CN106624244B - 用于焊接形状记忆合金的方法 - Google Patents

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Abstract

一种将形状记忆合金(SMA)元件焊接至部件的方法包括：相对于所述部件的表面定位所述SMA元件的镀锡端部，然后当所述SMA元件上不存在氧化物层时，使用具有低液相线温度(500°F或更低)的焊接材料将所述镀锡端部直接焊接至所述表面。当存在氧化物层时，可使用基于铅的焊接材料在较高温度下焊接所述端部。在焊接所述SMA元件之前，所述端部可使用包含磷酸或氟化锡的熔剂材料镀锡。所述SMA元件可浸入酸性浴液中以去除氧化物层。所述焊接材料可包含锡和银、锑或锌，或其它足以实现低液相线温度的材料。控制穿透所述SMA元件的热量以保护形状记忆能力。

Description

用于焊接形状记忆合金的方法
技术领域
本公开涉及一种用于焊接形状记忆合金的方法。
背景技术
形状记忆合金(SMA)是展现出伪弹性和形状记忆的一类材料。SMA元件(诸如SMA线材)的变形是暂时的并且通过施加外部刺激(诸如热或电信号)而可逆。SMA元件的形状记忆能力大部分是归因于由于协同原子重组发生的取决于温度和应力的固态相变。
某些机电应用使用SMA元件来携带并且传输负载和/或位移，例如基于SMA线的控制致动器。然而，常规上用于连结电子装置中的导线的类型的焊接材料并未充分结合至SMA材料，诸如镍-钛。因此，用于将SMA元件连结至部件的当前惯例包括将金属端部附件卷边至SMA元件的远端上以及接着将卷边的端部附件紧固至部件的表面。然而，SMA元件的卷边具有某些性能限制，包括卷边的端部附件处或附近随着时间变化而出现的潜在滑动或疲劳。
发明内容
本文公开了一种将形状记忆合金(SMA)元件焊接至部件的方法。该方法，包括用于保护SMA元件的临界形状记忆性质的具体步骤，使得SMA元件(例如，SMA线材)的端部能够直接焊接至部件。例如，可以将SMA元件直接焊接至印刷电路板组件的表面安装件或穿孔的接触垫或直接焊接至其它SMA元件。本方法用于帮助解决制造问题，其中常规的焊接和熔剂组合并未充分结合至构成典型SMA元件的材料，例如，镍-钛(NiTi)。本文公开的方法使得在不使用常规的端部卷边或在SMA元件与SMA元件所焊接到的表面之间不使用其它介入结构的情况下能够实现SMA元件的直接焊接，具体用于最小程度地影响SMA元件的形状记忆能力。
在特定实施例中，一种将SMA元件焊接至部件的方法包括：利用预定的熔剂材料和焊接材料对SMA元件的端部镀锡，相对于部件的表面定位SMA元件的镀锡端部，以及将SMA元件的镀锡端部直接焊接至部件的表面。当SMA元件并不具有氧化物层时，焊接材料具有不超过500°F的液相线温度。当存在氧化物层时可以使用较高温度，且在这些情况下焊接材料可以含铅。在示例性实施例中，焊接材料可以是锡基材料，但是在期望的发明范围内可以使用其它材料，包括锡和铅的较低百分比混合物或铟与铅、银或锡、与下文陈述的各种其它示例性材料组合的混合物。该方法包括在对SMA元件镀锡和直接焊接的同时控制渗透至SMA元件的深度中的热量，从而保护SMA元件的形状记忆能力。
该方法可以包括在不存在氧化物层时使用无铅焊接材料将SMA元件的镀锡端部焊接至部件的表面。
该方法可以可选地包括将SMA元件浸入酸性浴液中持续足以产生洁净的SMA元件的校定的一段时间。所述浴液可以是氢氟酸和硝酸的混合物。可以将浸浴后的SMA元件在水浴液中进行漂洗以去除任何酸性残留。
在各种非限制性示例性实施例中，焊接材料可以包含按重量计至少3.5％的元素银，例如，KAPP ZAPP 3.5，或按重量计5％的元素锑或按重量计9％至15％的锌。可以使用其它材料来实现所需的液相线温度。
SMA元件可以由镍钛构造而成并且在某些实施例中可以配置成SMA线材。
通过结合附图对实施本公开的最佳模式的以下详述，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是根据所公开方法的用于将形状记忆合金(SMA)元件焊接至部件的示例性焊接台的示意图。
图2是描述用于将SMA元件焊接至部件的示例性方法的流程图。
图3是描述用于将SMA元件焊接至部件的方法的自动版本的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中相同附图标记对应于所有几幅图的相同或类似的部件，图1中示意地示出了示例性焊接台10。然而，如下文参考图3所述，本公开不限于手动过程。图1的焊接台10配置成将形状记忆合金(SMA)元件12焊接至部件14的表面。例如，焊接台10可以用于将SMA元件12焊接至接触垫14C，例如，如图所示的示例性印刷电路板组件的电接触件或致动器表面。在本领域中众所周知，SMA材料的有用应用充分扩展至电子器件的领域之外，且因此印刷电路板组件仅仅是说明性的。部件14可以可选地体现为控制板，其中SMA元件12选择性地连接以将力或负载施加至控制板，另外这同样不限于此应用。
图1的焊接台10包括与具有热力控制的焊接笔19的烙铁18通信的控制器16。卡扣式散热器11可以用于固定SMA元件12以及用作如下文陈述的散热器。也可以使用烟橱15来帮助去除可通过焊接过程在操作者的附近产生的烟雾。焊接台10处还布置有如下文陈述的所需材料和设备，其是根据图2中所示的方法100成功地焊接SMA元件12所需的。所需材料包括下文所述的具有具体成分的焊接材料21和熔剂材料22。可以使用常规的尖端镀锡材料24来帮助在焊接操作之前清理焊接笔19中的氧化物和污垢。
如上文提及，常规的焊接材料在应用于SMA材料、尤其是镍-钛SMA线材时很大程度上或完全无效。因此，本文公开的具体材料成分、熔接温度和技术期望使得能够将SMA元件12直接焊接至部件14。如本文所使用，术语“直接”和“直接地”要求SMA元件12与SMA线材12将被焊接到的表面之间不存在介入结构。例如，常规方法包括将金属端部件卷边至SMA线材的端部，接着将金属端部件焊接或紧固至表面。此过程被视为间接的，因为SMA线材的材料本身并未焊接至所述表面。
SMA线材和其它SMA元件12在制造时具有在校定的激活温度下收缩(例如长度收缩高达6％)的能力，因此允许SMA元件12用作致动器。如果SMA元件12在焊接过程期间过热(使用常规的焊接技术可能会发生)，那么SMA元件12的形状记忆能力可降级或彻底丢失。因此，下文所述的方法100的全部焊接步骤均需要部分通过控制尖端19T处的热量来将受控制的热量施加于SMA元件12的局部区域。这允许熔剂材料22将SMA元件12充分湿润，使得焊接材料21可牢固地结合至SMA元件12。随后尽可能快地去除热量以防止热量穿透至SMA元件12的深度中。换句话来说，热量被局部保持，因此SMA元件12并不会失去其形状记忆能力。一般来说，在下文公开的具体示例中，方法100使用散热器(诸如图1中所示的导热卡扣式散热器11)、低液相线温度焊接材料21以及特定的熔剂材料22来最小化对形状记忆能力的影响。
图1中的控制器16包括输入装置13，该输入装置13可操作地用于设定所需焊接温度。例如，可以使所示的温度刻度盘旋转至所需温度设定，该温度设定在本方法100的范围中可以在约375°F至约700°F的范围内，约450°F至约550°F的焊接温度通常是合适的，当在SMA元件12的外表面上存在氧化物层时可能使用更高的温度，如下文所解释的。温度控制器16的其它实施例在设计与操作上可以是数字式的。通过输入装置13设定所需的焊接温度导致焊接笔19的尖端19T的电阻加热至所需温度。
在图2的方法100和图3的自动化方法200的范围之内，熔剂材料22可以是具有低液相线温度的活性化合物或酸性化合物。如本领域所知，术语“液相线温度”是指在高于该温度时给定的材料完全处于液态的温度。在本公开的范围内，术语“低液相线温度”是指在特定实施例中不超过约500°F的温度。熔剂材料22用于帮助从SMA元件12上去除表面氧化物的光层。在熔剂材料22中使用特定的化学物质，诸如氟化锡(SnF2)，可有助于去除氧化物层。熔剂材料22的另一个示例的混合物是磷酸的足够浓缩的形式，例如含有至少80％的磷酸的混合物。用焊接材料21和熔剂材料22在SMA元件12的端部或者在SMA元件12的其它区域镀锡，最终将SMA元件12直接焊接到部件14上。
只要当氧化物层在SMA元件12的表面上不存在或是处于减少至不会过分干扰直接结合到部件14的水平时，在方法100和方法200中使用的焊接材料21可以是合适的无铅的焊接材料。当氧化物层以相对于校定的阈值的足够高的水平存在时，则可以选择性地使用含铅的和包芯的焊接材料21，例如含有元素锡和氟化物的材料。当使用焊接材料21的含铅包芯的形式时，通过温度输入装置13可以选择相对较高的焊接温度，例如大约600°F至700°F。为了最小化对含铅焊料的需要，方法100和方法200可以包括在单独准备阶段(诸如通过耐磨材料或使用电化学浴液，和/或使用含有锡和氟化物的熔剂材料22)从SMA元件12去除氧化物层。
相对于焊接材料21的示例性实施例，可以使用锡基混合物。例如，在一些实施例中至少85％的元素锡(Sn)的混合物是合适的。在本特定示例的范围内，可以使用范围约85％至96.5％Sn的材料混合物，混合物的其余成分是合适的材料，诸如元素锌(Zn)、银(Ag)或锑(Sb)。在所述范围之内，有效的示例混合物可以包括95％Sn和5％Sb的混合物，即：Sn95Sb5，Sn96.5Ag3.5，Sn91Zn9，和Sn85Zn15。在其它示例性的实施例中，特别是当存在表面氧化物时，可以使用氯化锌或氟化锌。本领域的普通技术人员可以理解的是，在预期的本发明的范围内可以设想具有不超过500°F的阈值低液相线温度的各种另外的焊接材料21，包括但不限于：Sn95.5Cu4Ag0.5，Sn90Zn7Cu3，Pb70Sn30至Pb55Sn45，Sn50Pb50，Sn50Pb48.5Cu1.5，Sn60Pb40至Sn95Pb5，Sn60Pb38Cu2，Sn60Pb39Cu1，Sn63Pb37P0.0015–0.04，Sn62Pb37Cu1，Pb80Sn18Ag2，Sn43Pb43Bi14，Sn46Pb46Bi8,Bi52Pb32Sn16,Bi46Sn34Pb20，Sn62Pb36Ag2，Sn62.5Pb36Ag2.5，In97Ag3，In90Ag10，In75Pb25，In70Pb30，In60Pb40，In50Pb50，In50Sn50，In70Sn15Pb9.6Cd5.4，Pb75In25，Sn70Pb18In12，Sn37.5Pb37.5In25，Pb54Sn45Ag1，Sn61Pb36Ag3，Sn56Pb39Ag5，Sn98Ag2,Sn65Ag25Sb10,Sn96.5Ag3.0Cu0.5，Sn95.8Ag3.5Cu0.7，Sn95.6Ag3.5Cu0.9，Sn95.5Ag3.8Cu0.7，Sn95.25Ag3.8Cu0.7Sb0.25，Sn95.5Ag3.9Cu0.6，Sn95.5Ag4Cu0.5和Sn96.5Ag3.5。
可根据SMA元件12的性质以及是否存在表面氧化物层来选择焊接温度。焊接温度通常为约450°F至700°F之间的范围，即足够高于焊接材料21的低液相线温度。在示例的范围内较高的温度可以用于涂有氧化物的SMA元件12，较低的温度更适用于没有氧化物层的SMA元件12，以及用于最低限度地影响SMA元件12的形状记忆特性。由于焊接温度将超过焊接材料21的熔点，所以通常在高于450°F的温度下焊接纯锡。例如，添加3.5％的元素银将倾向于使该温度降低至约430°F。
参考图2，在示例性实施例中，方法100从步骤S102开始，其中SMA元件12首先被切割成所需长度然后用于评估氧化物表面层或膜的存在。例如，SMA元件12可在高倍显微镜下观察或接受其它的测试或者检验技术，这些技术能够显示SMA元件12的外表面上的氧化物层。方法100接着前进到步骤S104。
在步骤S104处，在步骤S102处所检测的任何氧化物的水平可以与校定的阈值做比较。当检测的氧化物水平低于校定的阈值时，则方法100接着前进到步骤S107，当检测的氧化物水平超过校定的阈值时，则方法100前进到步骤S105或步骤S106。特别地，步骤S105可以在直接焊接之前作为方法100的一部分单独地去除氧化物层的过程中执行，而步骤S106可以在需要含有氧化物的SMA元件12的直接焊接时执行。
在可选的步骤S105处，氧化物层可以从SMA元件12的表面上轻柔地去除，诸如通过化学蚀刻或酸蚀刻，通过轻柔研磨或其它合适的加工步骤。例如，可以将SMA元件12浸入酸性去除氧化物的浴液中持续一个适于去除氧化物层的校定的一段时间，接着把SMA元件12浸入洁净的液态水浴液或其它合适的清洁剂浴液中充分漂洗。在一个可能的实施例中，涂有氧化物的SMA元件12可浸浴在氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合物中。可以使用的一种这样的混合物是5％的浓HF的混合物，即至少48％的HF和15％的浓HNO3，即至少70％的HNO3。步骤S105还可以或替代地包括使用细粒沙纸或其它研磨材料人工研磨SMA元件12的表面以轻柔地去除氧化物膜而不磨损SMA元件12的下层表面。在氧化物层已经被去除至低于步骤S104处应用的阈值的水平之后，方法100继续前进至步骤S107。
步骤S106包括设定图1的控制器16的焊接温度至适合用于焊接涂有氧化物的SMA元件12的阈值温度。当如下面所示的使用包芯的焊丝或含铅的焊接材料21时，焊接温度可超过600°F。合适的包芯的焊丝的示例包括70％至80％的铅(Pb)、10％至20％的锡(Sn)和1％至5％的银(Ag)及ALU-SOL 45D的混合物或者其它合适的铅基混合物。根据控制器16和温度输入装置13的配置，步骤S106可以要求旋转刻度盘或者通过键盘选择数字设定。在方法100的每个步骤中，特别是对SMA元件12镀锡和直接焊接时，要小心地控制穿透SMA元件12的深度的热量，即，通过卡扣式散热片11和特定材料的使用以及这里所公开的氧化物去除方法进行控制。这样做是为了保护SMA元件的形状记忆能力。方法100接着前进到步骤S108。
步骤S107包括设定控制器16的温度至适合用于焊接相对洁净的、没有氧化物的SMA元件12的阈值温度水平。根据在步骤S104处的判定检测到氧化物水平足够低于用无铅的焊接材料21(例如KAPP ZAPP 3.5)继续进行直接焊接，或者在步骤S105处任何氧化物层的去除以达到这种足够低的氧化物水平，可以预测步骤S107的执行。在步骤S107中焊接温度可约为450°F至550°F，将温度设置为如上面的步骤S106提出的温度设置。方法100接着前进到步骤S109。
在步骤S108处，焊接材料21可以被涂覆到SMA元件12上。焊接材料21的含铅的包芯版本可用于这个目的，例如按重量计算含有大约70％的元素铅。方法100接着前进到步骤S110。
在步骤S109处，SMA元件12的端部用熔剂材料22(在这种情况下，熔剂材料22是包芯的熔剂材料22)和焊接材料21镀锡，使得SMA元件12涂有充分涂覆的焊接材料21。可以根据需要用尖端镀锡材料24来清洁焊接笔19的尖端19T。如在本领域已知的，镀锡是把熔剂材料22和焊接材料21涂覆到SMA元件12的端部的过程，从而确保在把SMA元件12附接到部件14之前，在焊接材料22和SMA元件12之间形成具有足够完整性的结合。方法100接着前进到步骤S111。
步骤S110包括用尖端镀锡材料24清洁尖端19T，在这种情况下，尖端镀锡材料24应该是无铅的材料。合适的无铅的尖端镀锡材料24的一个示例包括锡、磷酸铵以及磷酸二铵的混合物。方法100接着前进到步骤S111。
根据在步骤S102中氧化物层是否存并且在步骤S105中没有被去除，步骤S111包括用焊接材料21的成分浸渍SMA元件12(SMA元件12在之前已经被镀锡到焊接材料21中)的端部。也就是说，当检测到氧化物时，则可以使用焊接材料21的含铅的包芯版本帮助去除氧化物并且将SMA元件12镀锡。当没有检测到氧化物时，则焊接材料21可以是无铅的材料。
步骤S111还可包括用卡扣式散热器11支承镀锡端部。例如，接线夹可以用作SMA元件12的线状夹持器，还可用作合适的散热器，进一步保护SMA元件12的形状记忆功能。焊接笔19的尖端19T涂覆有上述类型的焊接材料21，使得一小滴熔融焊料出现在尖端19T上。然后在尖端19T上的焊料滴接触到SMA元件12(其中熔剂材料21涂覆SMA元件12)，同时将SMA元件12快速移动充分地通过熔化的液滴以对SMA元件12镀锡。方法100接着前进到步骤S113。
步骤S113包括用图1中的尖端镀锡材料24对SMA元件12将被焊接到的部件14的任何接触表面镀锡。通过示例，步骤S113可以包括对如图1中所示的部件14的接触垫14C镀锡。方法100接着前进到步骤S115。
在步骤S115处，焊接笔19保持抵靠在部件14的接触垫14C上，同时一小滴珠焊接材料21被涂覆到接触垫14C上。在焊接材料21保持熔融的同时，洁净的SMA元件12被移动到熔化的液滴中。一旦SMA元件12被恰当地定位，就去除焊接笔19。SMA元件12被保持在适当位置，直到焊接材料21最终冷却，通常仅需要几秒钟。可以释放散热器11。对每个形成的焊接接头重复方法100。
本领域的技术人员可以想到图2中的方法100的其它实施例。例如，图3中的方法200可以包括自动化的或半自动化的波峰焊接工艺，其中SMA元件12首先在步骤202中进行一系列浸浴。在一个示例性实施例中，在类似于图2中的步骤S105的步骤中，可以用第一次酸性浴来去除氧化物层，而第二次清洁水浴去除任何酸性残留。额外的浸浴可用于涂覆熔剂材料22以涂覆SMA元件12的端部，并且将SMA元件12的已经涂覆的端部浸入焊接材料21中。
在步骤204处，SMA元件12的镀锡端部可被放置在与部件14的先前镀锡的接触垫14C接触的位置，并且通过加热枪、加热炉或其它加热源加热以熔化焊接材料21。在步骤206处，SMA元件12和镀锡的接触垫14C可以在夹具或者压具内压在一起并使其冷却。可替代地，SMA元件12可以放置在本领域中熟知的类型的取放机中并且临时地附着到接触垫14C上。
在步骤208处，SMA元件12和部件14可以被传送通过熔剂材料22、焊接材料21和适当的清洗剂的另一系列的浸浴液以去除任何残留的熔剂材料22。使用特殊材料和上面列出的步骤可以在本公开的范围内预见到其它方法，例如，用机器把焊接材料21和熔剂材料22的混合物涂覆到接触垫14C，然后将组件传送通过加热炉以熔化焊接材料21。根据部件14的构造，部件14可以此后被传送通过清洁浴液以用清洁浴液的成分去除过量的熔剂材料22。
上面所公开的方法100和方法200的优势包括SMA元件12的形状记忆特性的应用的维护和一致性。通过消除SMA元件12的端部连接处或卷曲部的卷边，有利于直接把SMA元件12焊接至部件14，可以提高适合用于包含SMA元件12的应用的次数。方法100和方法200还可带来具有改进的传热性的组件。此外，可以消除把端部连接卷边至SMA元件12的端部相关联的时间和费用。可以实现较强的端部附接，例如，通过允许SMA元件12直接附接至控制电路板或其它部件14。鉴于本公开内容，这些和其它益处对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
虽然已经详细说明用于执行本公开的最佳实施例，但涉及本公开所属领域的技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以有实施本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (11)

1.一种将形状记忆合金(SMA)元件焊接至部件的方法，所述方法包括：
用焊接材料和预定的熔剂材料对所述SMA元件的端部镀锡，其中所述熔剂材料包含浓磷酸或氟化锡，并且其中所述焊接材料具有不超过500°F的液相线温度；
相对于所述部件的表面定位所述SMA元件的镀锡端部；
使用所述焊接材料将所述SMA元件的镀锡端部直接焊接至所述部件的所述表面；以及
在对所述SMA元件镀锡并直接焊接的同时，使用散热器控制穿透进入所述SMA元件的深度的热量，从而保护所述SMA元件的形状记忆能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定的熔剂材料包含按重量计至少80％磷酸的浓磷酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：检测所述SMA元件上的氧化物层并且响应于所检测的氧化物层使用含铅的焊接材料作为所述焊接材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述含铅的焊接材料是按重量计至少70％的元素铅。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：检测所述SMA元件上的氧化物层的缺失，并且响应于所检测的氧化物层的缺失使用无铅的焊接材料作为所述焊接材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定的熔剂材料包含氟化锡。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在将所述SMA元件的端部镀锡之前，将所述SMA元件浸入酸性浴液中持续足以从所述SMA元件上去除氧化物层的校定的一段时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将所述SMA元件浸入酸性浴液中包括将所述SMA元件浸入氢氟酸和硝酸的混合物中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊接材料包含元素锡和元素银。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述SMA元件是由镍钛构成的SMA线材。
11.一种将镍钛(NiTi)形状记忆合金(SMA)线材焊接至部件的方法，所述方法包括：
将所述NiTi SMA线材浸入酸性浴液中持续足以从所述NiTi SMA线材上去除氧化物层的校定的一段时间，从而产生洁净的SMA线材；
用无铅的焊接材料和熔剂材料对所述洁净的NiTi SMA线材的端部镀锡；
相对于所述部件的表面定位所述洁净的NiTi SMA线材的镀锡端部；
使用所述焊接材料将所述洁净的NiTi SMA线材的镀锡端部直接焊接到所述部件的所述表面，其中所述焊接材料的液相线温度不超过500°F；以及
在对所述NiTi SMA线材镀锡并直接焊接的同时，使用散热器控制穿透进入所述NiTiSMA线材的深度的热量，从而保护所述NiTi SMA线材的形状记忆能力。
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