衝雷射熱源在所述第一重合點將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件焊接，並在第二重合點焊接將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件。其中，第一連接件為形狀記憶合金絲，第二連接件為導電金屬絲或形狀記憶合金絲。
根據本發明的一種形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法具有如下優勢：
(1)焊接口連接穩定、不脫落、抗拉強度高；
(2)形狀記憶效應回復率超過85％；
(3)焊接口的延展性超過基材的75％；
(4)實現鎳鈦合金的超彈性和形狀記憶功能的疊加；
(5)實現鎳鈦形狀記憶合金的多重自由度的電-熱驅動控制；
(6)通過控制焊接點的電阻實現一根驅動器上可以實現多根鎳鈦形狀記憶合金的多種驅動控制功能。
在本發明中,焊接參數設置為：峰值功率為2kw～4.5kw，脈寬為15ms～25ms，脈衝能量為20J～40J。
進一步地,在焊接步驟前，還包括以下步驟：通保護氣，保護氣的流量為10L/min～20L/min，通保護氣的時間大於或等於20秒。
進一步地,在套接步驟前，還包括前處理步驟：分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗形狀記憶合金管；分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗形狀記憶合金絲；分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗導電金屬絲。
進一步地,前處理步驟還包括：打磨導電金屬絲。
進一步地,在焊接步驟後，還包括熱退火處理步驟，處理溫度為405℃～490℃，保溫時間6min～18min。
本發明的一個目的在於提出一種具有形狀記憶合金電-熱驅動組件，包括第一導電金屬絲，第一導電金屬絲連接電驅動裝置；第一形狀記憶合金管，第一形狀記憶合金管的第一端與第一導電金屬絲的第二端套接，並在套接處形成第一焊接點；形狀記憶合金絲，形狀記憶合金絲的第一端與第一形狀記憶合金管的第二端套接，並在套接處形成第二焊接點；第二形狀記憶合金管，第二形狀記憶合金管的第一端與形狀記憶合金絲套接，並在套接處形成第三焊接點；第二導電金屬絲，第二導電金屬絲的第一端與第二形狀記憶合金管的第二端套接，並在套接處形成第四焊接點。
在本發明中，形狀記憶合金絲為鎳鈦形狀記憶合金絲。
在本發明中,導電金屬絲為銅合金絲。
在本發明中,形狀記憶合金管的外半徑為0.4mm～0.8mm,形狀記憶合金管的內半徑為0.3mm～0.7mm,形狀記憶合金絲的半徑為0.2mm～0.6mm，導電金屬絲的半徑為0.2mm～0.6mm。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
圖1是本發明實施例的形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法的流程圖；
圖2是本發明實施例的具有形狀記憶合金電-熱驅動組件的示意圖；
圖3是本發明實施例的形狀記憶合金電-熱驅動組件的嵌入方式示意圖；
圖4是本發明實施例的焊接夾具的示意圖；
圖5是利用本發明實施例的焊接夾具進行形狀記憶合金電-熱驅動組件組裝的示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
如圖1和圖2所示，根據本發明實施例的一種形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法100,包括如下步驟:
步驟101：套接：將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件套接，並形成第一重合點，將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件套接，並形成第二重合點。具體地說，第一連接件可以為鎳鈦形狀記憶合金絲，第二連接件可以為鎳鈦形狀記憶合金絲或銅合金絲，形狀記憶合金管可以為鎳鈦形狀記憶合金管，導電金屬絲可以為具有高電導率的銅合金絲作為外接線。嵌入方式如圖2所示，將鎳鈦形狀記憶合金絲或通合金絲插入超彈性鎳鈦形狀記憶合金管，插入深度為5mm左右，可以使得焊接時穩定，不脫落。
優選的,在套接步驟前，還包括前處理步驟：分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗形狀記憶合金管；分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗形狀記憶合金絲；分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗導電金屬絲，以去除表面的雜質，避免在焊接過程中形成其他的化學反應產生雜質，降低對焊接處電阻以及後續的驅動過程的影響。
優選的，前處理步驟還包括：打磨導電金屬絲，使導電金屬絲嵌入形狀記憶合金管的時候更加方便。
步驟102：焊接：採用脈衝雷射熱源在所述第一重合點將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件焊接，並在第二重合點焊接將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件。首先設定焊接的工藝參數，峰值功率大致為2kw～4.5kw，脈寬可以為15ms～25ms，脈衝能量約為20J～40J，根據要求可相應調整。然後使雷射熱源位置對準鎳鈦合金管與合金絲重合部位的中間位置(如圖2所示的301位置)進行點加熱即可。其中，雷射熱源可以選擇採用Nd：YAG雷射器對鎳鈦合金管與絲重合部位的中間位置加熱，通過調整雷射工藝參數可獲得高強度和電阻可控的焊接接頭。
優選地,在焊接步驟前，還可以通保護氣，保護氣的流量大概為10L/min～20L/min，通保護氣的時間大於或等於20秒。使用氣體保護的作用是用惰性氣體把氧氣、氮氣隔離在外，以防對熔化的金屬產生不利影響。保護氣可以為氬氣、氖氣等。
優選地，在焊接步驟後，還可以進行熱退火處理。處理溫度約為405℃～490℃，保溫時間大概為6min～18min，有利於調節焊縫組織形貌和晶粒尺寸，減小奧氏體與馬氏體相變溫度的滯後性。
如圖3所示，根據本發明實施例的一種形狀記憶合金電-熱驅動組件，包括第一銅合金絲200，第一鎳鈦形狀記憶合金管300，鎳鈦形狀記憶合金絲400，第二鎳鈦形狀記憶合金管500和第二銅合金絲600。第一銅合金絲200與第一鎳鈦形狀記憶合金管300的焊接點為第一焊接點301，第一鎳鈦形狀記憶合金管300與鎳鈦形狀記憶合金絲400的焊接點為第二焊接點302。第二鎳鈦形狀記憶合金管500與鎳鈦形狀記憶合金絲400的焊接點為第三焊接點501，第二鎳鈦形狀記憶合金管500與第二銅合金絲600的焊接點為第四焊接點502。通過具有超高電導率的銅合金絲與電驅動裝置連接，實現對形狀記憶合金電-熱驅動組件的驅動，從而解決了鎳鈦形狀記憶合金的驅動控制問題，且控制精度高，實現方式簡單。在驅動控制中，在加熱期間，形狀記憶合金的電阻基本隨溫度升高而線性增加，但是在十次以內的熱循環後，其電阻也會相應增加，但是在十次以後電阻幾乎不再增加。通過對電路電阻的控制，從而實現對形狀記憶合金的熱驅動控制。作為本領域的技術人員應該可以理解，通過連接多根形狀記憶合金絲和形狀記憶合金管，還可以實現形狀記憶合金的多中驅動功能。例如，在第二鎳鈦形狀記憶合金管之後，嵌入第二鎳鈦形狀記憶合金絲作為第二驅動組件，依次類推，以ABABABABAB…的方式嵌套多個鎳鈦形狀記憶合金絲和多個鎳鈦形狀記憶合金管，最後再用鎳鈦形狀記憶合金管嵌套第二銅合金絲600。根據需求調整每根鎳鈦形狀記憶合金記憶形狀，由於每根鎳鈦形狀記憶合金絲的記憶功能不一樣，在通電流加熱後，其變形功能不一樣，從而實現鎳鈦形狀記憶合金的多種驅動功能，並且一根驅動器上多根鎳鈦形狀記憶合金的驅動功能。
圖4為本發明實施例的焊接夾具的示意圖，圖5是利用本發明實施例的焊接夾具進行形狀記憶合金電-熱驅動組件組裝的示意圖。如圖4和圖5所示，將形狀記憶合金管和形狀記憶合金絲或銅合金絲按照圖2的方式進行嵌套，然後放於焊接夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。焊接前，通過保護氣入口701通入保護氣，從保護氣出口801吹出。本發明實施例的焊接夾具可以保證焊接時保護氣體的濃度，從而保證焊縫均勻平滑，無明顯凹陷，正面、背面很少出現明顯餘高，焊接接頭的熔合線非常清晰，焊縫成形較好。
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
優選實施例一：
採用兩根長度為20.00mm，外半徑為0.4mm，內半徑為0.3mm的鎳鈦形狀記憶合金管，長度為30.00mm，半徑為0.2mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長度為30.00mm，半徑為0.2mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然後分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗銅合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金管。將鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲或銅合金絲通過圖2方式嵌套，並放於夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為10L/min，時間為20秒，保護氣從保護氣出口801處吹出。設置脈衝雷射熱源的參數為：峰值功率為2kw，脈寬為15ms，脈衝能量為20J，對準重合點的中間位置，依次對鎳鈦形狀記憶合金管與銅合金絲和鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲的進行焊接。焊接後，對焊接點進行熱處理，處理溫度為405℃，保溫時間6min。最後得到銅合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-鎳鈦形狀記憶合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-銅合金絲驅動組件。
優選實施例二：
採用兩根長度為30.00mm，外半徑為0.6mm，內半徑為0.5mm的鎳鈦形狀記憶合金管，長度為40.00mm，半徑為0.4mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長度為40.00mm，半徑為0.4mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然後分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗銅合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金管。將鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲或銅合金絲通過圖2方式嵌套，並放於夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為15L/min，時間為30秒，保護氣從保護氣出口801處吹出。設置脈衝雷射熱源的參數為：峰值功率為3kw，脈寬為20ms，脈衝能量為30J，對準重合點的中間位置，依次對鎳鈦形狀記憶合金管與銅合金絲和鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲的進行焊接。焊接後，對焊接點進行熱處理，處理溫度為455℃，保溫時間10min。最後得到銅合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-鎳鈦形狀記憶合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-銅合金絲驅動組件。
優選實施例三：
採用三根長度為30.00mm，外半徑為0.8mm，內半徑為0.7mm的鎳鈦形狀記憶合金管，兩根長度為40.00mm，半徑為0.6mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長度為40.00mm，半徑為0.6mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然後分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗銅合金絲，分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗鎳鈦形狀記憶合金管。將鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲或銅合金絲通過圖2方式嵌套，並放於夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為20L/min，時間為40秒，保護氣從保護氣出口801處吹出。設置脈衝雷射熱源的參數為：峰值功率為4.5kw，脈寬為25ms，脈衝能量為40J，對準重合點的中間位置，依次對鎳鈦形狀記憶合金管與銅合金絲和鎳鈦形狀記憶合金管與鎳鈦形狀記憶合金絲的進行焊接。焊接後，對焊接點進行熱處理，處理溫度為490℃，保溫時間10min。最後得到銅合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-鎳鈦形狀記憶合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-鎳鈦形狀記憶合金絲-鎳鈦形狀記憶合金管-銅合金絲驅動組件。
根據本發明的一種形狀記憶合金電-熱驅動的連接方法具有如下優勢：
(1)焊接口連接穩定、不脫落、抗拉強度高。
(2)形狀記憶效應回復率超過85％。
(3)焊接口的延展性超過基材的75％。
(4)實現鎳鈦合金的超彈性和形狀記憶功能的疊加。
(5)實現鎳鈦形狀記憶合金的多重自由度的電-熱驅動控制。
(6)通過控制焊接點的電阻實現一根驅動器上可以實現多根鎳鈦形狀記憶合金的多種驅動控制功能。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。