CN102501006A

CN102501006A - 超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法

Info

Publication number: CN102501006A
Application number: CN2011103282595A
Authority: CN
Inventors: 王伊卿; 赵万华; 段玉岗; 刘亚雄; 卢秉恒
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Nanjing Honny 3d Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: CN102501006B

Abstract

本发明公开了一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，包括：1、对铝金属箔滚压沟槽、退火；2、在电磁吸附平台上铺放不锈钢金属箔；3、在不锈钢金属箔表面放置铝金属箔；4、在铝金属箔上放置表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维；5、再铺放一张铝金属箔；6、进行超声波焊接；7、数控加工逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓；重复进行步骤3～7，直到完成金属基复合材料。本发明方法得到的金属基复合材料，在温度升高的状态下，刚度不降低，可保持尺寸稳定；与单方向排列形状记忆合金纤维复合材料所不同的是，在循环加热载荷实验下，这种复合材料的性能和尺寸各个方向保持稳定。

Description

超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法

【技术领域】

本发明属于制造业的先进制造技术领域，特别涉及一种新型的三维金属超声波焊接制造多功能金属基复合材料的方法。

【背景技术】

超声波焊接叠层制造是一种固态自由成型工艺，采用超声波焊接金属箔制造3D金属结构。超声波焊接叠层制造过程中，埋入形状记忆合金SMA纤维，可用于纤维基复合材料的制造。超声波叠层制造纤维金属基复合材料，和其它的长纤维金属基复合材料制造方法相比，如铸造，扩散焊接和喷射沉积技术，超声波快速成型制造具有显著优势。

首先，超声波焊接工艺不需要高温。虽然由于界面上的摩擦热温度最高可以达到金属熔点的一半，甚至只有熔点的四分之一，但是在零件制造的离散过程中，热量几乎可以忽略不计。特别适合于对成型温度有严格要求的形状记忆、磁致伸缩智能材料和结构的制造。第二，超声波制造结合了增材制造和去除制造的优势，可以用来制造复杂3D结构零件，并且具有高精度和高的表面质量，包括内部复杂通道，可以实现多种材料的制造，内部可以埋入加强纤维、形状记忆合金纤维、光纤、传感器和电子元件。因为工艺过程不需要金属的熔化，不必担心收缩带来的尺寸误差，残余应力，以及成品零件的变形。不需要金属熔化也可以帮助我们克服脆性的金属间化合物的形成，也不必考虑异质金属的互溶问题。第三，这种工艺可以用来焊接难以焊接的金属，以及异质金属，不需要惰性气体保护。超声波焊接甚至能进行玻璃和金属的焊接。第四，在金属箔表面以及埋入材料有氧化膜时，例如3003铝合金，超声波焊接前不需要预处理，超声波能量打碎并分散表面氧化膜和杂质，形成原子连接，不必考虑金属材料的界面润湿性。

更加值得注意的是，超声波焊接可以实现金属基复合材料的快速成型。超声波焊接快速成型制造中，三维CAD模型通过计算机软件分层，得到许多水平层数据，层厚度和金属箔相等。这些数据从底部到最上层依次建造，最终制造出三维物体。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝(SMA-Al)金属基复合材料的方法，用于制造一种刚度可调整，尺寸可保持金属基复合材料，本发明的制造方法成型速度快、精度高，具有广阔的应用领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，包括以下步骤：

1)、首先对铝金属箔表面滚压沟槽，对滚压后的铝金属箔进行退火热处理；

2)、在电磁吸附平台上铺放一张不锈钢金属箔；

3)、在不锈钢金属箔表面铺放一张铝金属箔；

4)、在铝金属箔上排列放置表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维；

5)、在表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维表面再铺放一张铝金属箔；

6)、进行超声波焊接，滚动声极在压力作用下，向前滚动，同时，将超声波振动传递给铝金属箔，实现两张铝金属箔之间，铝金属箔和表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维之间的焊接；

7)、完成一层铝金属箔和表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维的超声波焊接后，数控加工逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓；

重复进行3)～7)的步骤，直到完成金属基复合材料。

铝金属箔的厚度为100～200μm，铝金属箔上形成的沟槽的间距为100～400μm；铝金属箔上形成的沟槽的深度为40～150μm；对滚压后的铝金属箔进行退火热处理的具体方法为：对滚压后的铝金属箔进行退火热处理，退火加热温度为450～520℃，保温5小时，然后随炉冷却，每小时冷却温度小于10度，冷至200度出炉空冷。

铝金属箔上形成的沟槽包括相互平行的第一方向的沟槽和相互平行的第二方向的沟槽，第一方向垂直第二方向。

表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维包括芯部的NiTi合金形状记忆合金纤维、包覆在NiTi合金形状记忆合金纤维外层的绝缘层和包覆在绝缘层外的铝镀层，NiTi合金形状记忆合金纤维的直径为100～200μm，绝缘层的厚度为10～30nm，铝镀层的厚度为5～30μm。

表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维的制备方法为：首先，将NiTi合金形状记忆合金纤维采用原位水热化学合成法，在温度为180～220℃的反应液中，反应时间为4～14小时，在TiNi合金形状记忆合金表面制备一层TiO₂绝缘层；然后，采用真空镀铝工艺，在TiO₂绝缘层表面蒸镀一层铝镀层；其中，反应液的组成为：质量百分数为15％～30％的NaOH 、质量百分数为10％～20％的NaNO₂、余量为H₂O，反应液的pH值为8～14。

进行超声波焊接时，超声波振动频率为20kHz，振幅为5～15μm；滚动声极的直径为30～60mm；进行超声波焊接时，滚动声极的滚动速度为30～50mm/s，法向压力为100～300MPa。

步骤3)中表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维嵌入铝金属箔上的沟槽中。

相邻层的表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维垂直布置。

步骤6)中进行数控加工时，采用的铣刀直径为1～2mm，铣削机床主轴转速5000～20000转/分钟。

在进行步骤1)～7)之间，首先将金属基复合材料三维CAD模型通过计算机分层，得到若干水平层数据，层厚度与铝金属箔厚度相等；步骤6)中在每一层的超声波焊接后，采用数控铣削加工，逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)采用超声波连续焊接制造形状记忆合金金属基复合材料，形状记忆合金纤维埋入温度较低；另一个特点是超声波连续焊接，上下金属箔界面连续；

2)形状记忆合金表面绝缘化处理后，可形成一绝缘层，表面镀铝，可以对绝缘层有保护作用，超声波焊接埋入后，与铝合金基体结合强度高；

3)铝金属箔表面滚压沟槽，便于形状记忆合金纤维的嵌入，铝金属箔的退火热处理，目的是消除形变强化效应，便于超声波焊接；

4)超声波焊接埋入过程中，铣削加工切割金属基复合材料零件CAD轮廓，制造金属基复合材料零件，精度高，制造速度快；

5)超声波焊接埋入形状记忆合金，形状记忆合金纤维排列方向垂直，金属基复合材料在温度升高时，形状记忆合金纤维发生相变，弹性模量增加，抵消基体因为温度升高带来的弹性模量降低，对金属基复合材料的X、Y方向刚度进行调整。

6)金属基复合材料在温度升高时，形状记忆合金纤维发生马氏体向奥氏体的相变，因为形状记忆合金纤维的收缩补偿，抵消因为温度升高，基体热膨胀，可保持金属基复合材料X、Y方向尺寸稳定。

【附图说明】

图1为本发明超声波连续焊接叠层制造金属基复合材料的方法所采用的超声波连续焊接装置的结构示意图；

图2为辊轮滚压铝金属箔的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1及图2所示，本发明采用的超声波连续焊接叠层制造金属基复合材料的装置，包括：

一个X-Y工作平台1，该X-Y工作平台1的中央安装有加热平板和电磁吸附平台2，超声波发生器3连接能量转换装置4和滚动声极5，数控铣床主轴和铣刀9。

本发明中形状记忆合金纤维，纤维直径100～200μm；形状记忆合金纤维的表面电镀铝，镀层厚度5～30μm；

铝合金箔6，厚度100～200μm；铝合金箔6表面，采用辊轮10滚压，对于厚度100μm的铝金属箔，形成深度40～70μm的沟槽，对于厚度200μm的铝金属箔，形成60～150μm的沟槽；对铝合金箔6进行退火处理，消除滚压造成的形变强化效应。

本发明超声波连续焊接叠层制造金属基复合材料的装置中，超声波振动频率20kHz，振动幅5～15μm，滚动声极5滚动速度30～50mm/s。滚动声极5直径30～60mm；法向压力100～300MPa；

超声波发生器3通过能量转换装置4将能量转换成机械能，通过滚动声极5，实现在铝合金箔6表面的超声波振动，上、下层金属箔界面以及形状记忆合金纤维之间在压力和超声波振动作用下，通过金属剧烈塑性变形，实现铝合金箔6之间的焊接和表面有绝缘层和镀铝层的形状记忆合金纤维7的埋入。

本发明中，金属基复合材料三维CAD模型通过计算机软件分层，得到许多水平层数据，在每一层的超声波焊接后，采用数控铣削加工，逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓；铣刀直径1～2mm；铣削机床主轴转速5000～20000转/分钟。

本发明的技术思路是，首先对铝金属箔6表面滚压沟槽，并对滚压后的铝金属箔6进行退火热处理，退火加热温度为450～520℃，保温5小时，随炉冷却，每小时冷却温度小于10度，冷至200度出炉空冷，消除形变强化效应；铝金属箔6上形成的沟槽包括相互平行的第一方向的沟槽和相互平行的第二方向的沟槽，第一方向垂直第二方向；这样可以方便摆放铝金属箔6；当然也可以只滚压一个方向上相互平行的沟槽，这样放置相邻铝金属箔6只要旋转其中一个铝金属箔6，使相邻的铝金属箔6上的沟槽垂直。然后在上下铝金属箔6之间，排列放置表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7；表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7嵌入铝金属箔6的沟槽中，相邻层的表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7垂直布置。表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7的制备方法为，将TiNi形状记忆合金纤维采用原位水热化学合成法，在TiNi形状记忆合金表面制备组成为TiO₂的绝缘层，绝缘层的厚度为10～30nm，反应液组成：NaOH(质量百分数15％～30％)+NaNO₂(质量百分数10％～20％)+H₂O(余量)，溶液的pH值为8～14，加热温度为180～220℃，反应时间为4～14小时。采用真空镀铝工艺，在表面绝缘化处理的TiNi形状记忆合金表面蒸镀一层铝薄膜，镀层厚度5～30μm。采用超声波焊接制造技术，将表面有TiO₂绝缘层、镀铝层的形状记忆合金纤维7埋入上下金属箔6之间。

继续在铝金属箔6上表面，放置表面有绝缘层、镀铝层的形状记忆合金纤维7，在纤维上放置铝金属箔6，再一次通过超声波焊接，将表面镀铝的形状记忆合金纤维埋入。超声波焊接过程中，逐层机械加工金属基复合材料零件CAD轮廓，最终得到具有复杂结构的金属基复合材料。

这种方法得到的金属基复合材料，在温度升高的状态下，刚度不降低，可保持尺寸稳定；与单方向排列形状记忆合金纤维复合材料所不同的是，在循环加热载荷实验下，这种复合材料的性能和尺寸各个方向保持稳定。

采用上述装置制造金属基复合材料的方法，具体包括下列步骤：

1)首先采用辊轮10对铝金属箔6表面进行滚压，形成沟槽，对滚压后的铝金属箔6进行退火热处理，退火加热温度为450～520℃，保温5小时，随炉冷却，每小时冷却温度小于10度，冷至200度出炉空冷，消除形变强化效应；铝金属箔6的厚度为100～200μm，表面滚压沟槽，对于厚度100μm的铝金属箔，形成深度40～70μm的沟槽，对于厚度200μm的铝金属箔，形成60～150μm的沟槽，沟槽间距100～400μm；

2)在电磁吸附平台2上铺放一张0.1～0.3mm的不锈钢箔8；

3)在不锈钢箔8表面铺放步骤1)处理后的铝金属箔6；

4)在铝金属箔6上排列放置表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7，表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7嵌入铝金属箔6的沟槽中；

5)在表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7的表面再铺放一张步骤1)处理后的铝金属箔6；

6)超声波发生器3通过能量转换装置4将能量转换成机械能，滚动声极5在压力作用下，法向方向11的压力为100～300MPa，以30～50mm/s的速度向前滚动，同时，将超声波振动传递给铝金属箔6，实现两张铝金属箔6之间，铝金属箔6和表面镀铝的形状记忆合金纤维7之间的焊接；超声波振动12频率20kHz，振动幅度5～15μm；

7)完成一层铝金属箔6和表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7的超声波焊接后，采用数控加工逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓，铣刀直径1～2mm，铣刀转速5000～20000转/分；

重复进行3)～7)的步骤，直到完成金属基复合材料。

相邻层的表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维7垂直布置。

本发明采用超声波焊接工艺，将表面镀铝的形状记忆合金纤维，通过超声波连续焊接埋入铝合金基体，制造金属基复合材料和结构。更有意义的是，在超声波逐层焊接、埋入形状记忆合金纤维过程中，通过数控铣床，在金属箔上逐层铣削所制造零件CAD的轮廓，以及内孔，直接以快速成型原理制造复杂形状的金属基复合材料零件。

形状记忆合金在埋入前，表面采用水热法原位生成绝缘层，表面镀铝，保护绝缘层完整，并提高形状记忆合金纤维和基体的结合强度。

形状记忆合金在埋入前，对铝金属箔表面滚压，形成沟槽，然后进行退火热处理，便于形状记忆合金的埋入。

本发明中形状记忆合金NiTi合金纤维，表面进行绝缘化处理和镀铝后，通过超声波逐层焊接埋入铝合金，通过辊轮滚压铝箔表面，预压出沟槽，便于形状记忆合金丝的埋入；为了减少形变强化效应，滚压后的铝箔，通过热处理，消除应力；每一层超声波焊接后，数控加工CAD数据轮廓，直接以快速成型原理制造金属基复合材料零件。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、首先对铝金属箔(6)表面滚压沟槽，对滚压后的铝金属箔(6)进行退火热处理；

2)、在电磁吸附平台(2)上铺放一张不锈钢金属箔(8)；

3)、在不锈钢金属箔(8)表面铺放一张铝金属箔(6)；

4)、在铝金属箔(6)上排列放置表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)；

5)、在表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)表面再铺放一张铝金属箔(6)；

6)、进行超声波焊接，滚动声极(5)在压力作用下，向前滚动，同时，将超声波振动传递给铝金属箔(6)，实现两张铝金属箔(6)之间，铝金属箔(6)和表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)之间的焊接；

7)、完成一层铝金属箔(6)和表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)的超声波焊接后，数控加工逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓；

重复进行3)～7)的步骤，直到完成金属基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，铝金属箔(6)的厚度为100～200μm，铝金属箔(6)上形成的沟槽的间距为100～400μm；铝金属箔(6)上形成的沟槽的深度为40～150μm；对滚压后的铝金属箔(6)进行退火热处理的具体方法为：对滚压后的铝金属箔(6)进行退火热处理，退火加热温度为450～520℃，保温5小时，然后随炉冷却，每小时冷却温度小于10度，冷至200度出炉空冷。

3.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，铝金属箔(6)上形成的沟槽包括相互平行的第一方向的沟槽和相互平行的第二方向的沟槽，第一方向垂直第二方向。

4.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)包括芯部的NiTi合金形状记忆合金纤维、包覆在NiTi合金形状记忆合金纤维外层的绝缘层和包覆在绝缘层外的铝镀层，NiTi合金形状记忆合金纤维的直径为100～200μm，绝缘层的厚度为10～30nm，铝镀层的厚度为5～30μm。

5.根据权利要求4所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)的制备方法为：首先，将NiTi合金形状记忆合金纤维采用原位水热化学合成法，在温度为180～220℃的反应液中，反应时间为4～14小时，在TiNi合金形状记忆合金表面制备一层TiO₂绝缘层；然后，采用真空镀铝工艺，在TiO₂绝缘层表面蒸镀一层铝镀层；其中，反应液的组成为：质量百分数为15％～30％的NaOH 、质量百分数为10％～20％的NaNO₂、余量为H₂O，反应液的pH值为8～14。

6.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，进行超声波焊接时，超声波振动频率为20kHz，振幅为5～15μm；滚动声极(5)的直径为30～60mm；进行超声波焊接时，滚动声极(5)的滚动速度为30～50mm/s，法向压力为100～300MPa。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，步骤3)中表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)嵌入铝金属箔(6)上的沟槽中。

8.根据权利要求7所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，相邻层的表面绝缘化处理、镀铝的形状记忆合金纤维(7)垂直布置。

9.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，步骤6)中进行数控加工时，采用的铣刀直径为1～2mm，铣削机床主轴转速5000～20000转/分钟。

10.根据权利要求1所述的一种超声波焊接制造形状记忆合金-铝金属基复合材料的方法，其特征在于，在进行步骤1)～7)之间，首先将金属基复合材料三维CAD模型通过计算机分层，得到若干水平层数据，层厚度与铝金属箔厚度相等；步骤6)中在每一层的超声波焊接后，采用数控铣削加工，逐层切割金属基复合材料零件CAD轮廓。