超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法

2023-05-27 06:41:11

專利名稱：超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法
超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法
技術領域：
本發明屬於製造業的先進位造技術領域，特別涉及一種新型的三維金屬超聲波焊接製造多功能金屬基複合材料的方法。
背景技術：
超聲波焊接疊層製造是一種固態自由成型工藝，採用超聲波焊接金屬箔製造3D 金屬結構。超聲波焊接疊層製造過程中，埋入形狀記憶合金SMA纖維，可用於纖維基複合材料的製造。超聲波疊層製造纖維金屬基複合材料，和其它的長纖維金屬基複合材料製造方法相比，如鑄造，擴散焊接和噴射沉積技術，超聲波快速成型製造具有顯著優勢。首先，超聲波焊接工藝不需要高溫。雖然由於界面上的摩擦熱溫度最高可以達到金屬熔點的一半，甚至只有熔點的四分之一，但是在零件製造的離散過程中，熱量幾乎可以忽略不計。特別適合於對成型溫度有嚴格要求的形狀記憶、磁致伸縮智能材料和結構的製造。第二，超聲波製造結合了增材製造和去除製造的優勢，可以用來製造複雜3D結構零件， 並且具有高精度和高的表面質量，包括內部複雜通道，可以實現多種材料的製造，內部可以埋入加強纖維、形狀記憶合金纖維、光纖、傳感器和電子元件。因為工藝過程不需要金屬的熔化，不必擔心收縮帶來的尺寸誤差，殘餘應力，以及成品零件的變形。不需要金屬熔化也可以幫助我們克服脆性的金屬間化合物的形成，也不必考慮異質金屬的互溶問題。第三，這種工藝可以用來焊接難以焊接的金屬，以及異質金屬，不需要惰性氣體保護。超聲波焊接甚至能進行玻璃和金屬的焊接。第四，在金屬箔表面以及埋入材料有氧化膜時，例如3003鋁合金，超聲波焊接前不需要預處理，超聲波能量打碎並分散表面氧化膜和雜質，形成原子連接，不必考慮金屬材料的界面潤溼性。更加值得注意的是，超聲波焊接可以實現金屬基複合材料的快速成型。超聲波焊接快速成型製造中，三維CAD模型通過計算機軟體分層，得到許多水平層數據，層厚度和金屬箔相等。這些數據從底部到最上層依次建造，最終製造出三維物體。

發明內容本發明的目的在於提供一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁(SMA-Al)金屬基複合材料的方法，用於製造一種剛度可調整，尺寸可保持金屬基複合材料，本發明的製造方法成型速度快、精度高，具有廣闊的應用領域。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案—種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，包括以下步驟1)、首先對鋁金屬箔表面滾壓溝槽，對滾壓後的鋁金屬箔進行退火熱處理；2)、在電磁吸附平臺上鋪放一張不鏽鋼金屬箔；3)、在不鏽鋼金屬箔表面鋪放一張鋁金屬箔；4)、在鋁金屬箔上排列放置表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維；5)、在表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維表面再鋪放一張鋁金屬箔；
6)、進行超聲波焊接，滾動聲極在壓力作用下，向前滾動，同時，將超聲波振動傳遞給鋁金屬箔，實現兩張鋁金屬箔之間，鋁金屬箔和表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維之間的焊接；7)、完成一層鋁金屬箔和表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維的超聲波焊接後，數控加工逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓；重複進行幻 7)的步驟，直到完成金屬基複合材料。鋁金屬箔的厚度為100 200μπι，鋁金屬箔上形成的溝槽的間距為100 400 μ m ；鋁金屬箔上形成的溝槽的深度為40 150 μ m ；對滾壓後的鋁金屬箔進行退火熱處理的具體方法為對滾壓後的鋁金屬箔進行退火熱處理，退火加熱溫度為450 520°C，保溫5小時，然後隨爐冷卻，每小時冷卻溫度小於10度，冷至200度出爐空冷。鋁金屬箔上形成的溝槽包括相互平行的第一方向的溝槽和相互平行的第二方向的溝槽，第一方向垂直第二方向。表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維包括芯部的NiTi合金形狀記憶合金纖維、包覆在NiTi合金形狀記憶合金纖維外層的絕緣層和包覆在絕緣層外的鋁鍍層，NiTi 合金形狀記憶合金纖維的直徑為100 200 μ m，絕緣層的厚度為10 30nm，鋁鍍層的厚度為5 30 μ m。表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維的製備方法為首先，將NiTi合金形狀記憶合金纖維採用原位水熱化學合成法，在溫度為180 220°C的反應液中，反應時間為 4 14小時，在TiNi合金形狀記憶合金表面製備一層TW2絕緣層；然後，採用真空鍍鋁工藝，在TiO2絕緣層表面蒸鍍一層鋁鍍層；其中，反應液的組成為質量百分數為15% 30% 的NaOH 、質量百分數為10% 20%的NaNO2、餘量為H2O,反應液的pH值為8 14。進行超聲波焊接時，超聲波振動頻率為20kHz，振幅為5 15 μ m ；滾動聲極的直徑為30 60mm ；進行超聲波焊接時，滾動聲極的滾動速度為30 50mm/s，法向壓力為100 300MPa。步驟幻中表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維嵌入鋁金屬箔上的溝槽中。相鄰層的表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維垂直布置。步驟6)中進行數控加工時，採用的銑刀直徑為1 2mm，銑削工具機主軸轉速 5000 20000轉/分鐘。在進行步驟1) 7)之間，首先將金屬基複合材料三維CAD模型通過計算機分層， 得到若干水平層數據，層厚度與鋁金屬箔厚度相等；步驟6)中在每一層的超聲波焊接後， 採用數控銑削加工，逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓。與現有技術相比，本發明的有益效果在於1)採用超聲波連續焊接製造形狀記憶合金金屬基複合材料，形狀記憶合金纖維埋入溫度較低；另一個特點是超聲波連續焊接，上下金屬箔界面連續；2)形狀記憶合金表面絕緣化處理後，可形成一絕緣層，表面鍍鋁，可以對絕緣層有保護作用，超聲波焊接埋入後，與鋁合金基體結合強度高；3)鋁金屬箔表面滾壓溝槽，便於形狀記憶合金纖維的嵌入，鋁金屬箔的退火熱處理，目的是消除形變強化效應，便於超聲波焊接；4)超聲波焊接埋入過程中，銑削加工切割金屬基複合材料零件CAD輪廓，製造金屬基複合材料零件，精度高，製造速度快；5)超聲波焊接埋入形狀記憶合金，形狀記憶合金纖維排列方向垂直，金屬基複合材料在溫度升高時，形狀記憶合金纖維發生相變，彈性模量增加，抵消基體因為溫度升高帶來的彈性模量降低，對金屬基複合材料的X、Y方向剛度進行調整。6)金屬基複合材料在溫度升高時，形狀記憶合金纖維發生馬氏體向奧氏體的相變，因為形狀記憶合金纖維的收縮補償，抵消因為溫度升高，基體熱膨脹，可保持金屬基複合材料X、Y方向尺寸穩定。

圖1為本發明超聲波連續焊接疊層製造金屬基複合材料的方法所採用的超聲波連續焊接裝置的結構示意圖；圖2為輥輪滾壓鋁金屬箔的示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述請參閱圖1及圖2所示，本發明採用的超聲波連續焊接疊層製造金屬基複合材料的裝置，包括一個X-Y工作平臺1，該X-Y工作平臺1的中央安裝有加熱平板和電磁吸附平臺 2，超聲波發生器3連接能量轉換裝置4和滾動聲極5，數控銑床主軸和銑刀9。本發明中形狀記憶合金纖維，纖維直徑100 200 μ m ；形狀記憶合金纖維的表面電鍍鋁，鍍層厚度5 30μπι;鋁合金箔6，厚度100 200 μ m;鋁合金箔6表面，採用輥輪10滾壓，對於厚度 100 μ m的鋁金屬箔，形成深度40 70 μ m的溝槽，對於厚度200 μ m的鋁金屬箔，形成60 150 μ m的溝槽；對鋁合金箔6進行退火處理，消除滾壓造成的形變強化效應。本發明超聲波連續焊接疊層製造金屬基複合材料的裝置中，超聲波振動頻率 20kHz，振動幅5 15 μ m，滾動聲極5滾動速度30 50mm/s。滾動聲極5直徑30 60mm ； 法向壓力100 300MPa ；超聲波發生器3通過能量轉換裝置4將能量轉換成機械能，通過滾動聲極5，實現在鋁合金箔6表面的超聲波振動，上、下層金屬箔界面以及形狀記憶合金纖維之間在壓力和超聲波振動作用下，通過金屬劇烈塑性變形，實現鋁合金箔6之間的焊接和表面有絕緣層和鍍鋁層的形狀記憶合金纖維7的埋入。本發明中，金屬基複合材料三維CAD模型通過計算機軟體分層，得到許多水平層數據，在每一層的超聲波焊接後，採用數控銑削加工，逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓；銑刀直徑1 2mm ；銑削工具機主軸轉速5000 20000轉/分鐘。本發明的技術思路是，首先對鋁金屬箔6表面滾壓溝槽，並對滾壓後的鋁金屬箔 6進行退火熱處理，退火加熱溫度為450 520°C，保溫5小時，隨爐冷卻，每小時冷卻溫度小於10度，冷至200度出爐空冷，消除形變強化效應；鋁金屬箔6上形成的溝槽包括相互平行的第一方向的溝槽和相互平行的第二方向的溝槽，第一方向垂直第二方向；這樣可以方便擺放鋁金屬箔6 ；當然也可以只滾壓一個方向上相互平行的溝槽，這樣放置相鄰鋁金屬箔6隻要旋轉其中一個鋁金屬箔6，使相鄰的鋁金屬箔6上的溝槽垂直。然後在上下鋁金屬箔6之間，排列放置表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7 ；表面絕緣化處理、 鍍鋁的形狀記憶合金纖維7嵌入鋁金屬箔6的溝槽中，相鄰層的表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7垂直布置。表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7的製備方法為，將TiNi形狀記憶合金纖維採用原位水熱化學合成法，在TiNi形狀記憶合金表面製備組成為TiO2的絕緣層，絕緣層的厚度為10 30nm，反應液組成NaOH(質量百分數15% 30 % ) +NaNO2 (質量百分數10 % 20 % ) +H2O (餘量)，溶液的pH值為8 14，加熱溫度為 180 220°C，反應時間為4 14小時。採用真空鍍鋁工藝，在表面絕緣化處理的TiNi形狀記憶合金表面蒸鍍一層鋁薄膜，鍍層厚度5 30 μ m。採用超聲波焊接製造技術，將表面有TW2絕緣層、鍍鋁層的形狀記憶合金纖維7埋入上下金屬箔6之間。繼續在鋁金屬箔6上表面，放置表面有絕緣層、鍍鋁層的形狀記憶合金纖維7，在纖維上放置鋁金屬箔6，再一次通過超聲波焊接，將表面鍍鋁的形狀記憶合金纖維埋入。超聲波焊接過程中，逐層機械加工金屬基複合材料零件CAD輪廓，最終得到具有複雜結構的金屬基複合材料。這種方法得到的金屬基複合材料，在溫度升高的狀態下，剛度不降低，可保持尺寸穩定；與單方向排列形狀記憶合金纖維複合材料所不同的是，在循環加熱載荷實驗下，這種複合材料的性能和尺寸各個方向保持穩定。採用上述裝置製造金屬基複合材料的方法，具體包括下列步驟1)首先採用輥輪10對鋁金屬箔6表面進行滾壓，形成溝槽，對滾壓後的鋁金屬箔6進行退火熱處理，退火加熱溫度為450 520°C，保溫5小時，隨爐冷卻，每小時冷卻溫度小於10度，冷至200度出爐空冷，消除形變強化效應；鋁金屬箔6的厚度為100 200 μ m,表面滾壓溝槽，對於厚度100 μ m的鋁金屬箔，形成深度40 70 μ m的溝槽，對於厚度200 μ m的鋁金屬箔，形成60 150 μ m的溝槽，溝槽間距100 400 μ m ；2)在電磁吸附平臺2上鋪放一張0. 1 0. 3mm的不鏽鋼箔8 ；3)在不鏽鋼箔8表面鋪放步驟1)處理後的鋁金屬箔6 ；4)在鋁金屬箔6上排列放置表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7，表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7嵌入鋁金屬箔6的溝槽中；5)在表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7的表面再鋪放一張步驟1)處理後的鋁金屬箔6;6)超聲波發生器3通過能量轉換裝置4將能量轉換成機械能，滾動聲極5在壓力作用下，法向方向11的壓力為100 300MPa，以30 50mm/s的速度向前滾動，同時，將超聲波振動傳遞給鋁金屬箔6，實現兩張鋁金屬箔6之間，鋁金屬箔6和表面鍍鋁的形狀記憶合金纖維7之間的焊接；超聲波振動12頻率20kHz，振動幅度5 15 μ m ；7)完成一層鋁金屬箔6和表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7的超聲波焊接後，採用數控加工逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓，銑刀直徑1 2mm，銑刀轉速 5000 20000 轉 / 分;重複進行幻 7)的步驟，直到完成金屬基複合材料。相鄰層的表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維7垂直布置。本發明採用超聲波焊接工藝，將表面鍍鋁的形狀記憶合金纖維，通過超聲波連續
7焊接埋入鋁合金基體，製造金屬基複合材料和結構。更有意義的是，在超聲波逐層焊接、埋入形狀記憶合金纖維過程中，通過數控銑床，在金屬箔上逐層銑削所製造零件CAD的輪廓， 以及內孔，直接以快速成型原理製造複雜形狀的金屬基複合材料零件。形狀記憶合金在埋入前，表面採用水熱法原位生成絕緣層，表面鍍鋁，保護絕緣層完整，並提高形狀記憶合金纖維和基體的結合強度。形狀記憶合金在埋入前，對鋁金屬箔表面滾壓，形成溝槽，然後進行退火熱處理， 便於形狀記憶合金的埋入。本發明中形狀記憶合金NiTi合金纖維，表面進行絕緣化處理和鍍鋁後，通過超聲波逐層焊接埋入鋁合金，通過輥輪滾壓鋁箔表面，預壓出溝槽，便於形狀記憶合金絲的埋入；為了減少形變強化效應，滾壓後的鋁箔，通過熱處理，消除應力；每一層超聲波焊接後， 數控加工CAD數據輪廓，直接以快速成型原理製造金屬基複合材料零件。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。
權利要求
1.一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)、首先對鋁金屬箔(6)表面滾壓溝槽，對滾壓後的鋁金屬箔(6)進行退火熱處理；2)、在電磁吸附平臺(2)上鋪放一張不鏽鋼金屬箔(8)；3)、在不鏽鋼金屬箔(8)表面鋪放一張鋁金屬箔(6)；4)、在鋁金屬箔(6)上排列放置表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)；5)、在表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)表面再鋪放一張鋁金屬箔(6)；6)、進行超聲波焊接，滾動聲極( 在壓力作用下，向前滾動，同時，將超聲波振動傳遞給鋁金屬箔(6)，實現兩張鋁金屬箔(6)之間，鋁金屬箔(6)和表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)之間的焊接；7)、完成一層鋁金屬箔(6)和表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)的超聲波焊接後，數控加工逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓；重複進行幻 7)的步驟，直到完成金屬基複合材料。
2.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，鋁金屬箔(6)的厚度為100 200 μ m，鋁金屬箔(6)上形成的溝槽的間距為100 400 μ m ；鋁金屬箔(6)上形成的溝槽的深度為40 150 μ m ；對滾壓後的鋁金屬箔 (6)進行退火熱處理的具體方法為對滾壓後的鋁金屬箔(6)進行退火熱處理，退火加熱溫度為450 520°C，保溫5小時，然後隨爐冷卻，每小時冷卻溫度小於10度，冷至200度出爐空冷。
3.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，鋁金屬箔(6)上形成的溝槽包括相互平行的第一方向的溝槽和相互平行的第二方向的溝槽，第一方向垂直第二方向。
4.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)包括芯部的NiTi合金形狀記憶合金纖維、包覆在NiTi合金形狀記憶合金纖維外層的絕緣層和包覆在絕緣層外的鋁鍍層，NiTi合金形狀記憶合金纖維的直徑為100 200 μ m，絕緣層的厚度為10 30nm，鋁鍍層的厚度為5 30 μ m。
5.根據權利要求4所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)的製備方法為首先，將 NiTi合金形狀記憶合金纖維採用原位水熱化學合成法，在溫度為180 220°C的反應液中， 反應時間為4 14小時，在TiNi合金形狀記憶合金表面製備一層TW2絕緣層；然後，採用真空鍍鋁工藝，在TiO2絕緣層表面蒸鍍一層鋁鍍層；其中，反應液的組成為質量百分數為 15% 30%的NaOH 、質量百分數為10% 20%的NaNO2、餘量為H2O,反應液的pH值為 8 14。
6.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，進行超聲波焊接時，超聲波振動頻率為20kHz，振幅為5 15 μ m ；滾動聲極 (5)的直徑為30 60mm ；進行超聲波焊接時，滾動聲極(5)的滾動速度為30 50mm/s，法向壓力為100 300MPa。
7.根據權利要求1至3中任一項所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，步驟幻中表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7) 嵌入鋁金屬箔(6)上的溝槽中。
8.根據權利要求7所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，相鄰層的表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維(7)垂直布置。
9.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，步驟6)中進行數控加工時，採用的銑刀直徑為1 2mm，銑削工具機主軸轉速 5000 20000轉/分鐘。
10.根據權利要求1所述的一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，其特徵在於，在進行步驟1) 7)之間，首先將金屬基複合材料三維CAD模型通過計算機分層，得到若干水平層數據，層厚度與鋁金屬箔厚度相等；步驟6)中在每一層的超聲波焊接後，採用數控銑削加工，逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓。
全文摘要
本發明公開了一種超聲波焊接製造形狀記憶合金-鋁金屬基複合材料的方法，包括1、對鋁金屬箔滾壓溝槽、退火；2、在電磁吸附平臺上鋪放不鏽鋼金屬箔；3、在不鏽鋼金屬箔表面放置鋁金屬箔；4、在鋁金屬箔上放置表面絕緣化處理、鍍鋁的形狀記憶合金纖維；5、再鋪放一張鋁金屬箔；6、進行超聲波焊接；7、數控加工逐層切割金屬基複合材料零件CAD輪廓；重複進行步驟3～7，直到完成金屬基複合材料。本發明方法得到的金屬基複合材料，在溫度升高的狀態下，剛度不降低，可保持尺寸穩定；與單方向排列形狀記憶合金纖維複合材料所不同的是，在循環加熱載荷實驗下，這種複合材料的性能和尺寸各個方向保持穩定。
文檔編號C23C14/18GK102501006SQ201110328259
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者劉亞雄, 盧秉恆, 段玉崗, 王伊卿, 趙萬華 申請人:西安交通大學