铝箔辅助NiTi与304不锈钢超声焊接的力学性能和界面微观结构研究

       NiTi合金由于其优异的超弹性和形状记忆效应，以及优异的生物相容性和耐腐蚀性，引起了学界广泛的研究兴趣。然而，这种炙手可热的新材料有一定的局限性。首先，与其他金属相比生产成本昂贵。其次，这种材料的超弹性使其机械加工性较差。最后，NiTi合金对热输入表现出极大的敏感性，这使得它成为研究人员在与其他材料建立联系时难以破解的难题。NiTi合金和其他材料之间的联系一直是研究人员关注的一个领域。最值得注意的是不锈钢（SS），由于其高级生物相容性、耐腐蚀性和优异的机械性能，在生物医学领域前景大好。NiTi和SS之间高质量连接的成功实现无疑将扩大其各自的应用范围，使其能够用于具有复杂几何形状的各种系统。最终利用两种材料的固有属性来改善系统的整体结构。近年来，研究人员对NiTi与SS之间的可靠连接进行了研究。对于NiTi和SS之间的连接，已经探索了各种熔焊方法。然而，尽管通过添加中间层，如铜或铝，以提高性能，通过这些方法获得的接头性能仍相对较差。

      超声波点焊（USW）是一种新型焊接技术，在过去20年中被应用于航空、医疗、微电子和汽车制造等行业。已有研究人员利用超声焊接NiTi合金，然而，目前的研究主要集中在超声波焊接工艺参数对软质和轻质金属接头性能和组织的影响，以及用热辅助超声焊接的新工艺对夹层（箔、粉末和复合夹层）进行强化，并且缺乏对硬质合金超声焊接方面的研究。纯铝具有低熔点和高线性膨胀系数，这使其能够快速达到半熔化状态，并填充材料之间的间隙，以增强面间冶金结合。在超声固相连接过程中，发现铝和NiTi的组合不太可能产生脆性相，而在中等焊接能量的条件下，铝和SS不会产生金属间化合物层。本文探索了一种可靠的NiTi/SS连接方法，提供了使用USW将不同类型的NiTi和SS连接到铝夹层的详细分析。

       本研究中使用的基材（BM）是超弹性NiTi形状记忆合金（室温下完全奥氏体）和商用AISI 304 SS（γ-Fe）板材，两者的尺寸均为60 mm×15 mm×0.15 mm。使用尺寸为15 mm×15 mm×0.02 mm的纯铝箔作为中间层。在焊接之前，将NiTi合金样品去除氧化物层。用砂纸去除304 SS表面的氧化膜，然后用酒精清洗并干燥。焊接装置原理示意图如下图1所示。

图1 （a） 超声波金属点焊装置，（b）（c）Sonotrode尖端和砧座的图示与尺寸（d）焊接配置图。焊接后，对不同能量输入下的表面形貌、显微结构、接头性能与失效分析，所得结果如下图所示。

                                                                                        图2 不同焊接能量下的温度循环曲线和表面形态

                                                                                         图3（a） 铝箔挤压示意图（b）250、750和1250J焊接能量下接头界面的宏观形态。

              图4 样品250J断裂的SEM结果：（a）SS侧的宏观断裂；（b）（a）中的局部放大；（c） （b）中的局部放大；（d） NiTi侧宏观断裂；（e）（d）和（f）中的局部放大。

                                                                                           图5  NiTi-Al-SS接头断裂的XRD结果：（a）能量为250J （b）能量为1250J。

    本研究采用USW工艺，采用不同的焊接能量输入，将NiTi合金与带Al夹层的304不锈钢连接，研究了焊接能量对接头力学性能和微观结构的影响，得出了以下结论：

（1） 选用20μm的纯铝箔作为超声波焊接的中间层，实现了SS与NiTi之间的有效连接。

（2） 铝夹层的塑性流动产生了NiTi-SS和NiTi-Al-SS迷人的“双界面”特性。当焊接能量保持在中等水平时，“岛状”Fe4Al13金属间化合物会在界面处产生感觉。然而，当焊接能量过高时，会产生界面Fe4Al13金属间化合物层，从而对接头性能造成不可修复的损害。

（3） 拉伸断裂显示出两种可识别的断裂模式：界面断裂和边缘断裂，在750 J时获得890 N的峰值载荷。值得注意的是，即使在超声波焊接后，NiTi合金仍保持着与BM相同的功能性能，这预示着该技术在各种系统中可以得到广泛应用。