超声振动下非晶合金的液体环境焊接

学术 2024-12-03 10:44 上海

摘要

焊接技术在人类发展过程中发挥着至关重要的作用。以水下焊接为代表的特种环境焊接技术对航空航天、国防和远海开采具有深远的影响，但当焊接操作需要在情况复杂的水下进行时，焊接难度大大增加。除此之外，在易燃易爆液体或极端低温等复杂环境中，焊接加工具有更重要的应用前景，如油气储存容器修复、极地和深空制造等领域，然而相关的焊接技术仍未得到有效研究。超声振动加工是一种加载频率达到上万赫兹的特殊加工方式，对于具有无序结构的非晶合金(金属玻璃)而言，超声振动的施加能在一定程度上使其迅速“软化”。基于这一特性，我们将超声振动技术引入液体焊接领域，成功地实现了非晶合金在水、海水、酒精和液氮环境中的焊接，为极端环境制造成型提供了一种可行的策略。

李路遥，李信，马将

深圳大学机电与控制工程学院

焊接，尤其是金属材料的焊接工艺，在人类历史的发展过程中发挥着至关重要的作用。早在公元前3000年，古埃及人就尝试利用火焰和压力进行金属的锻焊。我国的焊接开始得也很早，早在公元前2000年左右就掌握了青铜材料的铸焊，制造出大量精美绝伦的青铜器。19世纪以来，随着第一次工业革命如火如荼地进行，一系列的现代焊接技术涌现出来。人们开始利用先进的电焊机器实现各种复杂的焊接，其中的代表就是我们目前最常见的电弧焊接。这些焊接方式的基本原理都是利用电力或者火焰产生的高温，使金属逐渐升温并熔化。然而，随着科学技术的进一步发展，越来越多的场合需要用到金属的焊接，尤其是在水下环境(河流、湖泊、海洋等)中作业。但是，在液体环境中，当焊接传导热量的过程被限制时，普通焊接过程几乎无法正常进行。迄今为止，在易燃易爆有机液体或者极端低温液体环境中的焊接还没有得到有效研究。因此，开发液体/极端环境(易燃易爆、极低温、深海等)下金属材料焊接技术对于满足国防、远海开采、能源储存、空间探索等领域日益严格的焊接加工需求具有重要的意义。

1 液体环境焊接发展的挑战与机遇

焊接技术的起源可追溯至5 000年前的古埃及时期，当时人们利用火焰加热金属，再运用锤子将其固定在一起。在古希腊和古罗马时期，人们开始尝试用铜丝焊接，第一次以钎焊的方式焊接，这种原始的焊接方法被视为焊接技术发展的重要节点。随着工业革命的推进，焊接技术也得到了飞跃的发展。19世纪末，电焊技术的诞生标志着焊接技术的一次重大飞跃。电焊技术通过将电流导向焊接部位，产生高温以熔化金属，从而完成金属之间的连接/焊接。这种技术的应用极大地提升了焊接的效率和质量，也为后续的技术创新铺平了道路。进入20世纪，焊接技术开启新的篇章，气焊和电弧焊成为焊接行业的主导技术。气焊是通过燃烧气体产生的高温火焰进行焊接，电弧焊则是利用电弧的高温熔化金属并形成焊缝。这些技术都成为制造业的核心工艺，在航空、船舶、汽车等多个行业中得到非常广泛的应用。随着科技的高速发展，焊接技术也在持续创新。比如，激光焊接、电子束焊接等新兴焊接技术不断涌现，让焊接过程更加精细、高效，这些新颖的焊接技术在微电子、精密制造等领域取得了重要突破。

与此同时，近百年来，海洋工程制造领域蓬勃发展，包括各种船舶建造、海底管道铺设、海底油气开发、海洋平台建设等。船舶及海洋设施在使用过程中频繁地出现损坏或磨损，需要进行维修和修复。这些设施体积过于庞大，而且位于水下，如果将其提升至水面，不仅会使焊接成本剧增，还存在额外的负载会导致设备损坏。因此只能通过水下焊接来修复损坏的部分，以保证设施的正常运行。在这种情况下，水下隔绝氧气的问题使得普通热源材料无法正常燃烧产生足够的热量，并且电弧也很难不受到水的影响，因而普通的焊接方式已经无法正常进行。

为了应对这些挑战，研究人员提出了一系列的水下焊接方法。这些水下焊接方法按照操作方式可分为两大类，分别为干法焊接和湿法焊接。其中，水下干法焊接的基本原理是利用特殊的焊接设备和技术，在水下创造一个干燥的焊接环境^[1]。维持这种干燥环境需要特殊的焊接设备，比如干燥舱、干燥帷幕等，以排除水环境下冷却快和压力大的影响。而湿法焊接是直接置于水中焊接，但是需要通过添加特殊的电源、电极或者焊剂，以确保电弧的稳定性和持续性^[2]。与需要大量设备支持和高昂成本的干法焊接相比，湿法焊接的操作简便性使得这种工艺可以进行更复杂的焊接。因此，水下湿焊被认为是修复海洋平台最有效和经济的方法，也是近海工业中船舶建造、海中石油和天然气开采所需的必不可少的方法。最近，摩擦焊和激光焊等先进的湿法焊接技术也被开发出来^[3-4]，但由于摩擦焊复杂的设备以及激光在水中能量损耗巨大，目前技术还不够成熟，未能得到全面的推广。

在实际操作过程中，水下焊接面临的挑战是艰巨的。以水下湿焊为例，500~ 800 ℃的工作温度和由此产生的超高冷却速度会导致焊接区域力学性能的恶化。同时，在如此恶劣的工作环境下，氢分子、一氧化碳或水蒸气会不可避免地形成，从而产生大量孔隙，导致力学性能进一步恶化。除此之外，随着水深的增加，工作电弧的稳定性也会受到影响。其中最严重的是，复杂的设施使操作人员行动不便，以及熔化金属所需的大电流(达到数百安培)可能会对焊接人员的生命安全造成严重的威胁。

液体环境的种类十分广泛，水下环境只是其中一种。当面临更加复杂的环境时，现有的焊接技术几乎“无计可施”。比如有机液体(酒精、石油等)，日常维护存储这些液体的容器以及运输管道的维修十分有必要。但是，我们都知道，在这种易燃易爆的环境下，任何电弧和温升都是极端致命的。还有更加极端的低温液氮环境，其温度甚至将近-200 ℃。在如此极端低温下，不出意外，任何常规焊接方式都将会失效。然而，液氮所代表的极端低温在我们所处的世界中无处不在，如地球的两极(最低-66 ℃)、空间站轨道(最低-100 ℃)，甚至在月球(最低-180 ℃) 和火星表面(最低-143 ℃)，如图1所示。综上所述，极端低温一直是太空等低温环境中进行焊接工作的难题，如果我们研制出一种克服低温的焊接技术，将为人类迈向外太空的制造提供更多可行的技术储备。

图1 太空环境中的极端低温

2 超声振动加工技术

超声波是指振动频率高于20 kHz、波长在 0.01~10 cm之间的声波(图2)，这种声波方向性好，能量大，穿透能力强。人类第一次认识到超声波是在18世纪，意大利科学家拉扎罗•斯帕拉捷(Lazzaro Spallanzani)经过长期对蝙蝠行为的观察发现：这种生物通常在黑夜中飞行和捕食，即使它的视力被剥夺，仍能正常飞行；只有当蝙蝠的听觉通道被阻塞，它们才会从夜空中坠落。由此科学家揭示了蝙蝠特殊的“眼睛”实际上是一种超声波，一种人类无法听到的特殊声波。直到19世纪末20世纪初，物理学家们才受此启发利用压电和反压电效应产生超声波。从此之后，超声波才真正被人类掌握并利用。作为一种独特的能量传递方式，超声波所携带的巨大能量超越了传统光、电和热等形式的能量。当今，超声波技术已被广泛使用，主要用于医学检测、探伤、清洗、制药等领域。

图2 声学频率范围

20世纪70年代，超声振动加工技术被开发出来^[5]，成为超声学的一个重要应用分支。最典型的超声振动加工装置一般由超声波发生器、换能器、调幅器、振动传递系统以及其他工艺装置等构成。整个加工过程是利用超声波发生器把220 V或者380 V的交流电变换成超声高频振荡电信号，再通过换能器实现超声高频振荡电信号到高频机械振动信号的转换，最后机械振动信号又通过调幅器(又称为变幅杆)放大(图3)，所产生的高频机械振动对多种材料具有特殊的处理效果。最开始，人们利用超声振动在含有磨料的液体介质中产生冲击、抛磨、液压冲击以及气蚀作用去除材料以达到加工的目的。这种方法能够高效地加工较难加工的硬脆材料，可以大幅度提高工件的质量和精度^[6]。此外，人们还将超声振动与其他加工技术结合，如车削、磨削、打孔等，该超声加工方式在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、大理石、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域取得了良好的加工效果^[6]。超声振动技术还被用于焊接领域，在施加一定预载力的前提下施加超声振动可以实现不同工件之间的结合，比如塑料件、低熔点金属等^[7-8]。超声焊接具有效率高、成本低以及操作简便等优点，可以应用到许多复杂结构零件的生产当中。

图3 超声加工技术原理图

3 神奇的非晶合金(金属玻璃)

在宏观层面上，固体材料可以根据微观粒子的分布结构分为两类：长程有序的晶态固体和短程有序的非晶态固体。许多矿物宝石、传统金属材料和食盐等都属于典型的晶态固体；而非晶态固体的家族也很庞大，包括各种玻璃、沥青、塑料和石蜡等材料。在这个缤纷多彩的世界中，晶态和非晶态固体共同存在，组建了丰富多样的物质世界。其中，玻璃可能是最早的人工制造使用的非晶态材料，并且对人类文明的发展发挥着重要作用。玻璃最早是由天然形成的一种物质组成，直至公元前4000年左右，第一块人造玻璃被古埃及人制造出来。然而，人造玻璃只是贵族的奢侈品，并因无法大规模生产而停滞不前。1688年，一位名叫纳夫的人发现了一种突破性的批量制备玻璃的方法，才真正使玻璃制品得到普及。以上非晶态物质是由共价键、离子键、氢键等构成，而由金属键构成的非晶态金属是罕见的，迄今为止自然界中还没有发现金属玻璃。各种物质 (包括非晶态物质)的关系如图4所示。

图4 非晶态物质的广泛存在

尽管人类使用金属材料长达数千年之久，但金属材料几乎都是晶态的。在人工合成非晶态合金材料，也就是金属玻璃形成之前，研究人员就预见到，这种没有晶体缺陷的特殊材料，将具有优异的物理、机械性能及其他特殊性能。因此，制备金属玻璃是现代金属材料科学和固体物理学着重解决的难题和重要研究方向之一。为了制备非晶合金，人们进行了长期艰苦的努力。20世纪30年代，最早制备出非晶合金的是德国科学家Kramer^[9]，他采用气相沉积法首次制备得到了非晶合金薄膜。到60年代，美国学者Duwez、Klement等人^[10]首先通过快速淬火制备出Au-Si金属玻璃条带。但是，由于制备的尺寸太小，人们一直对这种材料的应用价值存疑。1970年Chen等人^[11]采用快冷连铸轧辊法，制造出各种具有商业用途的铁基非晶合金条带，该类型材料才真正被重视起来并正式称其为“金属玻璃”。20世纪80年代后期，日本东北大学Inoue教授发明铜模喷铸法^[12]，这种方法具有操作简便、成本低、设备简单以及可以获得不同形态及性能的块体非晶合金产品等优点。同时，中国科学院物理研究所根据铜模喷雾铸造法研制出铜模吸铸法，此法已发展为我国非晶合金研究组普遍采用的块状非晶合金制备工艺。此后，为了制备更加大块的非晶合金以拓宽其应用范围，李然等人^[13]采用浇注法制备了直径25 mm的(La-Ce)-Al-Co块状非晶合金。各种形态的非晶合金材料如图5所示。

图5 非晶合金材料展示

由于原子结构特殊，非晶合金相较于传统晶态材料，拥有多项卓越的性能，如高强度、高硬度、良好抗腐蚀性、突出的韧性、抗疲劳特性、催化活性等。因此，非晶合金有望取代过去的金属材料用于能源、催化和航空航天等领域^[14]。

4 绝妙的搭档：超声振动与非晶合金

非晶合金由于高强度、高耐磨性和高耐腐蚀性等一系列优异性能，在学术和工业领域都引起了极大的关注。然而，正是非晶合金的高强度、室温脆性，导致了非晶合金的加工困难，目前这也是一直限制其扩大应用范围的瓶颈所在。目前公认的加工非晶合金最常见的方式是一种同加工普通氧化物玻璃类似的方法，即通过将材料加热到过冷液相区使其发生软化流动现象，然后在这个窗口期内实现非晶合金的加工^[15]。但是，与普通的氧化物玻璃不同，高温晶化一直是困扰非晶合金制造的关键问题，因为这意味着非晶合金加工件性能的恶化。那么，有没有一种方法能够克服加工非晶合金面临的困难呢？

最近，研究人员尝试将超声振动引入到非晶合金加工领域。结果出人意料，与室温高载荷压缩下表现出的室温脆性不同，在室温超声振动条件下，非晶合金发生了明显的“软化现象”^[16]，如图6所示。通过详细的机制分析，发现这种现象与非晶合金的微观原子结构密切相关：由于非晶合金中大量类液体区和类固体区的存在，高频振动将会诱发类液区大幅度扩张，当类液区足够多且连成一片时，整个块体就会瞬间坍塌成类液态^[16]。

图6 非晶合金在准静态压缩和超声振动加载下不同的表现

这种室温低应力下的“软化”现象，为非晶合金的超快速精密加工提供了可能，并首先被应用在冲裁、成型和焊接等领域。在成型加工方面，高强度的非晶合金在超声处理过程中发生剧烈的室温软化现象后，可迅速地向成型模腔内填充并复制出模具的形状，如图7所示。在宏观尺度，非晶合金可以被加工成型为一些常用的零件，如螺纹、齿轮等；在微观尺度，该工艺可以精确复制出硅模板的点阵列结构；在纳观尺度，以含有大量纳米孔洞的AOO模板为模腔，可制备表面具有纳米线结构的非晶合金^[17]。基于同样的原理，超声振动工艺在非晶合金冲裁制造方面也具有广阔的应用前景，不仅可用于冲孔工艺，复杂形状结构的冲裁也可以轻易地实现^[18]。

图7 超声振动在加工非晶合金材料中的应用，包括成型^[17]、冲裁^[18]、焊接^[19-20]

超声振动还可以用于非晶合金的焊接工作^[19-20]。超声振动下高能态的类液态非晶合金之间会发生足够充分的接触和搅拌，形成紧密的冶金结合。与其他方法相比，超声振动是一种成本低、效率高的焊接方式，它超出了人们所认识到的焊接基于温升的范畴，其应用场景有待被进一步拓宽。

5 液体环境下的超声振动焊接

液体环境中尤其是极端低温环境的高散热效率大大限制了常规焊接所必须的温升，因此焊接过程如何脱离温升机制是液体环境焊接一个极其重要的待攻克难题。非晶合金在常规大气环境中的超声振动加工目前已经取得较为可喜的成果，大量温度分析证明了该工艺几乎不依赖于温升机制。以上证据表明，超声振动极有潜力成为一种适合于多种复杂液体环境的焊接方式，包括地球广泛分布的水、易燃易爆的有机液体以及温度低至-200 ℃的液氮等环境。

超声振动液体环境焊接的示意图如图8所示，焊接过程大致为：将非晶合金放入夹紧装置中固定，然后通过超声波焊头施加低静态预压(200 N)，之后焊头以20 000 Hz的频率释放机械振动信号。实验在4种不同的液体(纯水、海水、酒精和液氮)环境中实现了3种常见的焊接方式(对接、搭接和T型接)，其中原材料是强度、硬度、耐磨性等性能均较为优异的Zr基非晶合金^[21]。从图中可以观察到，所有样品均紧密连接，焊接界面处观察到明显的溢料，这种溢料现象是由非晶合金的“软化”所导致的。

为了拓宽该方法的可用范围，还尝试了更复杂的焊接方式，如多个非晶合金板材的叠层结构、框架结构等。实际上，在大部分的焊接工作中，待焊接构件通常并不是非晶合金材料，因此，液体环境下超声焊接不能被局限于非晶合金与非晶合金之间。非晶合金“低温软化”这一特性，可以为实现其他材料的连接提供技术参考。比如，将非晶合金软化后嵌入其他晶体金属材料构件(如螺纹)中，可实现极其紧密的连接。此外，将非晶合金作为一种特殊的铆钉，利用超声振动下非晶合金的“低温软化特性”，可使两构件通过铆接的方式紧密结合。值得期待的是，由于非晶合金优异的力学性能，这种连接将异常牢固(图8)。

图8 液体环境焊接的示意图和焊接件展示^[21]

为了验证整个焊接过程不依赖于温升机制，实验中利用热电偶测量了焊接过程的实时温度情况。温度测量结果表明，焊接过程确实没有明显温升现象，即使有部分低温升，也仅仅在一瞬间出现就消失(图9(a))。同时，压力传感器检测结果表明，整个焊接过程都保持低载荷(约20 MPa)(图9(b))。那么，在这些特殊条件下焊接件的结合效果到底如何呢？是否可靠？这些是人们较为关注的问题。为了初步检测焊接质量，分别采用X射线衍射(XRD)和计算机断层扫描(CT)分析来确定焊接件的结构性质和界面结合情况。XRD图谱显示，非晶合金仍保持非晶态，这意味着该焊接件仍能维持非晶合金多方面的本征优良性能(图9(c))。图9(d)为焊接件剖面的CT图像，从中可以清楚地看到，无论是同种非晶焊接还是异种非晶焊接，焊接件中几乎都没有显眼的缝隙。为了更清晰地表达两种非晶合金的结合情况，将异种焊接的CT分析图像以相对密度分布图的形式表示，如图9(e)所示，其中红色部分代表Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金，绿色部分代表TiZrHfBeNi高熵非晶合金。令人惊讶的是，两种非晶相的界面呈不规律的分布，并发生强烈的相互搅拌作用，这种现象被认为和超声焊接过程中界面的“软化”具有强烈的关系。

图9 焊接过程与效果的表征^[21]。(a)热电偶检测到的4种液体环境中的焊接过程温度曲线；(b)压力传感器检测到的4种液体环境中的接合应力-时间曲线；(c)原材料非晶合金和4种液体环境中Zr基非晶合金焊接件的XRD图像；(d)同种和异种焊接样品的CT扫描图像，上图显示了扫描方向(纵截面)；(e)与(d)相对应的异种焊接样品的相对密度分布图

一种焊接工艺是否可靠，焊接件的力学性能是最重要的参考指标。首先，利用显微硬度仪测试了不同超声能量下跨焊接界面的维氏硬度分布(图10)，结果显示：在低能量施加的条件下，由于非晶合金并没有完全实现无缝隙的焊接，硬度值在界面处大范围降低；当焊接能量提升后(700~z900 J)，非晶合金之间完全实现了无缝隙的冶金结合，因而界面处的硬度值和原材料没有任何差别。至于拉伸性能和弯曲性能，在实现无缝隙冶金结合的焊接件中，各种力学性能指标完全与铸态非晶合金的一致。以上结果充分证明了超声振动液体环境焊接的可靠性。

图10 非晶合金焊接件的力学性能^[21]

6 结论

超声振动焊接技术被应用到各种复杂的液体环境下，成功地实现了非晶合金材料多种形式的焊接。整个液下焊接过程呈现低温无电流状态，克服了常规水下焊接技术中高温导致的焊接质量下降和大电流导致的不安全问题。此外，焊接件不但在焊接界面上未发现有明显缺陷，而且还表现出极其优异的力学性能和耐腐蚀性能。该技术不仅为近海和海洋应用提供了一种有效的水下焊接途径，还为石油、天然气、有机溶剂和太空低温条件等极端环境下的焊接提供了一种可行的策略。

参考文献

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本文刊载于《自然杂志》2024年第5期

DOI：10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.013

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