本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)的連接方法和驅(qū)動(dòng)組件。

背景技術(shù)：

形狀記憶合金是一種兼具感知和驅(qū)動(dòng)功能的智能材料，該合金經(jīng)過(guò)較大變形以后，可以通過(guò)自發(fā)(超彈性)或加熱(形狀記憶效應(yīng))恢復(fù)其原始形狀，所以在某種程度上來(lái)說(shuō)其具有自適應(yīng)、自感知和自診斷的能力。形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect，簡(jiǎn)稱(chēng)SME)是它最為顯著的特性，即在高溫定形后SMA材料，經(jīng)過(guò)冷卻到達(dá)低溫狀態(tài)，施加形變并留下殘余形變，如果通過(guò)再次加熱，升溫到某個(gè)明確的溫度時(shí)，就能使它恢復(fù)到形變前的狀態(tài)。以上過(guò)程可以反復(fù)出現(xiàn)，就像合金記住了它在高溫時(shí)的狀態(tài)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(yīng)等基本特性，并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(qū)動(dòng)控制技術(shù)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(qū)動(dòng)控制，一部分采用夾子加緊單根鎳鈦形狀記憶合金，然后對(duì)其加熱，由于用夾子夾緊的穩(wěn)定性不夠好，容易脫落。此外電路穩(wěn)定性差。還有一部分采用的對(duì)鎳鈦形狀形狀記憶合金整根絲進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣成本較高，而且控制精度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種具有成本低，控制精度高的形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)的連接方法。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)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，并形成第一重合點(diǎn)，將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件套接，并形成第二重合點(diǎn)；焊接：采用脈沖激光熱源在所述第一重合點(diǎn)將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件焊接，并在第二重合點(diǎn)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(dǎo)電金屬絲或形狀記憶合金絲。

根據(jù)本發(fā)明的一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)的連接方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)焊接口連接穩(wěn)定、不脫落、抗拉強(qiáng)度高；

(2)形狀記憶效應(yīng)回復(fù)率超過(guò)85％；

(3)焊接口的延展性超過(guò)基材的75％；

(4)實(shí)現(xiàn)鎳鈦合金的超彈性和形狀記憶功能的疊加；

(5)實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的多重自由度的電-熱驅(qū)動(dòng)控制；

(6)通過(guò)控制焊接點(diǎn)的電阻實(shí)現(xiàn)一根驅(qū)動(dòng)器上可以實(shí)現(xiàn)多根鎳鈦形狀記憶合金的多種驅(qū)動(dòng)控制功能。

在本發(fā)明中,焊接參數(shù)設(shè)置為：峰值功率為2kw～4.5kw，脈寬為15ms～25ms，脈沖能量為20J～40J。

進(jìn)一步地,在焊接步驟前，還包括以下步驟：通保護(hù)氣，保護(hù)氣的流量為10L/min～20L/min，通保護(hù)氣的時(shí)間大于或等于20秒。

進(jìn)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(dǎo)電金屬絲。

進(jìn)一步地,前處理步驟還包括：打磨導(dǎo)電金屬絲。

進(jìn)一步地,在焊接步驟后，還包括熱退火處理步驟，處理溫度為405℃～490℃，保溫時(shí)間6min～18min。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種具有形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)組件，包括第一導(dǎo)電金屬絲，第一導(dǎo)電金屬絲連接電驅(qū)動(dòng)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(dǎo)電金屬絲的第二端套接，并在套接處形成第一焊接點(diǎn)；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，并在套接處形成第二焊接點(diǎn)；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，并在套接處形成第三焊接點(diǎn)；第二導(dǎo)電金屬絲，第二導(dǎo)電金屬絲的第一端與第二形狀記憶合金管的第二端套接，并在套接處形成第四焊接點(diǎn)。

在本發(fā)明中，形狀記憶合金絲為鎳鈦形狀記憶合金絲。

在本發(fā)明中,導(dǎo)電金屬絲為銅合金絲。

在本發(fā)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(nèi)半徑為0.3mm～0.7mm,形狀記憶合金絲的半徑為0.2mm～0.6mm，導(dǎo)電金屬絲的半徑為0.2mm～0.6mm。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)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(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)的連接方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的具有形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)組件的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)組件的嵌入方式示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的焊接夾具的示意圖；

圖5是利用本發(fā)明實(shí)施例的焊接夾具進(jìn)行形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)組件組裝的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)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，并形成第一重合點(diǎn)，將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件套接，并形成第二重合點(diǎn)。具體地說(shuō)，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(dǎo)電金屬絲可以為具有高電導(dǎo)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(shí)穩(wěn)定，不脫落。

優(yōu)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(dǎo)電金屬絲，以去除表面的雜質(zhì)，避免在焊接過(guò)程中形成其他的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)，降低對(duì)焊接處電阻以及后續(xù)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程的影響。

優(yōu)選的，前處理步驟還包括：打磨導(dǎo)電金屬絲，使導(dǎo)電金屬絲嵌入形狀記憶合金管的時(shí)候更加方便。

步驟102：焊接：采用脈沖激光熱源在所述第一重合點(diǎn)將形狀記憶合金管的第一端與第一連接件焊接，并在第二重合點(diǎn)焊接將形狀記憶合金管的第二端與第二連接件。首先設(shè)定焊接的工藝參數(shù)，峰值功率大致為2kw～4.5kw，脈寬可以為15ms～25ms，脈沖能量約為20J～40J，根據(jù)要求可相應(yīng)調(diào)整。然后使激光熱源位置對(duì)準(zhǔn)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(jìn)行點(diǎn)加熱即可。其中，激光熱源可以選擇采用Nd：YAG激光器對(duì)鎳鈦合金管與絲重合部位的中間位置加熱，通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)可獲得高強(qiáng)度和電阻可控的焊接接頭。

優(yōu)選地,在焊接步驟前，還可以通保護(hù)氣，保護(hù)氣的流量大概為10L/min～20L/min，通保護(hù)氣的時(shí)間大于或等于20秒。使用氣體保護(hù)的作用是用惰性氣體把氧氣、氮?dú)飧綦x在外，以防對(duì)熔化的金屬產(chǎn)生不利影響。保護(hù)氣可以為氬氣、氖氣等。

優(yōu)選地，在焊接步驟后，還可以進(jìn)行熱退火處理。處理溫度約為405℃～490℃，保溫時(shí)間大概為6min～18min，有利于調(diào)節(jié)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后性。

如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)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(diǎn)為第一焊接點(diǎn)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(diǎn)為第二焊接點(diǎn)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(diǎn)為第三焊接點(diǎn)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(diǎn)為第四焊接點(diǎn)502。通過(guò)具有超高電導(dǎo)率的銅合金絲與電驅(qū)動(dòng)裝置連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)組件的驅(qū)動(dòng)，從而解決了鎳鈦形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題，且控制精度高，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單。在驅(qū)動(dòng)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?xún)?nèi)的熱循環(huán)后，其電阻也會(huì)相應(yīng)增加，但是在十次以后電阻幾乎不再增加。通過(guò)對(duì)電路電阻的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)形狀記憶合金的熱驅(qū)動(dòng)控制。作為本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，通過(guò)連接多根形狀記憶合金絲和形狀記憶合金管，還可以實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金的多中驅(qū)動(dòng)功能。例如，在第二鎳鈦形狀記憶合金管之后，嵌入第二鎳鈦形狀記憶合金絲作為第二驅(qū)動(dòng)組件，依次類(lèi)推，以ABABABABAB…的方式嵌套多個(gè)鎳鈦形狀記憶合金絲和多個(gè)鎳鈦形狀記憶合金管，最后再用鎳鈦形狀記憶合金管嵌套第二銅合金絲600。根據(jù)需求調(diào)整每根鎳鈦形狀記憶合金記憶形狀，由于每根鎳鈦形狀記憶合金絲的記憶功能不一樣，在通電流加熱后，其變形功能不一樣，從而實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的多種驅(qū)動(dòng)功能，并且一根驅(qū)動(dòng)器上多根鎳鈦形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)功能。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的焊接夾具的示意圖，圖5是利用本發(fā)明實(shí)施例的焊接夾具進(jìn)行形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)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?qǐng)D2的方式進(jìn)行嵌套，然后放于焊接夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。焊接前，通過(guò)保護(hù)氣入口701通入保護(hù)氣，從保護(hù)氣出口801吹出。本發(fā)明實(shí)施例的焊接夾具可以保證焊接時(shí)保護(hù)氣體的濃度，從而保證焊縫均勻平滑，無(wú)明顯凹陷，正面、背面很少出現(xiàn)明顯余高，焊接接頭的熔合線非常清晰，焊縫成形較好。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

優(yōu)選實(shí)施例一：

采用兩根長(zhǎng)度為20.00mm，外半徑為0.4mm，內(nèi)半徑為0.3mm的鎳鈦形狀記憶合金管，長(zhǎng)度為30.00mm，半徑為0.2mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長(zhǎng)度為30.00mm，半徑為0.2mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然后分別用丙酮、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(guò)圖2方式嵌套，并放于夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護(hù)氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為10L/min，時(shí)間為20秒，保護(hù)氣從保護(hù)氣出口801處吹出。設(shè)置脈沖激光熱源的參數(shù)為：峰值功率為2kw，脈寬為15ms，脈沖能量為20J，對(duì)準(zhǔn)重合點(diǎn)的中間位置，依次對(duì)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(jìn)行焊接。焊接后，對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行熱處理，處理溫度為405℃，保溫時(shí)間6min。最后得到銅合金絲-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(qū)動(dòng)組件。

優(yōu)選實(shí)施例二：

采用兩根長(zhǎng)度為30.00mm，外半徑為0.6mm，內(nèi)半徑為0.5mm的鎳鈦形狀記憶合金管，長(zhǎng)度為40.00mm，半徑為0.4mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長(zhǎng)度為40.00mm，半徑為0.4mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然后分別用丙酮、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(guò)圖2方式嵌套，并放于夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護(hù)氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為15L/min，時(shí)間為30秒，保護(hù)氣從保護(hù)氣出口801處吹出。設(shè)置脈沖激光熱源的參數(shù)為：峰值功率為3kw，脈寬為20ms，脈沖能量為30J，對(duì)準(zhǔn)重合點(diǎn)的中間位置，依次對(duì)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(jìn)行焊接。焊接后，對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行熱處理，處理溫度為455℃，保溫時(shí)間10min。最后得到銅合金絲-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(qū)動(dòng)組件。

優(yōu)選實(shí)施例三：

采用三根長(zhǎng)度為30.00mm，外半徑為0.8mm，內(nèi)半徑為0.7mm的鎳鈦形狀記憶合金管，兩根長(zhǎng)度為40.00mm，半徑為0.6mm的鎳鈦形狀記憶合金絲和兩根長(zhǎng)度為40.00mm，半徑為0.6mm銅合金絲。首先將銅合金絲打磨，然后分別用丙酮、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(guò)圖2方式嵌套，并放于夾具基座700上，用固定裝置800夾緊。向夾具基座700的保護(hù)氣入口701處通入氬氣，氬氣流量為20L/min，時(shí)間為40秒，保護(hù)氣從保護(hù)氣出口801處吹出。設(shè)置脈沖激光熱源的參數(shù)為：峰值功率為4.5kw，脈寬為25ms，脈沖能量為40J，對(duì)準(zhǔn)重合點(diǎn)的中間位置，依次對(duì)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(jìn)行焊接。焊接后，對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行熱處理，處理溫度為490℃，保溫時(shí)間10min。最后得到銅合金絲-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(qū)動(dòng)組件。

根據(jù)本發(fā)明的一種形狀記憶合金電-熱驅(qū)動(dòng)的連接方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1)焊接口連接穩(wěn)定、不脫落、抗拉強(qiáng)度高。

(2)形狀記憶效應(yīng)回復(fù)率超過(guò)85％。

(3)焊接口的延展性超過(guò)基材的75％。

(4)實(shí)現(xiàn)鎳鈦合金的超彈性和形狀記憶功能的疊加。

(5)實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的多重自由度的電-熱驅(qū)動(dòng)控制。

(6)通過(guò)控制焊接點(diǎn)的電阻實(shí)現(xiàn)一根驅(qū)動(dòng)器上可以實(shí)現(xiàn)多根鎳鈦形狀記憶合金的多種驅(qū)動(dòng)控制功能。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)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(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)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(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過(guò)中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。