哈尔滨工业大学、西北工业大学和上海交通大学领衔策划——异种材料焊接与连接丨JME特邀专栏（下）

专栏导读

现代科技发展对产品性能提出了轻量化、多功能、极端环境服役等更多要求，单一材料很难胜任，采用焊接与连接的方法制备异种材料构件（如陶瓷/金属、陶瓷基复合材料/金属、异种金属、塑料/金属与金属/金属间化合物等），可以充分发挥不同材料各自的优点，满足多方面性能要求，在航空航天、核能、电力电子、化工、船舶、能源、汽车、高速铁路、家电等国家重大需求与国民经济主战场领域有着重要的应用前景，因此异种材料的焊接与连接备受关注。然而异种材料之间的物理、化学、力学性能差异大，冶金相容性差，界面反应和接头应力调控过程复杂，对实现其高质量焊接与连接提出了挑战。

《机械工程学报》编辑部特邀哈尔滨工业大学曹健教授、西北工业大学李文亚教授、上海交通大学李永兵教授和哈尔滨工业大学李淳教授担任客座编辑，共同策划出版“异种材料焊接与连接”专栏，广邀本领域专家学者结合自身科研实践，介绍最新研究进展、总结学科发展脉络及面临的挑战，在广泛开展学术交流，促进科研成果传播的同时，吸引更多的青年科学工作者参与，不断推动我国焊接与连接事业的发展。专栏共收录论文13篇，本期推送后7篇。专栏已于《机械工程学报》2024年22期正式出版。

客座专家团队

曹健，哈尔滨工业大学教授/博导，主要从事新材料与异种材料连接研究工作，主持国家杰出青年科学基金等项目，获得四项国家级和省部级科技奖励。发表学术论文150余篇，授权国家发明专利30余项。兼任中国机械工程学会焊接分会副总干事、中国有色金属学会焊接与连接专业委员会副主任委员及机械工程学报、焊接学报、Acta Metallurgica Sinica、Chinese Journal of Mechanical Engineering等期刊编委。

李文亚，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级领军人才，陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室主任。主要从事先进固相连接技术研究。荣获国家自然科学二等奖、陕西省科学技术一等奖、二等奖等学术奖励。在国内外知名期刊物发表第一或通讯作者SCI论文240余篇，WOS他引10000余次；授权发明专利39件。担任国际期刊Welding in the World、Welding International副主编，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials学科编辑，Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Science and Technology of Welding and Joining、焊接学报、中国表面工程、表面技术等期刊编委。

李永兵，上海交通大学特聘教授，上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室主任。主持教育部新世纪优秀人才计划、国家优青、国家杰青、国家重点研发计划等项目，获机械工业技术发明一等奖、上海市科技进步一等奖、美国焊接学会A.F. Davis Silver Medal Award、Charles H. Jennings Memorial Award等奖励。兼任国家重点研发计划高性能制造技术与重大装备重点专项总体专家组成员、中国机械工程学会焊接分会副总干事、Journal of Manufacturing Processes副主编及Chinese Journal of Mechanical Engineering、Science and Technology of Welding and Joining、焊接学报等期刊编委。

李淳，哈尔滨工业大学教授/博导，主持国家自然基金面上项目等课题，作为核心人员参与了基金委航天联合基金重点项目等重大课题；发表SCI收录论文50余篇。授权国家发明专利8项。任中国有色金属学会先进焊接与连接专业委员会委员、焊接杂志社青年编委。

Al0.3CoCrFeNi高熵合金与YG15硬质合金钎焊接头组织及力学性能研究

引用格式:王鹏程, 李锦政, 刘维瀚, 陈海燕, 李文亚. Al0.3CoCrFeNi高熵合金与YG15硬质合金钎焊接头组织及力学性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 86-93.

论文亮点：

解决高熵合金耐磨性不足的问题：AlxCoCrFeNi系高熵合金虽然具备优异的韧性和耐腐蚀性，但硬度低、耐磨性差限制了其应用。研究通过钎焊方法，将YG15硬质合金与Al0.3CoCrFeNi高熵合金结合，旨在制备兼具高韧性与高硬度的复合构件，以适应摩擦磨损等恶劣服役环境；
钎焊温度对接头组织和力学性能的影响：实验表明，焊缝中心组织以Ni(s,s)为主，高熵合金侧形成扩散区，硬质合金侧生成W(s,s)相。随着钎焊温度升高，接头的剪切强度先增大后减小，最佳工艺参数为1 080 ℃/10 min，此时剪切强度可达354 MPa，失效位置主要位于焊缝靠近硬质合金母材处；
成功实现高熵合金与硬质合金的钎焊连接：研究证明了BNi2钎焊方法的可行性，成功获得YG15/Al0.3CoCrFeNi复合构件，为极端复杂服役环境下高熵合金/硬质合金复合材料的制备提供了新的思路。

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FeCuNiTiAl高熵合金中间层连接铝/钛异种金属电阻点焊接头的组织与力学性能

引用格式:乔宇, 曹睿, 南灏, 闫英杰. FeCuNiTiAl高熵合金中间层连接铝/钛异种金属电阻点焊接头的组织与力学性能[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 94-105.

论文亮点：

FeCuNiTiAl高熵合金改善Ti/Al异种金属焊接：在TC4钛合金表面预先激光熔覆FeCuNiTiAl高熵合金可有效改善润湿性，并避免Ti-Al金属间化合物的形成，从而提升焊接接头的质量和性能；
焊接参数对接头性能的影响：随着焊接电流和焊接时间的增加，熔核直径增大，但由于铝板的减薄效应，接头的抗拉剪载荷呈先上升后下降趋势。当焊接电流为3.0 kA、焊接时间为1.0 s时，接头抗拉剪载荷达到峰值4.1 kN，比传统Ti/Al接头提高19.07%；
焊接接头的断裂模式分析：接头断裂主要表现为铝/HEA界面剪切撕裂断裂、焊点周围“纽扣”状断裂以及焊点边缘沿母材断裂。大多数接头在铝母材侧断裂，表明采用FeCuNiTiAl HEA作为中间层可有效提升6061铝合金与TC4钛合金的点焊接头强度，焊接质量良好。

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钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接数值模拟与金属间化合物层的演变预测

引用格式:张贤昆, 石磊, 武传松, 刘小超, 高嵩. 钛/铝异种金属搅拌摩擦焊接数值模拟与金属间化合物层的演变预测[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 106-115.

论文亮点：

焊接速度影响高温持续时间及金属间化合物生长：焊接速度的变化对钛/铝搅拌摩擦焊的峰值温度影响较小，但对高温持续时间影响显著。低焊速（15 mm/min）条件下的高温持续时间是高焊速（60 mm/min）的四倍，从而导致金属间化合物（IMCs）增厚；
高焊速易导致未焊合缺陷：在高焊速条件下，焊缝底部材料流动不充分，成为未焊合缺陷的主要原因，影响焊接质量。这表明优化焊接速度对确保充分材料混合和界面结合至关重要；
模拟模型的准确性验证：基于流体动力学和固相扩散理论的模拟研究成功预测了温度场、材料流动和IMCs生长趋势，并通过试验测温、TMAZ边界测量及IMCs厚度测量验证了模型的准确性，为钛/铝异种金属搅拌摩擦焊工艺的优化提供了理论依据。

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钎料成分及钎焊温度对Ti2AlNb与GH4169合金钎焊接头组织性能的影响

引用格式:张振阳, 王景宽, 李鹏, 王银晨, 李超, 张亮亮, 董红刚. 钎料成分及钎焊温度对Ti2AlNb与GH4169合金钎焊接头组织性能的影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 116-129.

论文亮点：

高熵非晶钎料优化Ti2AlNb/GH4169合金焊接界面：基于界面相容性原则，设计了(TiZrHf)50(NiCu)45Al5高熵非晶钎料，使Ti元素与Ni元素比例接近1:1，以减少焊接接头的残余应力和TiNi脆性金属间化合物，提高接头可靠性；
钎料成分与钎焊温度对接头组织演变的影响：不同钎料成分影响钎缝II区的相组成，例如(TiZrHf)30(NiCu)65Al5钎料形成(Ti, Zr)(Ni, Cu, Al)2相和Al(Ni, Cu)2Ti相，而(TiZrHf)40(NiCu)55Al5钎料主要形成(Ti, Zr, Hf)(Ni, Cu)相。同时，钎焊温度的变化导致钎缝II区厚度先减小后增加，影响接头的微观组织和力学性能；
优化工艺提升接头剪切强度：当采用(TiZrHf)50(NiCu)45Al5钎料并在1 035 ℃/15 min条件下焊接时，接头剪切强度达到最大值305 MPa。断裂模式随钎焊温度升高从母材/钎料界面转移至钎缝II区，并呈现解理断裂特征。研究提出焊接界面组织的形成机制包括固态扩散、液相生成与冶金反应、等温扩散凝固及反应物相生长与演变四个阶段。

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铝/钢搅拌摩擦钎焊连接机理及疲劳性能研究

引用格式:申志康, 王波, 杨益, 管月辉, 周平, 侯文涛, 朴钟宇, 刘小超, 黄国强, 杨夏炜, 陈海燕, 田艳红, 李文亚, 李会军. 铝/钢搅拌摩擦钎焊连接机理及疲劳性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 130-138.

论文亮点：

利用镀锌层优化铝/钢搅拌摩擦焊接头的冶金结合：搅拌摩擦焊通过其低温、大塑性变形特性，仅在铝合金上板中进行搅拌，并利用镀锌层作为中间层材料，防止铝与钢直接接触，从而抑制金属间化合物的生成，提高界面结合质量；
铝/钢界面形成典型的铝-锌固溶体组织，剪切强度稳定：镀锌层在焊接过程中发挥钎料作用，在铝/钢界面的返回侧聚集，在前进侧形成铝-锌固溶体。焊缝中心的锌被挤出，并在界面处形成纳米尺度的Fe3Al和Fe4Al13。焊接接头的剪切强度可达333.8 N/mm，延伸率达到11.33%，表现出较高的力学性能；
接头疲劳性能优异，疲劳应力水平影响失效模式：铝/钢搅拌摩擦钎焊接头在不同疲劳应力水平下呈现三种失效模式：高应力水平下发生铝/钢界面断裂，中等应力水平下表现为混合断裂，而低应力水平下则出现母材断裂和界面断裂。在2.64 kN的疲劳应力水平下，接头经历2×10⁶次循环仍未断裂，显示出优异的疲劳耐久性。

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超声振动辅助铝/钢电阻点焊接头形成机理研究

引用格式:任宝凯, 周亢, 王刚. 超声振动辅助铝/钢电阻点焊接头形成机理研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 139-152.

论文亮点：

超声纵向振动优化铝/钢电阻点焊熔核形成：超声振动辅助电阻点焊（US-RSW）通过降低接触电阻、增强熔融金属的电导率和热导率，使铝/钢双熔核尺寸明显减小，并促进钢板向铝板的隆起高度增加，同时拓展了铝/钢的有效接合面积；
抑制界面金属间化合物（IMCs）和焊接缺陷，提高接头质量：超声振动有效降低了界面化合物层的厚度，减少焊接过程中产生的缺陷，如孔洞或不均匀界面层，从而提高焊接接头的完整性；
提高接头力学性能，增强抗拉剪能力：拉剪试验表明，超声振动辅助电阻点焊后的接头表现出铝侧纽扣拉出失效模式，相比于常规电阻点焊工艺，峰值拉剪载荷提高了48.68%，显著增强了接头的强度和可靠性。

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Al/Cu超声波焊接界面晶粒形貌与断裂机制

引用格式:柳健, 刘龙, 方文俊, 郭志明. Al/Cu超声波焊接界面晶粒形貌与断裂机制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 153-164.

论文亮点：

焊接参数之间的关系：焊接能量和峰值频率分别随焊接时间和焊接振幅的增加呈线性增长，表明优化焊接参数可有效控制焊接质量。；
固相连接机制与界面微观组织变化：在焊接压力和高频微动摩擦作用下，铝板和铜板成功实现固相连接。铝侧界面微观组织表现出均匀分布的位错，并发生动态再结晶，形成大量等轴晶粒，其织构由{001}<100>转变为剪切织构{111}<110>，且织构强度减小，而纯铜侧的微观组织未发生显著变化，未形成新的位错，但织构强度有所增加；
焊接接头力学性能提升：通过优化结构形式，Al/Cu接头的断裂模式由焊接区域边缘断裂转变为铝板自身断裂，显著提高了接头的力学性能，增强了焊接质量和可靠性。