唐文敬 譚家宏 谷雪蓮

摘要：鎳鈦形狀記憶合金（nickel titanium shape memory alloys，Ni-Ti SMA）因具有超彈性和生物相容性而廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。為了滿足越來(lái)越高的應(yīng)用要求，Ni-Ti SMA與其他材料的連接成為研究的熱點(diǎn)。針對(duì)Ni-Ti SMA與不銹鋼焊接中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了綜述，總結(jié)了熔焊、壓力焊和釬焊等方法的研究進(jìn)展，比較了不同焊接方法對(duì)焊接結(jié)果的影響。分析了Ni-TiSMA與不銹鋼焊接接點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和斷裂特征，并指出抑制金屬間化合物的形成是Ni-Ti SMA與不銹鋼成功焊接的關(guān)鍵，固態(tài)焊更有利于抑制金屬間化合物的形成。

關(guān)鍵詞：金屬間化合物;鎳鈦形狀記憶合金;不銹鋼;焊接

中圖分類號(hào)：TG457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鎳鈦形狀記憶合金（nickel titanium shapememory alloys，Ni-Ti SMA）作為一種金屬智能材料，不僅具有特殊的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，還具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性以及生物相容性，因而，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、儀器儀表以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。隨著應(yīng)用需求的增加，以及產(chǎn)品性能的多樣化，單純的Ni-Ti SMA無(wú)法滿足產(chǎn)品的性能要求，需要將Ni-Ti SMA與其他材料相結(jié)合。例如：Ni-Ti SMA和不銹鋼結(jié)合的導(dǎo)引導(dǎo)絲，近端不銹鋼支撐性好，易于推送，遠(yuǎn)端Ni-Ti SMA絲順應(yīng)性好，易于在迂曲血管中行進(jìn);Ni-Ti SMA和不銹鋼焊接制成的復(fù)合矯治弓絲，其中Ni-Ti SMA絲對(duì)錯(cuò)位牙施加合適的矯治力，而不銹鋼為非錯(cuò)位牙提供充足的支抗，復(fù)合矯治弓絲可明顯提高牙齒的正畸效率和減輕患者的痛苦。導(dǎo)引導(dǎo)絲在人體血管中行進(jìn)，需要進(jìn)入到各種彎曲和狹窄的環(huán)境中，通過(guò)閉塞環(huán)境還會(huì)受到很大阻力，若Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊點(diǎn)強(qiáng)度不夠，可能會(huì)發(fā)生斷裂，使部分導(dǎo)絲斷留在人體內(nèi)，對(duì)患者具有很大的生命威脅。因此，研究Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊接，可充分發(fā)揮Ni-TiSMA的優(yōu)良性能，保障患者生命安全。焊接是連接異種材料的較好方法，而Ni-Ti SMA與Ni-TiSMA以及Ni-Ti SMA與異種材料的焊接存在很多問(wèn)題，尤其是Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊接研究報(bào)道較少見(jiàn)。

1存在的問(wèn)題

李洪梅研究發(fā)現(xiàn)Ni-Ti SMA與不銹鋼直接對(duì)焊的焊點(diǎn)平均抗拉強(qiáng)度為184MPa，斷口平整且有微裂紋，是典型的脆性斷裂。Mirshekari等通過(guò)x射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析得出，焊縫區(qū)主要是由B2，y-Fe，a-Fe，TiFe，TiFe2，TiCr2，TiNi3和Ti2Ni等相構(gòu)成（見(jiàn)圖1），相比于母材，焊縫區(qū)生成了大量的含Ti金屬間化合物，這是影響焊點(diǎn)性能的主要因素。通過(guò)維氏硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)硬度明顯高于兩側(cè)母材區(qū)和熱影響區(qū)的硬度（見(jiàn)圖2），進(jìn)一步表明含Ti金屬間化合物是影響焊點(diǎn)性能的主要因素。

2焊接方法

如何避免含Ti金屬間化合物的產(chǎn)生是研究的主要問(wèn)題，為此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊接進(jìn)行了一系列的研究。

2.1激光焊

激光焊是利用聚集的激光束轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量而進(jìn)行焊接的一種方法，是重要的連接技術(shù)。激光焊能量密度大，加熱范圍小，焊縫和熱影響區(qū)窄，殘余應(yīng)力和焊接變形小，被廣泛用于細(xì)小工件的連接。Ni-Ti SMA對(duì)溫度較敏感，而激光焊可以精確控制熱量輸入，減小焊接熱影響區(qū)，因此，眾多研究者優(yōu)先選用激光焊連接Ni-Ti SMA與不銹鋼。

2.1.1直接對(duì)焊

Van等采用等離子弧焊連接Ni-Ti SMA與不銹鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)存在大量的脆性相，而這些脆性相是影響焊點(diǎn)強(qiáng)度的主要因素。Gugel等通過(guò)優(yōu)化激光焊參數(shù)獲得較好的焊接結(jié)果，其焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到620MPa，但并未對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行微觀組織分析。Almurshdy等采用激光焊連接Ni-TiSMA與420馬氏體不銹鋼、Ni-Ti SMA與Ni-TiSMA、420馬氏體不銹鋼與420馬氏體不銹鋼，結(jié)果表明，Ni-Ti SMA與420馬氏體不銹鋼對(duì)焊焊點(diǎn)的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ni-Ti SMA與Ni-Ti SMA對(duì)焊以及420馬氏體不銹鋼與420馬氏體不銹鋼對(duì)焊焊點(diǎn)的硬度。Hahnlen等采用激光焊連接Ni-Ti SMA與304不銹鋼管，探究了激光焊能量對(duì)熱影響區(qū)大小的影響，結(jié)果表明，激光焊能量越大，焊接熱影響區(qū)越大。李洪梅用激光焊連接Ni-Ti SMA與不銹鋼，其焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度為184MPa，通過(guò)XRD分析表明，焊縫區(qū)主要是含Ti金屬間化合物。

2.1.2金屬中間層

金屬間化合物是Ni-Ti SMA與不銹鋼焊點(diǎn)脆斷的主要原因，為抑制金屬間化合物的形成，Pouquet等焊接Ni-Ti SMA與不銹鋼時(shí)添加了Ni中間層，結(jié)果表明Ni中間層的添加有效地抑制了Fe-Ti等金屬間化合物的形成。Li等在激光焊連接Ni-Ti SMA與不銹鋼時(shí)加入了Ni，Co和Cu等金屬中間層（焊接結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示），研究了不同厚度的金屬中間層對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。添加Ni，Co和Cu中間層后，焊點(diǎn)力學(xué)性能有了不同程度的提高，XRD分析結(jié)果表明，隨著Ni，Co和Cu中間層厚度的增加，焊縫區(qū)Ti-Fe，Ti-Ni和Ti-Cr金屬間化合物逐漸減少，但增加了Co-Ti，Ni-Ti和Cu-Ti金屬間化合物。其中，加Cu中間層效果最為明顯。添加熔點(diǎn)低、塑性好的Cu元素，有效地改善了焊縫區(qū)金屬的流動(dòng)性，抑制了Fe-Ti金屬間化合物的形成，XRD結(jié)果如圖4所示。Cu中間層的厚度為80grn時(shí)，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度可達(dá)521MPa，而直接對(duì)焊的抗拉強(qiáng)度僅為184MPa。

添加Ni，Co和Cu中間層也不能完全避免含Ti金屬間化合物的產(chǎn)生，Ng等和Ho等選擇添加不與Ti形成金屬間化合物的Ta元素，同樣采用激光焊分析不同厚度的Ta中間層對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著Ta中間層厚度的增加，Ti-Fe，Ti-Ni和Ti-Cr金屬間化合物減少，但增加了Ta-Cr和Ta-Ni金屬間化合物，Ta中間層的厚度為50um時(shí)，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度最高為251MPa。添加不同中間層的焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表1。

2.1.3熱處理

Mirshekari通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行200℃保溫1h的熱處理工藝來(lái)改善焊點(diǎn)力學(xué)性能以及抗腐蝕性能，得到Ni-Ti SMA與不銹鋼焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度由213MPa提高到393MPa，焊縫區(qū)硬度降低，表面抗腐蝕能力提高。熱處理使異種材料因線膨脹系數(shù)不同而引起的殘余應(yīng)力得到釋放，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度提高。

以上研究結(jié)果表明，不同種類以及不同厚度的金屬中間層對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能具有明顯的影響。添加金屬中間層能有效地減少Fe-Ti金屬間化合物的產(chǎn)生，但隨著金屬中間層厚度的增加，產(chǎn)生了Ti2Co，TiCo，TiNi3，Ti2Ni，TiCu，Ti3Cu4，Ti2Cu3和Ni3Ta等新的金屬間化合物。分析二元合金相圖集發(fā)現(xiàn)，除了Li元素，沒(méi)有其他元素可以同時(shí)不與Ni，Ti，F(xiàn)e和Cr元素形成金屬間化合物。添加金屬中間層有助于提高Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊接強(qiáng)度，但不能完全避免金屬間化合物的產(chǎn)生。焊后熱處理可以有效地消除殘余熱應(yīng)力，使焊件表面氧化層更加穩(wěn)定，有利于提高焊件的力學(xué)性能。

2.2壓力焊

激光焊接Ni-Ti SMA與不銹鋼焊點(diǎn)強(qiáng)度低的主要原因是產(chǎn)生了金屬間化合物，而加壓焊接法是避免金屬熔化形成金屬間化合物的有效方法。

2.2.1瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊

瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊通常采用比母材熔點(diǎn)低的材料作中間層，在加熱到連接溫度時(shí)，在結(jié)合面上瞬間形成液膜，在保溫過(guò)程中，隨著低熔點(diǎn)組元向母材的擴(kuò)散，液膜厚度隨之減小直至消失，再經(jīng)一定的保溫時(shí)間而使成分均勻化。

李紅等采用Ag-Cu金屬箔為中間層，連接溫度為860℃，保溫時(shí)間為60min，連接壓力為0.05MPa時(shí)，接頭最大剪切強(qiáng)度為239MPa，斷裂發(fā)生在Ni-Ti SMA母材和Ag-Cu中間層擴(kuò)散界面處，因母材中Ti元素向Ag-Cu液相中溶解過(guò)程中形成含Ti金屬間化合物，焊點(diǎn)強(qiáng)度無(wú)明顯提高。李杜采用Ti和Cu金屬箔作中間過(guò)渡層，在1100℃保溫20min，然后施加40GPa壓力進(jìn)行瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接，得到Ni-Ti SMA與不銹鋼連接接頭的剪切強(qiáng)度為195MPa.

2.2.2電阻焊

電阻焊是將工件組合后通過(guò)電極施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。

Li等研究了電阻焊連接Ni-Ti SMA和304不銹鋼，焊前對(duì)原料冷拔后再熱處理，通過(guò)調(diào)整焊接電流來(lái)優(yōu)化焊接結(jié)果，焊接裝配圖和相應(yīng)的裝配剖面圖如圖5所示。電流為40A時(shí)，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度為440MPa，斷裂表面出現(xiàn)韌窩等塑性斷裂特征。通過(guò)在焊點(diǎn)處添加不銹鋼套管以及焊后冷拔可以將焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度提高到830MPa。焊后冷拔改善了因晶粒粗化而變軟的焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。

2.2.3摩擦焊

摩擦焊是在壓力作用下，利用接觸端面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱，通過(guò)界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法。

Fukumoto等采用摩擦焊的方式連接Ni-TiSMA與不銹鋼，通過(guò)控制摩擦焊的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)控制熱量的輸人，分析對(duì)比了Ni-Ti SMA與不銹鋼直接對(duì)焊和在中間添加Ni片的焊接效果。在300r-s^-1的速度下旋轉(zhuǎn)5s，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度可達(dá)512MPa。

Gupta等通過(guò)調(diào)整摩擦焊的轉(zhuǎn)速來(lái)改善焊接質(zhì)量，Ni-Ti SMA與不銹鋼焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度達(dá)Ni-Ti SMA母材抗拉強(qiáng)度的89%。結(jié)果表明，摩擦焊焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于添加Ni-Ti SMA套管時(shí)焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，且摩擦焊焊點(diǎn)具有良好的抗彎能力。焊縫區(qū)能譜結(jié)果表明（見(jiàn)圖6），焊縫區(qū)成分穩(wěn)定，摩擦焊有效地抑制了金屬間化合物的產(chǎn)生，焊點(diǎn)的力學(xué)性能得到顯著提高。

2.2.4碰撞對(duì)焊

碰撞對(duì)焊是通過(guò)突然碰撞快速連接的方法，能有效地減少金屬間化合物的產(chǎn)生。Li等采用碰撞對(duì)焊連接Ni-Ti SMA和不銹鋼，碰撞速度為40mm·S^-1時(shí)，有效熱輸入時(shí)間最短，Ni-Ti SMA變形區(qū)最大，徑向擴(kuò)張尺寸最大，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度超過(guò)522MPa，斷裂發(fā)生在Ni-Ti SMA焊接熱影響區(qū)，焊縫區(qū)擴(kuò)散層最薄，厚度為1um。

固態(tài)焊可以有效抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，是焊接異種材料的有效方法，目前焊接結(jié)果較好的Lake Region Medical公司采用的是摩擦焊，國(guó)內(nèi)還未能掌握這種焊接工藝，固態(tài)焊連接Ni-Ti SMA與不銹鋼的研究還需要繼續(xù)深人。

2.3釬焊

釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)但低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接的方法。

李明高選用Ag基釬料，采用激光釬焊法研究Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊接性能，該研究確定了Ni-Ti SMA與不銹鋼的釬焊釬料成分（含Ag，Cu，Zn和Sn4種元素），在此基礎(chǔ)上，采用四因素的二次回歸組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以熔化溫度和焊點(diǎn)力學(xué)性能為主要指標(biāo)，最終確定出釬料的最優(yōu)成分，Ag，Cu，Zn，和sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：51%～53%，21%～23%，17%～19%和7%～9%。并得出釬料中Ag含量對(duì)焊點(diǎn)有顯著影響，如圖7所示。焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度可達(dá)295～317MPa。Li等刨采用激光釬焊連接Ni-TiSMA與不銹鋼，選用3種不同成分的Ag基釬料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在焊接釬料中Zn和Sn的含量不同，需要的焊接熱輸入量和焊接時(shí)間不同，改變釬料成分，有助于減少焊接所需熱輸入量和焊接時(shí)間，從而改善釬料的潤(rùn)濕性，改善Ni-Ti SMA與不銹鋼激光釬焊焊點(diǎn)的強(qiáng)度。

Shiue等采用紅外釬焊連接Ni-Ti SMA與316不銹鋼，采用兩種Ag基釬料（Cusil-ABA和Ticusil），通過(guò)對(duì)不同溫度下焊接不同時(shí)間的結(jié)果對(duì)比，得出使用Ticusil釬料時(shí)，在950℃下釬焊60s的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度最高為237MPa。

文獻(xiàn)1281中公開(kāi)了一種血管內(nèi)Ni-Ti SMA導(dǎo)絲、導(dǎo)絲焊接工裝及導(dǎo)絲焊接方法。焊接工裝如圖8所示，焊接在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，Ni-Ti SMA與不銹鋼對(duì)焊端面間添加圓盤(pán)狀A(yù)g焊料，加熱釬料，利用夾具連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行激光小光斑多點(diǎn)環(huán)繞加熱，連續(xù)焊接，實(shí)現(xiàn)Ni-Ti SMA與不銹鋼的連接。借助階梯狀端頭，使釬料熔化包覆在階梯狀端頭上，增加連接強(qiáng)度。

釬焊主要是釬料組元向母材擴(kuò)散和母材向液體釬料熔解，而釬料組元擴(kuò)散到母材晶粒邊界時(shí)常使晶界發(fā)脆以及母材熔解到釬料中形成含Ti金屬間化合物是釬焊連接強(qiáng)度不高的主要原因。釬料的成分對(duì)焊接結(jié)果也有重要的影響，不同成分的釬料熔點(diǎn)不同，對(duì)母材的潤(rùn)濕性不同。通過(guò)調(diào)整釬料成分，可以改善潤(rùn)濕性、降低釬料熔點(diǎn)，提高Ni-TiSMA與不銹鋼的連接強(qiáng)度。

3小結(jié)

Ni-Ti SMA與不銹鋼的焊點(diǎn)具有良好的力學(xué)性能，特別是彎曲性能，可以為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中高端導(dǎo)引導(dǎo)絲和正畸弓絲的研發(fā)奠定基礎(chǔ)，為改進(jìn)車輛制動(dòng)器節(jié)省成本，同時(shí)有利于促進(jìn)Ni-Ti SMA與其他異種材料的焊接技術(shù)的發(fā)展，具有重要的理論意義和使用價(jià)值。

通過(guò)對(duì)不同焊接方法的對(duì)比，得出固態(tài)焊是避免含Ti金屬間化合物形成的有效方法;加中間層的熔焊雖然能夠提高焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，但仍不能避免復(fù)雜金屬間化合物的形成;釬焊主要通過(guò)釬料熔化連接母材，釬料黏附強(qiáng)度較小。固態(tài)焊更有利于抑制金屬間化合物的形成，對(duì)于固態(tài)焊連接Ni-TiSMA與不銹鋼的方法仍需深人研究。如何有效地避免金屬間化合物的產(chǎn)生仍然是研究的重點(diǎn)，未來(lái)可以通過(guò)改善固態(tài)焊接技術(shù)來(lái)提高Ni-Ti SMA與不銹鋼的連接強(qiáng)度，并為研究異種材料的焊接提供理論基礎(chǔ)。