本公開涉及一種用于焊接形狀記憶合金的方法。

背景技術：

形狀記憶合金(SMA)是展現出偽彈性和形狀記憶的一類材料。SMA元件(諸如SMA線材)的變形是暫時的并且通過施加外部刺激(諸如熱或電信號)而可逆。SMA元件的形狀記憶能力大部分是歸因于由于協同原子重組發生的取決于溫度和應力的固態相變。

某些機電應用使用SMA元件來攜帶并且傳輸負載和/或位移，例如基于SMA線的控制致動器。然而，常規上用于連結電子裝置中的導線的類型的焊接材料并未充分結合至SMA材料，諸如鎳-鈦。因此，用于將SMA元件連結至部件的當前慣例包括將金屬端部附件卷邊至SMA元件的遠端上以及接著將卷邊的端部附件緊固至部件的表面。然而，SMA元件的卷邊具有某些性能限制，包括卷邊的端部附件處或附近隨著時間變化而出現的潛在滑動或疲勞。

技術實現要素：

本文公開了一種將形狀記憶合金(SMA)元件焊接至部件的方法。該方法，包括用于保護SMA元件的臨界形狀記憶性質的具體步驟，使得SMA元件(例如，SMA線材)的端部能夠直接焊接至部件。例如，可以將SMA元件直接焊接至印刷電路板組件的表面安裝件或穿孔的接觸墊或直接焊接至其它SMA元件。本方法用于幫助解決制造問題，其中常規的焊接和熔劑組合并未充分結合至構成典型SMA元件的材料，例如，鎳-鈦(NiTi)。本文公開的方法使得在不使用常規的端部卷邊或在SMA元件與SMA元件所焊接到的表面之間不使用其它介入結構的情況下能夠實現SMA元件的直接焊接，具體用于最小程度地影響SMA元件的形狀記憶能力。

在特定實施例中，一種將SMA元件焊接至部件的方法包括：利用預定的熔劑材料和焊接材料對SMA元件的端部鍍錫，相對于部件的表面定位SMA元件的鍍錫端部，以及將SMA元件的鍍錫端部直接焊接至部件的表面。當SMA元件并不具有氧化物層時，焊接材料具有不超過500°F的液相線溫度。當存在氧化物層時可以使用較高溫度，且在這些情況下焊接材料可以含鉛。在示例性實施例中，焊接材料可以是錫基材料，但是在期望的發明范圍內可以使用其它材料，包括錫和鉛的較低百分比混合物或銦與鉛、銀或錫、與下文陳述的各種其它示例性材料組合的混合物。該方法包括在對SMA元件鍍錫和直接焊接的同時控制滲透至SMA元件的深度中的熱量，從而保護SMA元件的形狀記憶能力。

該方法可以包括在不存在氧化物層時使用無鉛焊接材料將SMA元件的鍍錫端部焊接至部件的表面。

該方法可以可選地包括將SMA元件浸入酸性浴液中持續足以產生潔凈的SMA元件的校定的一段時間。所述浴液可以是氫氟酸和硝酸的混合物。可以將浸浴后的SMA元件在水浴液中進行漂洗以去除任何酸性殘留。

在各種非限制性示例性實施例中，焊接材料可以包含按重量計至少3.5％的元素銀，例如，KAPP ZAPP 3.5，或按重量計5％的元素銻或按重量計9％至15％的鋅。可以使用其它材料來實現所需的液相線溫度。

SMA元件可以由鎳鈦構造而成并且在某些實施例中可以配置成SMA線材。

通過結合附圖對實施本公開的最佳模式的以下詳述，本公開的上述特征和優點以及其它特征和優點將是顯而易見的。

附圖說明

圖1是根據所公開方法的用于將形狀記憶合金(SMA)元件焊接至部件的示例性焊接臺的示意圖。

圖2是描述用于將SMA元件焊接至部件的示例性方法的流程圖。

圖3是描述用于將SMA元件焊接至部件的方法的自動版本的流程圖。

具體實施方式

參考附圖，其中相同附圖標記對應于所有幾幅圖的相同或類似的部件，圖1中示意地示出了示例性焊接臺10。然而，如下文參考圖3所述，本公開不限于手動過程。圖1的焊接臺10配置成將形狀記憶合金(SMA)元件12焊接至部件14的表面。例如，焊接臺10可以用于將SMA元件12焊接至接觸墊14C，例如，如圖所示的示例性印刷電路板組件的電接觸件或致動器表面。在本領域中眾所周知，SMA材料的有用應用充分擴展至電子器件的領域之外，且因此印刷電路板組件僅僅是說明性的。部件14可以可選地體現為控制板，其中SMA元件12選擇性地連接以將力或負載施加至控制板，另外這同樣不限于此應用。

圖1的焊接臺10包括與具有熱力控制的焊接筆19的烙鐵18通信的控制器16。卡扣式散熱器11可以用于固定SMA元件12以及用作如下文陳述的散熱器。也可以使用煙櫥15來幫助去除可通過焊接過程在操作者的附近產生的煙霧。焊接臺10處還布置有如下文陳述的所需材料和設備，其是根據圖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體成分的焊接材料21和熔劑材料22。可以使用常規的尖端鍍錫材料24來幫助在焊接操作之前清理焊接筆19中的氧化物和污垢。

如上文提及，常規的焊接材料在應用于SMA材料、尤其是鎳-鈦SMA線材時很大程度上或完全無效。因此，本文公開的具體材料成分、熔接溫度和技術期望使得能夠將SMA元件12直接焊接至部件14。如本文所使用，術語“直接”和“直接地”要求SMA元件12與SMA線材12將被焊接到的表面之間不存在介入結構。例如，常規方法包括將金屬端部件卷邊至SMA線材的端部，接著將金屬端部件焊接或緊固至表面。此過程被視為間接的，因為SMA線材的材料本身并未焊接至所述表面。

SMA線材和其它SMA元件12在制造時具有在校定的激活溫度下收縮(例如長度收縮高達6％)的能力，因此允許SMA元件12用作致動器。如果SMA元件12在焊接過程期間過熱(使用常規的焊接技術可能會發生)，那么SMA元件12的形狀記憶能力可降級或徹底丟失。因此，下文所述的方法100的全部焊接步驟均需要部分通過控制尖端19T處的熱量來將受控制的熱量施加于SMA元件12的局部區域。這允許熔劑材料22將SMA元件12充分濕潤，使得焊接材料21可牢固地結合至SMA元件12。隨后盡可能快地去除熱量以防止熱量穿透至SMA元件12的深度中。換句話來說，熱量被局部保持，因此SMA元件12并不會失去其形狀記憶能力。一般來說，在下文公開的具體示例中，方法100使用散熱器(諸如圖1中所示的導熱卡扣式散熱器11)、低液相線溫度焊接材料21以及特定的熔劑材料22來最小化對形狀記憶能力的影響。

圖1中的控制器16包括輸入裝置13，該輸入裝置13可操作地用于設定所需焊接溫度。例如，可以使所示的溫度刻度盤旋轉至所需溫度設定，該溫度設定在本方法100的范圍中可以在約375°F至約700°F的范圍內，約450°F至約550°F的焊接溫度通常是合適的，當在SMA元件12的外表面上存在氧化物層時可能使用更高的溫度，如下文所解釋的。溫度控制器16的其它實施例在設計與操作上可以是數字式的。通過輸入裝置13設定所需的焊接溫度導致焊接筆19的尖端19T的電阻加熱至所需溫度。

在圖2的方法100和圖3的自動化方法200的范圍之內，熔劑材料22可以是具有低液相線溫度的活性化合物或酸性化合物。如本領域所知，術語“液相線溫度”是指在高于該溫度時給定的材料完全處于液態的溫度。在本公開的范圍內，術語“低液相線溫度”是指在特定實施例中不超過約500°F的溫度。熔劑材料22用于幫助從SMA元件12上去除表面氧化物的光層。在熔劑材料22中使用特定的化學物質，諸如氟化錫(SnF2)，可有助于去除氧化物層。熔劑材料22的另一個示例的混合物是磷酸的足夠濃縮的形式，例如含有至少80％的磷酸的混合物。用焊接材料21和熔劑材料22在SMA元件12的端部或者在SMA元件12的其它區域鍍錫，最終將SMA元件12直接焊接到部件14上。

只要當氧化物層在SMA元件12的表面上不存在或是處于減少至不會過分干擾直接結合到部件14的水平時，在方法100和方法200中使用的焊接材料21可以是合適的無鉛的焊接材料。當氧化物層以相對于校定的閾值的足夠高的水平存在時，則可以選擇性地使用含鉛的和包芯的焊接材料21，例如含有元素錫和氟化物的材料。當使用焊接材料21的含鉛包芯的形式時，通過溫度輸入裝置13可以選擇相對較高的焊接溫度，例如大約600°F至700°F。為了最小化對含鉛焊料的需要，方法100和方法200可以包括在單獨準備階段(諸如通過耐磨材料或使用電化學浴液，和/或使用含有錫和氟化物的熔劑材料22)從SMA元件12去除氧化物層。

相對于焊接材料21的示例性實施例，可以使用錫基混合物。例如，在一些實施例中至少85％的元素錫(Sn)的混合物是合適的。在本特定示例的范圍內，可以使用范圍約85％至96.5％Sn的材料混合物，混合物的其余成分是合適的材料，諸如元素鋅(Zn)、銀(Ag)或銻(Sb)。在所述范圍之內，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。在其它示例性的實施例中，特別是當存在表面氧化物時，可以使用氯化鋅或氟化鋅。本領域的普通技術人員可以理解的是，在預期的本發明的范圍內可以設想具有不超過500°F的閾值低液相線溫度的各種另外的焊接材料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。

可根據SMA元件12的性質以及是否存在表面氧化物層來選擇焊接溫度。焊接溫度通常為約450°F至700°F之間的范圍，即足夠高于焊接材料21的低液相線溫度。在示例的范圍內較高的溫度可以用于涂有氧化物的SMA元件12，較低的溫度更適用于沒有氧化物層的SMA元件12，以及用于最低限度地影響SMA元件12的形狀記憶特性。由于焊接溫度將超過焊接材料21的熔點，所以通常在高于450°F的溫度下焊接純錫。例如，添加3.5％的元素銀將傾向于使該溫度降低至約430°F。

參考圖2，在示例性實施例中，方法100從步驟S102開始，其中SMA元件12首先被切割成所需長度然后用于評估氧化物表面層或膜的存在。例如，SMA元件12可在高倍顯微鏡下觀察或接受其它的測試或者檢驗技術，這些技術能夠顯示SMA元件12的外表面上的氧化物層。方法100接著前進到步驟S104。

在步驟S104處，在步驟S102處所檢測的任何氧化物的水平可以與校定的閾值做比較。當檢測的氧化物水平低于校定的閾值時，則方法100接著前進到步驟S107，當檢測的氧化物水平超過校定的閾值時，則方法100前進到步驟S105或步驟S106。特別地，步驟S105可以在直接焊接之前作為方法100的一部分單獨地去除氧化物層的過程中執行，而步驟S106可以在需要含有氧化物的SMA元件12的直接焊接時執行。

在可選的步驟S105處，氧化物層可以從SMA元件12的表面上輕柔地去除，諸如通過化學蝕刻或酸蝕刻，通過輕柔研磨或其它合適的加工步驟。例如，可以將SMA元件12浸入酸性去除氧化物的浴液中持續一個適于去除氧化物層的校定的一段時間，接著把SMA元件12浸入潔凈的液態水浴液或其它合適的清潔劑浴液中充分漂洗。在一個可能的實施例中，涂有氧化物的SMA元件12可浸浴在氫氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合物中。可以使用的一種這樣的混合物是5％的濃HF的混合物，即至少48％的HF和15％的濃HNO3，即至少70％的HNO3。步驟S105還可以或替代地包括使用細粒沙紙或其它研磨材料人工研磨SMA元件12的表面以輕柔地去除氧化物膜而不磨損SMA元件12的下層表面。在氧化物層已經被去除至低于步驟S104處應用的閾值的水平之后，方法100繼續前進至步驟S107。

步驟S106包括設定圖1的控制器16的焊接溫度至適合用于焊接涂有氧化物的SMA元件12的閾值溫度。當如下面所示的使用包芯的焊絲或含鉛的焊接材料21時，焊接溫度可超過600°F。合適的包芯的焊絲的示例包括70％至80％的鉛(Pb)、10％至20％的錫(Sn)和1％至5％的銀(Ag)及ALU-SOL 45D的混合物或者其它合適的鉛基混合物。根據控制器16和溫度輸入裝置13的配置，步驟S106可以要求旋轉刻度盤或者通過鍵盤選擇數字設定。在方法100的每個步驟中，特別是對SMA元件12鍍錫和直接焊接時，要小心地控制穿透SMA元件12的深度的熱量，即，通過卡扣式散熱片11和特定材料的使用以及這里所公開的氧化物去除方法進行控制。這樣做是為了保護SMA元件的形狀記憶能力。方法100接著前進到步驟S108。

步驟S107包括設定控制器16的溫度至適合用于焊接相對潔凈的、沒有氧化物的SMA元件12的閾值溫度水平。根據在步驟S104處的判定檢測到氧化物水平足夠低于用無鉛的焊接材料21(例如KAPP ZAPP 3.5)繼續進行直接焊接，或者在步驟S105處任何氧化物層的去除以達到這種足夠低的氧化物水平，可以預測步驟S107的執行。在步驟S107中焊接溫度可約為450°F至550°F，將溫度設置為如上面的步驟S106提出的溫度設置。方法100接著前進到步驟S109。

在步驟S108處，焊接材料21可以被涂覆到SMA元件12上。焊接材料21的含鉛的包芯版本可用于這個目的，例如按重量計算含有大約70％的元素鉛。方法100接著前進到步驟S110。

在步驟S109處，SMA元件12的端部用熔劑材料22(在這種情況下，熔劑材料22是包芯的熔劑材料22)和焊接材料21鍍錫，使得SMA元件12涂有充分涂覆的焊接材料21。可以根據需要用尖端鍍錫材料24來清潔焊接筆19的尖端19T。如在本領域已知的，鍍錫是把熔劑材料22和焊接材料21涂覆到SMA元件12的端部的過程，從而確保在把SMA元件12附接到部件14之前，在焊接材料22和SMA元件12之間形成具有足夠完整性的結合。方法100接著前進到步驟S111。

步驟S110包括用尖端鍍錫材料24清潔尖端19T，在這種情況下，尖端鍍錫材料24應該是無鉛的材料。合適的無鉛的尖端鍍錫材料24的一個示例包括錫、磷酸銨以及磷酸二銨的混合物。方法100接著前進到步驟S111。

根據在步驟S102中氧化物層是否存并且在步驟S105中沒有被去除，步驟S111包括用焊接材料21的成分浸漬SMA元件12(SMA元件12在之前已經被鍍錫到焊接材料21中)的端部。也就是說，當檢測到氧化物時，則可以使用焊接材料21的含鉛的包芯版本幫助去除氧化物并且將SMA元件12鍍錫。當沒有檢測到氧化物時，則焊接材料21可以是無鉛的材料。

步驟S111還可包括用卡扣式散熱器11支承鍍錫端部。例如，接線夾可以用作SMA元件12的線狀夾持器，還可用作合適的散熱器，進一步保護SMA元件12的形狀記憶功能。焊接筆19的尖端19T涂覆有上述類型的焊接材料21，使得一小滴熔融焊料出現在尖端19T上。然后在尖端19T上的焊料滴接觸到SMA元件12(其中熔劑材料21涂覆SMA元件12)，同時將SMA元件12快速移動充分地通過熔化的液滴以對SMA元件12鍍錫。方法100接著前進到步驟S113。

步驟S113包括用圖1中的尖端鍍錫材料24對SMA元件12將被焊接到的部件14的任何接觸表面鍍錫。通過示例，步驟S113可以包括對如圖1中所示的部件14的接觸墊14C鍍錫。方法100接著前進到步驟S115。

在步驟S115處，焊接筆19保持抵靠在部件14的接觸墊14C上，同時一小滴珠焊接材料21被涂覆到接觸墊14C上。在焊接材料21保持熔融的同時，潔凈的SMA元件12被移動到熔化的液滴中。一旦SMA元件12被恰當地定位，就去除焊接筆19。SMA元件12被保持在適當位置，直到焊接材料21最終冷卻，通常僅需要幾秒鐘。可以釋放散熱器11。對每個形成的焊接接頭重復方法100。

本領域的技術人員可以想到圖2中的方法100的其它實施例。例如，圖3中的方法200可以包括自動化的或半自動化的波峰焊接工藝，其中SMA元件12首先在步驟202中進行一系列浸浴。在一個示例性實施例中，在類似于圖2中的步驟S105的步驟中，可以用第一次酸性浴來去除氧化物層，而第二次清潔水浴去除任何酸性殘留。額外的浸浴可用于涂覆熔劑材料22以涂覆SMA元件12的端部，并且將SMA元件12的已經涂覆的端部浸入焊接材料21中。

在步驟204處，SMA元件12的鍍錫端部可被放置在與部件14的先前鍍錫的接觸墊14C接觸的位置，并且通過加熱槍、加熱爐或其它加熱源加熱以熔化焊接材料21。在步驟206處，SMA元件12和鍍錫的接觸墊14C可以在夾具或者壓具內壓在一起并使其冷卻。可替代地，SMA元件12可以放置在本領域中熟知的類型的取放機中并且臨時地附著到接觸墊14C上。

在步驟208處，SMA元件12和部件14可以被傳送通過熔劑材料22、焊接材料21和適當的清洗劑的另一系列的浸浴液以去除任何殘留的熔劑材料22。使用特殊材料和上面列出的步驟可以在本公開的范圍內預見到其它方法，例如，用機器把焊接材料21和熔劑材料22的混合物涂覆到接觸墊14C，然后將組件傳送通過加熱爐以熔化焊接材料21。根據部件14的構造，部件14可以此后被傳送通過清潔浴液以用清潔浴液的成分去除過量的熔劑材料22。

上面所公開的方法100和方法200的優勢包括SMA元件12的形狀記憶特性的應用的維護和一致性。通過消除SMA元件12的端部連接處或卷曲部的卷邊，有利于直接把SMA元件12焊接至部件14，可以提高適合用于包含SMA元件12的應用的次數。方法100和方法200還可帶來具有改進的傳熱性的組件。此外，可以消除把端部連接卷邊至SMA元件12的端部相關聯的時間和費用。可以實現較強的端部附接，例如，通過允許SMA元件12直接附接至控制電路板或其它部件14。鑒于本公開內容，這些和其它益處對于本領域的普通技術人員來說是顯而易見的。

雖然已經詳細說明用于執行本公開的最佳實施例，但涉及本公開所屬領域的技術人員將認識到，在所附權利要求書的范圍內可以有實施本公開的各種替代設計和實施例。