NiTi合金與異種材料焊接技術(shù)的研究進(jìn)展

汪洪偉，謝吉林，2＊，陳玉華，張體明，王善林，黃永德

1.南昌航空大學(xué)江西省航空構(gòu)件成形與連接重點(diǎn)試驗室 江西南昌 330363

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)試驗室 黑龍江哈爾濱 150000

1 序言

NiTi形狀記憶合金（Nitinol Shape Memory Alloy，NiTi SMA）是一種新型的實用功能材料，具有獨(dú)特的形狀記憶作用、超彈性、優(yōu)異的耐蝕性能和良好的生物相容性[1]。它在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，NiTi形狀記憶合金通常以絲、板、簧、管、釘和圈等元器件形式應(yīng)用于航空航天飛行器、空間結(jié)構(gòu)平臺、核反應(yīng)堆、建筑和橋梁等場合，用于控制工程結(jié)構(gòu)的變形或振動，監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及損傷等狀況，極大提高了工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[2,3]。眾所周知，任何新材料的成功推廣不僅取決于其固有特性，而且還取決于連接技術(shù)的發(fā)展（NiTi SMA同種或其他異種材料的連接）。目前，通過采用諸如激光焊[4-7]、摩擦焊、瞬間液相擴(kuò)散焊（TLP-DB）、激光釬焊、儲能焊等焊接方法，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了NiTi SMA同種或異種材料焊接的大量研究。

NiTi SMA與其他異種材料的連接能夠有效地降低成本和提高綜合力學(xué)性能。例如，NiTi SMA/SS牙科復(fù)合弓絲（CoAW）集中了NiTi形狀記憶合金和不銹鋼（SS）的優(yōu)點(diǎn)[8]。但NiTi形狀合金與SS（不銹鋼）進(jìn)行焊接時，兩種材料在物理和化學(xué)性能上的巨大差異使焊接變得十分困難；界面處形成的TiFe2、TiCr2等脆性金屬間化合物極易產(chǎn)生裂紋，對接頭力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)均會產(chǎn)生不良影響，這極大地限制NiTi SMA的更廣泛應(yīng)用。同樣，當(dāng)進(jìn)行NiTi SMA/Ti6Al4V焊接時，在接頭與母材界面處形成的Ti2Ni脆性金屬間化合物使接頭性能急劇惡化。在NiTi SMA與其他異種材料的焊接中，激光焊是研究和應(yīng)用最多的焊接工藝，因此在本文使用了較多的篇幅介紹。

在以往的研究中，已通過各種方法（如：添加片狀或粉末狀[9]中間層、激光偏移焊接（LOW）[10]和利用過渡層等）來限制或盡可能減少接頭脆性金屬間化合物的生成，以求獲得性能優(yōu)異的接頭組織，但均未達(dá)到設(shè)計中的理想焊接效果。

目前由于國內(nèi)外的研究工作者所進(jìn)行的多為探討性的研究，距離真正的大規(guī)模推廣應(yīng)用階段還較遠(yuǎn)，因此積極開展NiTi SMA/異種材料焊接的研究工作，尋找消除接頭脆性金屬間化合物的最佳解決方案，來獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實意義。

2 熔化焊

從實際的工業(yè)生產(chǎn)需求來看，熔化焊的應(yīng)用最為廣泛。熔化焊能夠有效地解決焊接過程中固態(tài)焊接接頭形式受限制的問題，對于各種形式的接頭均能實現(xiàn)焊接[11]，NiTi SMA在實際生產(chǎn)應(yīng)用中多以絲或薄板的形狀出現(xiàn)。目前，對于TiNi形狀記憶合金與異種材料焊接的研究，由于激光焊具有能量密度高、加熱速率快、熱影響區(qū)窄、焊接變形小，并能實現(xiàn)局部微小區(qū)域加熱等優(yōu)點(diǎn)，所以已成為絲材或薄板材料連接的重要方法，得到了廣泛應(yīng)用[12]。但由于NiTi SMA對溫度的變化十分敏感且在焊縫中易產(chǎn)生脆性金屬間化合物和鑄造組織，所以會對接頭的強(qiáng)度和NiTi側(cè)的形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生不良的影響，使其接頭性能無法達(dá)到預(yù)想的試驗效果。

2.1 鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）

TIG是一種精確可控的焊接工藝。在焊接過程中，即使在極小的電流強(qiáng)度下，電弧也很容易穩(wěn)定；能夠焊接材料的厚度范圍很廣，也能進(jìn)行薄板的焊接；并且在適當(dāng)?shù)牟僮鲄?shù)下，能夠得到無缺陷、質(zhì)量較高的焊接接頭。LU等[13]將TIG與激光焊接相結(jié)合，進(jìn)行了NiTi形狀記憶合金焊絲與醫(yī)用封堵器316L不銹鋼管的連接；首先采用TIG焊接NiTi形狀記憶合金焊絲，然后采用激光點(diǎn)焊將NiTi形狀記憶合金焊接到316L不銹鋼管上，如圖1所示。分析研究發(fā)現(xiàn)，TiC化合物彌散分布在NiTi SMA的TIG焊縫中，而在NiTi/316L不銹鋼點(diǎn)焊熔合區(qū)附近的TiC化合物含量明顯減少。由于在NiTi/316L不銹鋼的點(diǎn)焊熔合區(qū)附近發(fā)生了短距離擴(kuò)散，故在熔合區(qū)周圍出現(xiàn)Ni3Ti+（Fe，Ni）Ti等金屬間化合物。由于在激光點(diǎn)焊過程中，不銹鋼直接發(fā)生熔化，而NiTi SMA的TIG焊縫沒有發(fā)生熔化，熱量由不銹鋼傳遞到NiTi SMA的TIG焊縫，形成了點(diǎn)焊過程中的熱影響區(qū)，因此在一定程度上減少了Ti-Fe金屬間化合物的形成。

圖1 NiTi形狀記憶合金焊絲與316L不銹鋼管的焊接步驟[13]

由于NiTi合金的可逆應(yīng)力、應(yīng)變效應(yīng)，所以在輕量驅(qū)動器上有較廣的應(yīng)用；但由于NiTi部件對溫度變化很敏感，加工困難；將NiTi SMA連接到一種易于機(jī)械加工和焊接的材料上，能使控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的集成化難度大大降低。FOX等[14]利用定制的商業(yè)純Ni接頭（Ni200）作為中間層插入NiTi合金和304 SS管中，以改善焊縫組織，提高焊接接頭的性能。研究分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離熔池的NiTi合金的硬度在200~400HV；在熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)，有一個硬度增加的區(qū)域，最高值達(dá)到了817HV，如圖2所示。焊接接頭的熱影響區(qū)寬度約為125μm，包括最高硬度為817HV的部分混合區(qū)和1~2μm的熱影響區(qū)。

圖2 NiTi/304 SS焊縫硬度圖，虛線表示熔合邊界的 大致位置[14]

在力學(xué)性能測試中，焊縫失效發(fā)生在NiTi管一側(cè)，在宏觀層面上表現(xiàn)為脆性破壞；從斷裂面的SEM形貌可以看出明顯的河流花樣和較大的解理面，表明接頭為明顯的穿晶斷裂。由于斷口形貌與光學(xué)顯微鏡觀察到的熔融邊界相似，因此在部分混合區(qū)中，脆性金屬間化合物的存在可能是焊接接頭失效的主要原因。在NiTi SMA/Ni/304 SS管截面焊縫中沒有觀察到大的裂紋，且焊縫能夠承受高于304 SS退火屈服強(qiáng)度的剪切應(yīng)力；這表明Ni中間層的存在能夠有效地防止因Ti-Fe金屬間化合物的形成所導(dǎo)致的接頭失效，從而在NiTi和304 SS之間建立了可靠的連接。

2.2 激光焊

LI和SUN等[15]使用純Ni作為中間填充層進(jìn)行了NiTi形狀記憶合金絲與不銹鋼絲的激光焊接。研究表明，焊縫區(qū)的組織非常復(fù)雜，主要包含γ-Fe、B2、B19’、TiFe2、TiCr2、TiNi3和Ti2Ni相，NiTi SMA側(cè)的熔合區(qū)形成了金屬間化合物層。隨著Ni中間層厚度的增加，生成的脆性金屬間化合物（TiFe2和TiCr2）逐漸減少；且隨著焊縫中的Ni含量增加，接頭性能大大提高。由于熔合區(qū)產(chǎn)生的金屬間化合物層比較脆，所以接頭斷裂在NiTi SMA側(cè)熔合區(qū)。當(dāng)進(jìn)一步增加焊接接頭中的Ni含量時，由于Ni元素含量的越來越高，促進(jìn)了更穩(wěn)定的反應(yīng)物（TiNi3和B19'）的形成，并且在焊縫金屬中形成了更多氣孔和收縮腔，因此導(dǎo)致焊接接頭性能的下降，如圖3所示。

圖3 10~100μm厚Ni中間層接頭焊接區(qū)的XRD圖譜[15]

LI等[8]將Cu作為中間層，討論了Cu中間層的厚度對激光焊接TiNi合金和不銹鋼接頭組織和性能的影響，旨在通過添加Cu中間層來改善焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)和性能。研究發(fā)現(xiàn)，將銅填充金屬的厚度從20μm增加到120μm，焊接區(qū)的Cu元素含量明顯增加，而Ti、Ni、Fe和Cr元素含量則呈下降趨勢。焊縫的微觀組織從等軸晶和枝晶結(jié)構(gòu)（40μm厚的Cu中間層）轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅烤哂胁煌叽绲母籆u相球狀結(jié)構(gòu)（80μm厚的Cu中間層）。進(jìn)一步增加銅填充金屬的厚度，富銅球狀相變得更多且粗大，如圖4所示。隨著Cu中間層厚度的增加，由于Cu固溶體的增多和IMC（TiFe2、TiNi3等）的減少，所以使接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率也增加了。將銅填充金屬增加到120μm厚時，由于在焊縫/TiNi界面上形成了更多的Cu-Ti金屬間化合物，所以使接頭性能降低，焊接示意如圖5所示。

圖4 不同厚度Cu中間層的SEM圖像[8]

圖5 激光焊接TiNi合金/Cu/AISI 304不銹鋼

ASADI等[9]研究了鎳粉的添加對AISI 304不銹鋼和NiTi SMA弓絲異種激光焊接組織和力學(xué)性能的影響，鎳粉被用作焊接填充金屬，用以改善激光焊接中的接頭性能。對于NiTi SMA與其他異種材料的連接，國內(nèi)外相關(guān)研究人員通常采用了兩類不同的方法來消除異種焊接中所產(chǎn)生的脆性金屬間化合物。第一類是使用除母材外的第三種金屬作為中間層來改變焊縫成分，從而消除或者減少脆性金屬間化合物的產(chǎn)生[8，15-22]。第二類是應(yīng)用高溫中間層，例如，使用Ta和V作為擴(kuò)散阻擋層[23，24]。但是使用箔片中間層會導(dǎo)致焊接區(qū)域的組織、化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，為了找到克服這些問題的解決方法，筆者利用金屬粉末來代替箔片。

研究結(jié)果表明，添加鎳粉是改善異種N i T i S M A-S S接頭性能有效且實用的方法。鎳粉的加入使初生凝固相由Fe2Ti轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3Ti和γ兩種韌性相，促進(jìn)了該韌性相在焊縫區(qū)的形成。由于鎳粉對焊縫區(qū)化學(xué)成分的稀釋，抑制了成分過冷，故使焊縫區(qū)組織由枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹?胞狀組織。當(dāng)添加鎳粉時，整個焊接區(qū)的平均顯微硬度降低了約43%，達(dá)到325HV（與不添加鎳粉相比）。此外，通過使用鎳粉，最大接頭強(qiáng)度提高了100%，達(dá)到300MPa（2.9%斷裂應(yīng)變）。與使用箔片相比，使用鎳粉作為填充金屬是更加實用的方法；整個焊縫區(qū)的焊接成分和顯微硬度變得更加均勻。

ZHANG等[19]研究了以38Zn-61Cu合金為填充金屬，對NiTi形狀記憶合金與不銹鋼（SS）異種金屬材料進(jìn)行激光焊接。將38Zn-61Cu合金作為填充金屬來連接NiTi SMA和SS，使激光偏移到SS中，在接頭的SS側(cè)進(jìn)行熔焊，而在接頭的SS-NiTi界面上進(jìn)行擴(kuò)散焊接；確定了SS-NiTi SMA接頭兩種不同的接頭機(jī)制（熔融焊接和擴(kuò)散焊接的復(fù)合接頭），激光焊接如圖6所示。由于未熔化的SS起到了擴(kuò)散屏障的作用，因此獲得了特殊的接頭，可以完全避免接頭中產(chǎn)生Ti-Ni、Ti-Fe金屬間化合物，從而改善了接頭的性能。在SS-NiTi界面處形成擴(kuò)散焊縫，其主要組織為β-CuZn+Fe3Zn7、β-CuZn和Ti2Cu+TiNi。在焊接過程中，SS-NiTi界面處產(chǎn)生大量原子擴(kuò)散，擴(kuò)散焊縫的厚度可達(dá)到數(shù)百微米，但擴(kuò)散焊縫成為了接頭的薄弱部位，導(dǎo)致拉伸試驗失敗。拉伸試驗期間，接頭在擴(kuò)散焊縫中斷裂。接頭的最大抗拉強(qiáng)度僅為153MPa，雖然接頭的力學(xué)性能較低，但在焊接過程中，復(fù)合接頭完全避免了脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，對此連接方式的改善和研究具有較大意義。

圖6 接頭物理模型形成

OLIVEIRA等[25]研究了用Nb作為NiTi SMA和Ti6Al4V中間層的脈沖激光焊接。焊接過程中，使激光偏置到Ti6Al4V上，從而在接頭的Ti6Al4V-Nb一側(cè)發(fā)生熔接，而在接頭的NiTi-Nb一側(cè)發(fā)生共晶連接，得到了與Nb中間層極限抗拉強(qiáng)度相匹配的無缺陷接頭，如圖7所示。因為材料熔點(diǎn)的顯著差異導(dǎo)致只有Ti6Al4V和NiTi熔化，而大部分Nb中間層保持固態(tài)，故在NiTi-Nb界面上，Nb中間層因其高的導(dǎo)熱系數(shù)，起到了散熱器的作用，從接頭的Ti6Al4V一側(cè)吸收了大量的能量，并將其傳遞到NiTi一側(cè)。這使得該界面的溫度至少達(dá)到1170℃，從而在NiTi和Nb之間發(fā)生了接觸熔化，并在這兩種材料之間形成了接頭。接頭組織大部分由片狀共晶凝固區(qū)組成，在凝固接頭中沒有觀察到金屬間化合物。Nb中間層的高熔點(diǎn)保證了大部分鈮在焊接過程中保持固態(tài)，成功地阻止了兩種母材的混合。

圖7 Ti6Al4V/Nb/NiTi激光偏置

陳玉華團(tuán)隊先后進(jìn)行了二元NiTi SMA/不銹鋼和寬相變滯后的三元NiTiNb SMA/Ti6Al4V異種材料的焊接研究。利用純Ni絲作中間層填充金屬進(jìn)行了NiTi SMA/304不銹鋼的激光焊接，獲得了成形良好的焊接接頭。但焊縫與兩側(cè)的母材之間存在明顯的界面區(qū)，尤其在NiTi-Ni界面上形成的Ni3Ti相，使接頭組織分布不均勻，限制了接頭的抗拉強(qiáng)度[26]。針對上述問題，對無缺陷NiTi SMA/Ni/SS焊接接頭分別進(jìn)行了650℃和850℃的焊后熱處理，由于隨著熱處理溫度的提高，焊縫組織逐漸均勻化，所以提高了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度；在850℃的焊后熱處理時，接頭的平均強(qiáng)度達(dá)到最大值（643MPa），相當(dāng)于焊態(tài)接頭的2.12倍[27]。

為了消除Ni47Ti44Nb9 SMA/Ti6Al4V異種材料焊接時，由于大量金屬間化合物的形成和應(yīng)力集中導(dǎo)致的焊接裂紋現(xiàn)象（包括焊縫中心的縱向凝固裂紋、焊腳處的橫向熱裂紋等）[28]，如圖8所示。陳玉華等嘗試使用純Ni、純Nb、純Ti作為中間層填充金屬，來控制接頭中焊接裂紋的產(chǎn)生；結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ni和Ti作填充金屬時，獲得接頭性能并不理想[29，30]：由于Ni填充金屬的加入，在焊縫中形成了細(xì)小的晶粒和橢圓狀晶界，降低了接頭的裂紋敏感性，但接頭的剪切載荷僅有162N，斷裂表面具有明顯的脆性斷裂形貌；加入Ti中間層后，能夠有效地控制接頭中焊接裂紋的產(chǎn)生，但在焊縫中依然發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的微裂紋，使得接頭的力學(xué)性能嚴(yán)重下降。而使用Nb作填充金屬時，隨著Nb填充金屬熔化量的增加，沿焊縫母材兩側(cè)的連續(xù)IMC區(qū)逐漸減小，接頭抗拉強(qiáng)度隨之增加；當(dāng)Nb填充金屬完全熔化時，接頭的平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)Ti6Al4V母材的82%[31]。熔化的Nb填充金屬稀釋了接頭中Ni元素的含量，有效降低了Ti2Ni脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，獲得了性能良好的焊接接頭。

圖8 接頭的表面形貌[28]

以上研究表明，雖然采用T I G焊接能夠?qū)崿F(xiàn)NiTi合金與異種材料的有效連接，但由于TIG焊機(jī)的熱源沒有激光焊機(jī)集中，導(dǎo)致了焊接接頭熔合區(qū)（FZ）和熱影響區(qū)（HAZ）更大，在連接NiTi組件時可能會損失更多地形狀記憶和超彈性性能。當(dāng)采用激光焊連接NiTi SMA與異種材料時，通過添加箔片、焊絲或粉末狀中間層、激光偏移焊接（LOW）和制成（熔融焊接和擴(kuò)散焊接）復(fù)合接頭的方 法[8-11，15，17，19-21，24，25]，可以很好地限制和減少接頭脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，獲得性能優(yōu)異的接頭。

雖然通過以上方法來改善接頭組織能夠獲得比無填充層焊接更為優(yōu)異的性能，但添加中間層的方法不可避免的會在接頭焊縫中產(chǎn)生金屬間化合物，且片狀中間層還會導(dǎo)致接頭成分和組織的不均勻，從而對接頭的強(qiáng)度和NiTi SMA側(cè)的形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生不利影響。制成（熔融焊接和擴(kuò)散焊接）復(fù)合接頭不會在焊縫處形成Fe-Ti金屬間化合物，但是擴(kuò)散焊縫的強(qiáng)度較低，無法滿足設(shè)計要求。總的看來，通過添加粉末狀中間層和激光偏移焊接能夠獲得較為理想的焊接接頭。

3 固態(tài)焊接

熔化焊總是包含固-液-固轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中伴隨產(chǎn)生尺寸變化、變形、殘余應(yīng)力；而固態(tài)焊接方法可以防止這些，焊縫金屬不會經(jīng)歷熔融凝固過程，從而避免了一些不必要的冶金反應(yīng)，這對TiNi形狀記憶合金的焊接十分有利。目前國內(nèi)外對NiTi SMA與其他異質(zhì)材料固態(tài)焊接的研究報道較少，研究主要集中在摩擦焊和超聲波焊方面。

3.1 摩擦焊

DENG等[32]為了驗證攪拌摩擦焊制備異種NiTi SMA/Ti6Al4V接頭的可行性，分別進(jìn)行了常規(guī)攪拌摩擦焊和輔助加熱攪拌摩擦焊的研究，如圖9所示。常規(guī)攪拌摩擦焊接頭的成形較為困難，焊接過程中會產(chǎn)生大量裂紋。通過輔助加熱的方法，當(dāng)預(yù)熱溫度為200℃、恒定轉(zhuǎn)速為475r/min、運(yùn)行速度為23.5mm/min時獲得了無裂紋的良好接頭，預(yù)熱墊板的存在降低了焊縫的溫度梯度和冷卻速度，消除了由于塑性金屬流動性不足和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋缺陷。但由于焊接過程中塑性變形和摩擦熱的熱力耦合作用促進(jìn)了Ti2Ni脆性金屬間化合物的形成，并使其顯著粗化；接頭斷裂在Ti2Ni金屬間化合物區(qū)，其抗拉強(qiáng)度僅為269MPa。因此輔助加熱攪拌焊能夠消除常規(guī)攪拌摩擦焊接頭中的裂紋缺陷，但Ti2Ni金屬間化合物的形成不可避免，對接頭性能造成不利影響。

圖9 輔助加熱FSW焊接[32]

FUKUMOTO等[18]研究了使用純Ni中間層的NiTi形狀記憶合金與不銹鋼摩擦焊接，在有無Ni中間層的兩種情況下，對NiTi SMA和304 SS進(jìn)行摩擦焊接，如圖10所示。研究發(fā)現(xiàn)，在無Ni中間層的情況下，焊接界面區(qū)會形成大量的脆性Fe2Ti金屬間化合物，導(dǎo)致界面強(qiáng)度急劇降低，接頭強(qiáng)度最大值僅為200MPa。當(dāng)添加Ni中間層之后，中間層填充金屬改變了焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)，有效地提高了接頭的力學(xué)性能；在NiTi-Ni界面上沒有發(fā)現(xiàn)Fe2Ti金屬間化合物，而形成了TiNi3層和TiNi+TiNi3共晶反應(yīng)層，周邊區(qū)域有發(fā)生共晶反應(yīng)的趨勢。在力學(xué)性能測試過程中，NiTi-Ni界面上發(fā)生斷裂，接頭強(qiáng)度最高可達(dá)512MPa；Ni中間層的加入有效地降低了接頭中脆性Ti2Ni的生成。

圖10 攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌[18]

3.2 超聲波焊

ZHANG和LI等[33-36]進(jìn)行了以Cu、Al作為中間層NiTi SMA的超聲波點(diǎn)焊研究，Al、Cu過渡層通過變形和擴(kuò)散在超聲波焊接過程中發(fā)揮了橋梁的作用，提高了NiTi SMA的焊接性能。由于焊接過程中強(qiáng)烈的塑性變形和較高的應(yīng)變速率，Al、Cu晶粒發(fā)生再結(jié)晶并與母材發(fā)生相互擴(kuò)散，使NiTi SMA與Al、Cu之間形成了良好的冶金結(jié)合。根據(jù)焊后研究分析發(fā)現(xiàn)，在接頭界面均未生成金屬間化合物；隨著焊接能量的增加，焊接界面的機(jī)械和冶金結(jié)合能力大大增強(qiáng)，極大提高了接頭的力學(xué)性能。由于超聲波焊接接頭的主要連接機(jī)制是原子擴(kuò)散和金屬鍵合，在焊縫界面不會產(chǎn)生對接頭有害的金屬間化合物，因此可以實現(xiàn)NiTi SMA的有效連接。

X I E等[37]采用純A l中間層系統(tǒng)地研究了焊接壓力對Ti6Al4V/NiTi SMA異種超聲波點(diǎn)焊接頭界面組織、拉伸剪切性能和界面溫度的影響。由于Ti6Al4V和NiTi SMA具有較高的摩擦系數(shù)，并且摩擦表面的高頻超聲振動會使界面焊接溫度快速升高，因此Ti6Al4V/NiTi SMA的異種超聲波點(diǎn)焊接頭必然會形成脆性金屬間化合物（IMC），使接頭性能急劇惡化。研究發(fā)現(xiàn)，添加Al中間層后，隨著焊接壓力的增大，快速的超聲振動將軟化的Al中間層壓入摩擦表面形成的凹槽中，使接頭界面宏觀形貌呈明顯的波浪狀（擁有波峰和波谷），加強(qiáng)了接頭表面的機(jī)械結(jié)合。超聲振動產(chǎn)生的能量主要消耗在Ti6Al4V原始表面的去除上，從而限制了Al中間層與NiTi SMA的進(jìn)一步反應(yīng)；因此在Ti6Al4V-Al界面處發(fā)現(xiàn)了TiAl3化合物層，而在Al-NiTi界面處未檢測到明顯的反應(yīng)層。當(dāng)焊接壓力為0.52MPa時，在Ti6Al4V-Al界面上形成了連續(xù)均勻的IMC層，接頭的剪切載荷達(dá)到最大值（931N）。

由此可見，采用摩擦焊和超聲波焊來連接NiTi合金異種材料似乎是可行的方法。但是在摩擦焊中，工件結(jié)合面的幾何精度難以控制；對于攪拌摩擦焊，雖然可以解決這個問題，但往往受接頭形狀的復(fù)雜程度和尺寸大小等因素限制且攪拌摩擦焊的過程中不可避免地會發(fā)生部分熔化現(xiàn)象，其金屬間化合物的產(chǎn)生不可避免，對NiTi SMA的形狀記效應(yīng)會造成不利的影響。而超聲波焊接只能應(yīng)用于較小的零件和較薄的材料，在工程應(yīng)用方面有很大限制。

4 總結(jié)與展望

NiTi形狀合金異種材料的焊接存在一系列的焊接問題，主要有脆性金屬間化合物的形成、接頭晶粒尺寸不均勻和熱影響區(qū)的成分變化。隨著對NiTi SMA材料研究的進(jìn)一步深入以及Ni-Ti基SMA材料在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對焊接接頭的焊接質(zhì)量、力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)等要求越來越高，獲得性能優(yōu)異的NiTi SMA焊接接頭已經(jīng)成為了亟需解決的問題。

盡管NiTi SMA焊接連接方面的研究仍在進(jìn)行中，但對于NiTi SMA的異種焊接，目前的研究工作還很有限，仍有一些問題需要解決。對于NiTi SMA與異種材料連接的近期研究，得到以下結(jié)論。

1）在沒有中間層填充的情況下，NiTi SMA與其他異種材料不能實現(xiàn)有效可靠的連接，因此必須要研究新的中間填充層來提高接頭力學(xué)和腐蝕性能。

2）要深入了解NiTi SMA異種接頭的連接機(jī)制，優(yōu)化中間層的材料選擇。

3）在以往的研究中，使用高熔點(diǎn)材料可以防止熔合區(qū)中兩種基材金屬液體的混合，避免脆性金屬間化合物的形成。然而，到目前為止，幾乎沒有中間層在工程應(yīng)用中被測試過，都是試驗性的研究。

4）在控制接頭金屬間化合物方面，固態(tài)焊接更有利于NiTi SMA異種材料的連接；但往往受接頭形狀的復(fù)雜程度和尺寸大小等因素的制約。

5）到目前為止，由于激光焊對基體材料的熱影響最小，國內(nèi)外研究人員對其進(jìn)行了大量的試驗研究。就目前的研究而言，“激光焊+高溫中間層”是NiTi SMA異種材料連接較為理想的方法。