发布日期：2026-2-22 9:52:14
引言
镍钛合金是一种形状记忆合金，不仅具有优异的耐腐蚀性、生物相容性，还具有独特的形状记忆效应和超弹性。这些优异的性质使镍钛合金广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车工业、生物医学等。例如，在正畸治疗领域，凭借镍钛丝优异的超弹性和形状记忆特性，结合不锈钢丝良好的刚性和尺寸稳定性，使牙齿在矫治力作用下实现更为精准、高效的位移，从而加速矫治进程。
随着科技的发展，应用环境对材料性能的要求日益严苛，单一镍钛合金已无法完全满足需要。双金属的使用会带来更加优异的综合性能，比如不锈钢复合双金属钢同时具有良好的力学性能和耐腐蚀性，并且可节省昂贵的战略金属，节约资源，降低材料成本。因此，将镍钛合金与异种材料进行连接备受重视，如碳钢、不锈钢、钛合金等。其中，不锈钢作为一种重要的结构材料，不仅展现出优异的耐腐蚀性、生物相容性等，而且成本相对较低。这使得镍钛合金与不锈钢的连接组合适用于许多领域。例如医用导丝，初代导丝的芯轴为单一不锈钢丝，具有高硬度以及较好的支撑力、推送性、扭矩传导性等优点。但是单一不锈钢丝在使用过程中极易戳破血管，导致手术失败，造成严重危害。而镍钛合金具有超弹性，使用时触觉反馈更好。同时，镍钛合金的形状记忆效应可以赋予导丝更多的可能性，更好地应对复杂的体内环境。由此，镍钛合金与不锈钢的连接组合优化了导丝，使手术更易进行。
在镍钛合金与不锈钢的焊接过程中，其在加热或加压条件下，原子获得足够能量，克服原子间的结合力，产生相对位移，从而使不同焊件的原子相互扩散并渗透。通过原子扩散，焊件之间形成过渡区，实现原子间的结合，达到焊接的目的。在原子扩散形成的过渡区中，由Fe-Ni-Ti三元相图可知，来自不锈钢的铁原子可以形成脆性相Fe2Ti。若增加镍或者钛的含量，合金的凝固将从Ni3Ti相或γ相开始，韧性可得到提升。再结合二元合金相图集分析可知，只有Li元素可以不与Ni、Ti、Fe以及Cr元素形成金属间化合物。而金属间化合物会造成接头力学性能不均匀，引起形变和应力集中，诱导裂纹产生，导致接头性能降低。因此，加入中间层能够改善焊接接头的性能，但不能完全避免金属间化合物的产生。
镍钛合金与不锈钢的物理化学性能不同，焊接后接头中形成脆性金属间化合物以及裂纹、残余应力等，导致焊后材料的性能降低，镍钛合金的超弹性与形状记忆效应改变。因此，镍钛合金与不锈钢的异种焊接存在困难，面临着挑战。难点主要集中于两个方面：一方面，随着元素的扩散，在焊接接头中易形成金属间化合物，尤其是Fe-Ti相，这是因为Fe和Ti的互溶性有限。脆性金属间化合物的形成会造成焊接接头的拉伸性能降低，硬度增加，这是力学性能降低的主要原因。为减少脆性金属间化合物的形成，可以采用优化焊接工艺参数和加入中间层的方法。优化工艺参数可以影响接头中元素的扩散，而加入中间层可以改变接头中的相组成。另一方面，两种材料物理化学性质（如热导率、比热容、线膨胀系数等）的差异造成了接头中裂纹、残余应力等的存在。为解决此问题，可以采用焊后热处理的方式。比如退火处理，可以降低残余应力，使组织均匀化。
镍钛合金与不锈钢的异种焊接由于二者在物理化学特性上的显著差异，如热膨胀系数失配、晶体结构各异以及冶金不相容等问题，导致其焊接过程遭遇诸多难题，如焊接接头易产生裂纹、气孔、脆化等缺陷，焊缝组织成分不均匀以及力学性能不稳定等。鉴于此，本文针对镍钛合金与不锈钢异种焊接的相关方法进行了详尽的综述，深入剖析了焊接及焊后热处理工艺对镍钛合金/不锈钢(NiTi/SS)接头微观组织形态与力学性能表现的影响机制。进一步地，紧密结合当前的研究态势和实际应用需求，对该领域未来的发展走向进行了前瞻性展望，旨在为后续的深入研究提供具有建设性和指导性的参考依据，以助力突破现有技术瓶颈，推动镍钛合金与不锈钢异种焊接技术在不同关键领域的广泛应用与技术革新。
1、焊接的结构变化和焊接性能
1.1结构变化
焊接接头由焊缝、熔合线以及热影响区构成。其中，熔合线尺寸微小，故而焊缝与热影响区受到了更多的关注。在焊接进程中，焊缝区经历先熔化后凝固的过程，其凝固组织能够依据快速凝固理论予以阐释。该理论提出，焊缝区的微观结构受四个参数调控，即温度梯度(G)、过冷度、晶体生长速率(R)以及合金成分。其中，G与R的比值(G/R)和G与R的乘积(G⋅R)分别对晶粒的形貌和尺寸起决定性作用。在焊接过程中，焊接工艺参数对焊缝区的温度梯度、过冷度以及晶体生长速率存在影响作用，进而会对焊缝区晶粒的形貌与尺寸产生作用。与之有所区别的是，热影响区的组织形貌与母材的初始状态紧密相关。热影响区在焊接时未发生熔化现象，仅仅经历了升温及冷却两个过程，因此其化学成分并未发生变化。
Farhang等使用激光焊连接镍钛合金与不锈钢，探究了外磁场对焊接接头的影响。其中，无外磁场辅助的焊接记为nMFS，外磁场辅助的焊接记为MFS两种接头焊缝界面处的SEM图如图1所示。从图1中可以观察到，在这两种接头中均出现从熔合区中心向热影响区的晶体形态转变的现象。在nMFS接头中，从熔合区中心至不锈钢侧，晶体形态呈现出由等轴晶粒向柱状晶再到平面晶的转变；而从熔合区中心至镍钛合金侧，晶体形态的变化则为等轴晶粒、柱状晶直至胞状晶，且其中柱状晶粒的取向与冷却方向相互平行。该研究表明，这些相变行为与界面处的温度梯度和生长速率有关，图1e对凝固过程进行了归纳。具体来说，在熔合区中心，G值较低，R值较高，促使枝晶生长形成等轴晶。在从熔合区中心向基材移动的过程中，G值和R值改变，形成柱状、胞状/平面结构。磁场对电子运动的影响改变了电子在凝固和生长过程中所携带的能量。因此，在MFS接头中观察到不同于nMFS接头的凝固现象。相较于nMFS接头，MFS接头中熔合区中心形成较细的等轴晶粒(如图1a、b所示)，这是由于磁场降低G值的同时增加了R值。且熔融材料受到洛伦兹力的影响发生旋转，使原本平行于冷却方向的柱状晶粒(位于从熔合区向镍钛合金转变处)取向改变，呈随机取向(见图1d)。此外，磁场使电子运动偏移造成的热输入减少以及磁场促进熔体运动引起的冷却速率加快共同导致MFS接头的反应层区更窄。
1.2焊接性能
(1)力学性能
在焊接过程中，材料的力学性能会受到显著影响。其中，焊接时所形成的金属间化合物不仅会造成焊接材料拉伸性能的下降，而且会导致其硬度的提升。与此同时，焊接界面的形态特征亦会对焊接接头的拉伸性能产生影响，在整个焊接体系中，各因素相互关联，共同决定了焊接接头最终的力学性能表现。前期也有部分相关研究针对这一方面进行了探讨。Vannod等提出，熔合区的碗状界面能够对焊缝的镍钛合金侧起到保护功效，致使裂纹并非沿着镍钛基体和焊缝的界面延伸，而是在镍钛基体内传播。
Niu等针对通过真空电子束焊接形成的三种NiTi/SS接头开展了对比评价，这三种接头分别为电子束偏移到SS侧且无中间层的接头、添加Ni中间层的接头以及添加FeNi中间层的接头。各接头的硬度分布情况如图2a-c所示，由图2a-c可知，焊缝区的硬度显著高于两种母材。这一现象的成因在于焊缝区中存在金属间化合物以及发生了固溶强化作用。通过对比硬度图与相分布(见图2d-f)发现，接头中的金属间化合物含量越多，其硬度越高。为进一步探究对其力学性能的影响，Niu等对焊接样品进行了拉伸测试，结果表明FeNi中间层接头展现出最优的拉伸性能，Ni中间层接头次之，而无中间层接头的拉伸性能最差(见图2g)。进一步观察发现，三种样品的断裂位置均处于焊缝区内靠近镍钛合金一侧。借助扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)技术对裂纹分析可知，在无中间层接头中，金属间化合物以Fe2Ti作为主相，Ni3Ti则呈连续网状分布于其中。裂纹径直穿过金属间化合物进行扩展，当遇到较厚的Ni3Ti相时，会出现轻微的偏转现象。由此可见，该断裂接头呈现出解理断裂的特征。在Ni中间层接头里，金属间化合物以Ni3Ti为主相，Fe2Ti呈网状分布于其中。裂纹的扩展仅仅在Fe2Ti相中发生，并且会被Ni3Ti相阻挡。因此，该接头断口表现出沿晶断裂的特征。对于FeNi中间层接头而言，Fe2Ti以柱状枝晶的形态析出，Ni3Ti分布在其枝晶之间。裂纹主要出现在Fe2Ti枝晶内部，不过会被枝晶间的Ni3Ti相阻断。这种复合结构能够有效地阻止裂纹的进一步扩展，使得断裂接头同时具备解理和韧性断裂的特征。
(2)腐蚀性能
NiTi/SS接头得以在生物医疗领域应用的前提条件是具备良好的耐腐蚀性以及生物相容性。为此，探究NiTi/SS接头的耐腐蚀性极为重要。Zhang等研究了带铜中间层的NiTi/SS接头在含不同氟化物浓度或者蛋白质浓度的人工唾液中的腐蚀行为。随着氟化物浓度的增加，接头的耐电化学腐蚀能力降低。与之不同，低蛋白质浓度使接头的耐蚀性降低，而高蛋白质浓度可以减轻这种影响。
Li等选用银基合金作为填充金属，获得激光钎焊NiTi/SS接头，探究了两种母材、填充金属以及焊接接头在不同pH值的人工唾液中的腐蚀行为。他们发现接头的腐蚀主要发生在钎焊缝以及填充金属与两种母材的界面处，这是因为钎焊缝的电极电位低于镍钛合金与不锈钢，在人工唾液中成为原电池的阳极首先被腐蚀(见图3)。接头的耐腐蚀性与镍钛合金母材相近，优于填充金属，但低于不锈钢母材。另一方面，人工唾液的pH值会对材料的耐腐蚀性造成影响，pH值越高，材料的腐蚀电位越高，电流密度越低，耐腐蚀性越好。
(3)形状记忆效应
镍钛合金的形状记忆效应源于马氏体相变，这是该合金的一项关键性能。激光焊接会致使合金的显微组织发生改变，进而对马氏体相变以及逆相变过程产生作用，使得焊接接头的形状记忆效应有别于镍钛合金母材，这一点在已有研究中有所提及。鉴于此，针对焊接接头形状记忆效应开展研究极为必要，因为形状记忆合金的相变特性是评估其功能特性的重要依据之一。Farhang等运用差示扫描量热法对镍钛合金以及存在或不存在磁场的NiTi/SS接头进行了测试，测试结果如图4所示。其中，奥氏体(B2)、马氏体(B19’)以及R相通过图中的峰位得以确定，而奥氏体终止温度Ai则被用作比较不同样品之间转变温度的指标。经测试，镍钛合金的奥氏体终止温度为24.7℃，与之相比，nMFS样品的奥氏体终止温度降低了约20℃，这表明nMFS样品的功能特性发生了明显改变。导致nMFS样品转变温度降低的因素是多方面的，包括其内部存在较多的缺陷、焊接过程中冷加工性能的消除、残余应力和晶粒生长现象的出现以及Ni/Ti比的上升等。然而，MFS样品的奥氏体终止温度为24.1℃，基本保持了镍钛合金基材的转变温度水平，这意味着镍钛合金的功能特性在MFS样品中得到了有效的保留。
2、焊接技术
依据焊接过程所呈现出的特性，焊接可被划分为三大类别，即熔焊、压焊与钎焊，其相应的结构简图如图5所示。熔焊是指在无压力的情况下对母材进行加热，使其熔化并相互混合，在冷却后形成焊缝。氩弧焊、电子束焊、激光焊等均属于熔焊。压焊在焊接过程中必须对母材施加压力，但对加热没有要求。它是一种使材料在固态下实现原子间结合而实现连接的焊接方法。压焊可分为多种类型，如电阻焊、摩擦焊、超声波焊等。钎焊是指通过加热使焊材之间的填充金属熔化，液态钎料与固态焊材相互扩散，冷凝后形成接头的方法。目前，针对镍钛合金与不锈钢的焊接研究多聚焦于激光焊接领域。主要得益于激光焊接具备热输入量低、能量密度高以及熔合区与热影响区范围小等显著优势。
2.1激光焊
激光焊接具有热输入低、能量密度高、熔合区和热影响区小等优点，在镍钛合金与不锈钢的连接中经常使用。张冬妮等通过激光搭接焊接镍钛合金与不锈钢，焊接过程中熔池内元素进行迁移和扩散，造成焊缝中存在以Fe-Ti、Fe-Ni为主的化合物。该研究采用MaterialStudio-CASTEP对金属间化合物进行模拟和计算，得以从化合物性质角度解释其对焊接接头的影响。由第一性原理计算结果可知，FeTi处于费米能级处的能量值最低，Fe2Ti具有相对较高的德拜温度，这说明它们的稳定性较好。Fe2Ti、FeTi具有较低的泊松比、较高的剪切模量和k值(剪切模量/体模量)，证明其为硬脆相。NiTi/Ss接头中均匀分布的Fe2Ti、FeTi硬脆相造成接头力学性能不均匀，引起形变和应力集中，诱导裂纹产生。
激光焊的各项工艺参数，如激光波形、功率、焊接速度、焦点大小及其位置、保护气体流量等，均会对焊接接头的质量产生重大影响。例如，Hahnlen等通过增加脉冲能量发现其会引起NiTi/SS管材接头的受影响区域宽度增加，但对熔深的影响不明显。Parimanik等通过效用概念和田口法优化焊接NiTi/SS接头的参数组合，发现前者更加优异。并且在激光功率为300W、扫描速度为5mm/s、焦点位置为0mm时，接头的显微硬度最好。焦点位置由0mm改变为0.5mm时，接头获得最高拉伸强度。
此外，添加中间层也是控制Fe-Ti等金属间化合物形成的有效方法，能够改善接头性能。例如，在直接焊接的TC4/SS接头中会产生大量Fe-Ti等金属间化合物。Liu等采用复合中间层制备TC4/SS接头，发现能够防止Fe-Ti脆性相的产生，可以在很大程度上优化接头的力学性能，具有重要的研究价值。在镍钛合金与不锈钢异种焊接方面，Asadi等研究了镍中间层对激光焊接接头的影响。通过x射线衍射(XRD)分析可知(见图6)，添加镍粉后焊缝的Fe2Ti初生相转变为Ni3Ti初生相，γ相和Ni3Ti相含量增加，脆性金属间化合物含量减少。这是因为焊缝中过量的镍会造成Ti、Fe和Cr的减少，并且镍是奥氏体形成元素和γ相稳定剂，促进了γ-Fe的形成。Li等深入研究了镍中间层厚度对焊接接头产生的影响。研究表明，随着镍层厚度逐步递增，接头内的镍含量相应上升，脆性金属间化合物减少，进而使得接头性能得以提升。当镍中间层的厚度增长至50μm时，接头的抗拉强度以及断裂伸长率达到最大值，分别为372MPa和4.4%。然而，倘若镍中间层厚度继续增加，接头内部会形成更多的Ni3Ti相，同时会产生气孔与缩孔等缺陷，最终致使接头性能下降。这一研究结果与周海宽等等得出的结论相互吻合、保持一致。因此，为获得性能优异的焊接接头，需要选择合适的中间层厚度，即焊缝成分。此后，Li等研究了铜中间层、钴中间层、38Zn-61Cu中间层对NiTi/SS接头的影响，并在38Zn-61Cu中间层的研究中增加激光偏移技术，在接头处形成三个区域，即SS侧熔合区、未熔化SS以及NiTi/38Zn-61Cu/SS形成的扩散焊缝。在这些研究中观察到类似的现象，即通过抑制脆性金属间化合物的形成来改善接头的力学性能。同时，铜中间层的使用还可以消除热应力产生的裂纹，但铜中间层过厚会形成富铜球，其与周围基体的结合相对较弱，有利于裂纹形核和扩展。
研究者们对其他种类的中间层也进行顺⑹裕热鏣a中间层、CoCrFeNiMn高熵合金中间层、银基中间层等。Ng等研究了Ta中间层及其厚度对焊接接头的影响。Ta元素不与Ti形成金属间化合物，随着Ta中间层的加入，接头中形成TaCr2相和Ni3Ta相，抑制了Cr2Ti、FeTi等脆性金属间化合物的形成。当Ta中间层厚度为50μm时，接头的拉伸性能最好。在单一中间层的基础上，多层中间层的使用也被考虑。Gao等提出了Nb/Cu多层中间层激光焊接法，得到了由三个冶金连接区组成的接头(见图7)，即基于熔焊机理的熔化区、基于Nb和NiTi共晶反应的反应层Ⅰ、基于钎焊机理的反应层Ⅱ。该接头中无Fe-Ti、NiyTi3金属间化合物存在，只在反应层II中有少量Fe7Nb6金属间化合物形成。因此，加入中间层可以使焊接接头的性能得到改善，但不能完全避免金属间化合物的产生。
Zhang等对激光偏移焊接技术进行了研究。激光偏移可以影响元素扩散，改变焊缝中的元素含量。如图8所示，+0.4(向不锈钢侧偏移0.4mm)接头的焊缝中主要为Fe和Cr元素，Ni和Ti元素的含量很少。Fe-Ti金属间化合物被认为是削弱NiTi/SS接头质量的主要因素。因此，+0.4(向不锈钢侧偏移0.4mm)接头中Ti元素的减少使脆性金属间化合物减少，从而导致接头硬度的显著降低以及拉伸性能的改善。类似地，Shamsolhodaei等通过激光偏移焊接方法对超弹性镍钛合金丝与不锈钢丝进行连接，发现激光偏移改变了接头焊接区的元素分布，提升了接头性能。
Farhang等在研究中引入外磁场，显著改善了接头的性能，具体表现为硬度降低，而抗拉强度与伸长率得以大幅提升，其中抗拉强度从338MPa提高到431MPa，伸长率从0.56%增加至1.33%。Tanrikulu等也探索了磁场对激光焊接NiTi/SS接头的影响。磁场的加入不仅对接头的微观结构有显著影响，而且能够引起熔池几何形状的改变，使nMFS接头中典型的V型熔池转变为MFS接头中的U型熔池。值得注意的是，MFS接头具有优异的抗拉强度(452.54MPa)，比nMFS接头提高了约30%。这主要是由于磁场消除了金属间化合物，并在界面处获得了胞状晶粒。
此外，Lü等先通过氩弧焊连接镍钛合金丝簇，再将其与不锈钢管经激光焊进行连接。他们发现，镍钛合金与不锈钢在熔合边界附近没有发生混合，而是在短距离内发生相互扩散，析出Ni3Ti、(Fe,Ni)Ti等金属间化合物。另外，镍钛合金的氩弧焊焊缝中存在分散分布的TiC化合物，其含量在镍钛合金与不锈钢的熔合边界附近明显减少。
在焊接过程中，运用顶锻力能够有效提升接头的性能表现。具体来说，当在不锈钢侧施加顶锻力时，部分液态金属会被挤出，通过该过程便可获得较窄的焊缝宽度，同时减少焊缝区下塌缺陷的出现，并使接头具备更为良好的拉伸性能。与未施加顶锻力的接头相比，其抗拉强度能够提高50%以上。
2.2氩弧焊
钨极氩弧焊可选择直流电流或者脉冲电流两种方式。两者相比，脉冲钨极氩弧焊电弧稳定，热输入小，有利于细化晶粒、减少气孔、减小焊件变形、降低焊接应力、改善接头力学性能。钨极氩弧焊的工艺参数主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体流量等。对于NiTi/SS接头，选择合适的焊接工艺参数可以控制焊接质量，减小焊接变形。例如，焊接电流的改变会引起热输入量变化，其过大或过小都会对焊接质量产生直接影响。若焊接电流过大，容易发生烧穿、背面下陷过多、咬边、凹坑等缺陷。若焊接电流过小，则会产生未焊透、未熔合等缺陷。因此，应根据焊件尺寸、焊缝位置等因素整体考虑，选择合适的焊接电流。研究还发现，电弧电压与电弧长度在一定范围内是正比例函数关系。若电弧电压过高，会产生气孔、熔深短、咬边、夹渣等缺陷。
除了选择合适的焊接工艺参数外，还可以通过加入中间层的方法来改善焊接质量。Oliveira等以镍钛合金和Inconel625为填充材料，探究了不同填料以及热处理对氩弧焊焊接接头的影响。在接头中观察到通过外延凝固形成的枝晶，枝晶的生长导致枝晶间空隙中存在溶质排斥，并可能形成金属间化合物，因此，裂纹主要沿着枝晶间区域形成。无序晶格减缓了位错的迁移率和原子扩散过程，导致结构中内应力的形成，提升了其硬度和脆性。相比于镍钛合金填料，使用Inconel625填料的接头通常具有较高的抗拉强度，最佳可达到286MPa。对于未经焊后热处理的样品，在焊缝和母材之间的熔合线处形成了清晰界面区域，即部分稀释区(见图9)，该区域会析出金属间化合物。在进行热处理之后，焊接接头中不存在部分稀释区。且焊后热处理减小了接头中的残余应力，使接头具有更高的力学性能。
2.3电子束焊
电子束焊接是指用高能电子束轰击焊件接头处的金属，使其熔化而达到连接目的的技术。在焊接过程中，高能量密度的电子束撞击金属工件能够产生深而窄的孔腔，该孔腔被称为“匙孔”。由于“匙孔”效应，电子束焊能够使焊接热量传递到工件内部，实现深宽比大、变形小、缺陷少的焊接效果。真空电子束焊接中的真空条件可以防止电子束的耗散，使O、N、H等有害元素远离焊缝，从而避免气孔的产生和力学性能的降低。Hellberg等通过微电子束焊获得表面和截面上不存在任何裂纹的NiTi/SS接头。由于精确的束对准和快俚氖梢跃房刂坪阜熘械某煞趾拖∈统潭龋佣灾跎俳鹗艏湎嗟谋壤Ｌ乇鸬兀菽芷追治鼋峁芍诮油啡酆锨兴刑讲庠鼐然旌希嬖诶猓丛诤阜熘胁縉i元素和Ti元素的部分富集。这可能是因为焊缝中部是焊接深度最高的区域，单位体积热量最低，“匙孔”周围的对流流动和马兰戈尼流均不明显，影响元素的混合。Niu等在三种不同条件下通过真空电子束焊接连接镍钛合金与不锈钢，对三种接头的微观组织和力学性能进行对比分析。
2.4电阻焊
电阻焊是在加压的条件下，以电流通过焊接材料及接触处产生的电阻热为热源进行焊接的方法。Li等探究了焊接电流以及焊后冷拔对焊接接头的影响。焊接电流的增大使焊缝变宽，40A接头的焊缝仅由10μm的反应层组成，而45A接头的焊缝加宽至40μm，除反应层外还形成了NiTi熔化区。由于45A接头中Fe2Ti以及共晶的占比增加，其硬度相对于40A接头有所提高。再凝固的晶界和熔化区的共晶阻碍了晶粒间的变形配合，导致局部脆化现象，进而使45A接头的硬度在局部区域显著增加。同时局部脆化使45A接头在达到应力平台最大应变之前发生断裂，导致其抗拉性能恶化，低于40A接头的抗拉性能(440MPa和7.9%)。焊后冷拔使因晶粒粗化而软化的热影响区得到部分恢复，且冷拔后的收缩使外部不锈钢管更加紧密地固定芯线，两者共同作用将接头的抗拉强度提高到830MPa。
通过替换有害相和限制混合这两种方法可以控制焊接接头中的金属间化合物。为此，Zhang等选择了低熔点Ni和高熔点Nb作为中间层。在Ni中间层接头中，随着脆性Fe2Ti相的替换，以Ni3Ti为主的焊缝具有更好的延展性。但镍的蒸发会导致大气孔、缩孔、裂纹的产生，使有效连接面积减小，造成接头强度降低。在Nb中间层接头中，熔合区被未熔融的Nb分离，这抑制了不同熔融金属间的混合，并在界面处形成低脆性的含铌共晶结构。该接头强度在断裂载荷方面提高了38%，在能量吸收方面显著提高了460%，如图10所示。由此可知，高熔点中间层具有实现可靠NiTi/SS电阻点焊接头的巨大潜力。
2.5摩擦焊
摩擦焊是在压力作用下，以焊接材料接触面摩擦产生的热量为热源，通过界面分子扩散和再结晶实现焊接的方法。Fukumoto等通过改变转速和旋转时间来控制热输入，探讨了镍中间层对摩擦焊NiTi/SS接头(见图11)的影响。无中间层接头的焊接界面处存在大量的脆性相Fe2Ti，使接头的最大强度仅为200MPa。镍中间层抑制了脆性金属间化合物Fe2Ti的形成。镍中间层接头的Ni/SS界面处几乎无金属间相形成，NiTi/Ni界面处形成反应层Ni3Ti，Ni3Ti可与NiTi基体发生共晶反应。随着转速的增加，接头性能提升，在300r⋅s−1的转速下旋转5s时获得的镍中间层接头达到512MPa的强度。
2.6超声波焊
在超声波焊接过程中，材料不会熔化，这抑制了过渡相的形成，适合异种金属的焊接。其核心是超声振动，高频超声振动有助于促进焊接时材料的声软化。在实际等效软化效果的条件下，热软化所需的热能输入是超声能量的107倍。Chen等发现未添加中间层的NiTi/SS超声波点焊接头具有机械互锁结构，抗拉强度可达到404.71N。Ao等制备了具有Cu中间层的NiTi/SS超声波点焊接头，并研究了不同焊接能量输入对接头的影响。研究发现，焊接时的接触压力不均匀导致Cu中间层发生塑性流动(见图12)，使接头的焊接界面呈现出NiTi/Cu/304SS界面和NiTi/304SS界面两种类型。在不同能量输入下，异种接头的两个界面处均未发现金属间化合物。在性能方面，平均拉伸剪切载荷先增后减，在750J时达到690N的最大值。这是因为随着能量输入的增大，热输入增加，材料软化，铜中间层塑性变形，使得结合区扩展到整个界面，接头性能显著提升。当能量输入过大时，由于铜中间层的断裂，镍钛合金与不锈钢直接接触，接头性能降低。Chen等使用Al中间层进行了相似的研究，铝中间层的塑性流动也产生了双界面。不同的是，焊接能量较高时，界面处会形成Fe4Al13脆性相。当焊接能量适中、界面机械联锁程度高、元素扩散距离长、不存在连续脆性相时，接头性能最佳。
2.7钎焊
钎焊具有独特的优点，焊后材料微观结构变化较小，可以连接广泛不同的材料，比如金属-陶瓷接头。在钎焊过程中，仅钎料熔化，焊材不熔化，熔化后钎料与固态焊材的连接通过短距离扩散机制实现。填充金属是钎焊的关键，需要考虑填料的力学性能、润湿性、与焊材可能形成的金属间化合物等。陈修凯等选择AuSi共晶钎料对镍钛合金与不锈钢进行钎焊，发现随着钎焊温度的升高，元素的扩散速度增大，接头不锈钢侧的(Fe,Cr)5Si3颗粒逐渐增加，从而使焊接接头的抗剪强度先增后减，在600℃时达到34MPa的最大值。
银和银基钎料的熔点低，在钎焊中应用较广。Shiue等制备了使用两种不同Ag-Cu-Ti银基钎料(Cusil-ABA、Ticusil)的红外钎焊接头，将不同焊接温度和焊接时间的各接头进行对比，得出在950℃下焊接60s的Ticusil接头的剪切强度最高，可达到237MPa。
李明高选择银基钎料和激光钎焊方法连接镍钛合金与不锈钢，通过二次回归组合设计及遗传算法优化银基钎料的成分，获得钎料的最优成分：51%~53%Ag、21%~23%Cu、17%~19%Zn、7%~9%Sn。Li等比较了三种银基钎料接头的显微组织和性能，发现Ag-22Cu-18Zn-8Sn钎料更具应用潜力。同时，随着钎料中Zn元素和Sn元素含量的增加，钎料对镍钛合金及不锈钢的润湿性提高，焊接所需激光输出功率减小，钎焊时间缩短，焊接接头的抗拉强度增大，但应变减小。在此基础上，Li等进一步研究工艺参数的影响。随着激光输出功率和钎焊时间的增加，热影响区的显微组织粗化，这造成了硬度的降低、镍钛合金热影响区超弹性和形状记忆效应的减弱。Qiu等的研究显示出类似的结果，在合适的工艺参数下，接头强度可以达到320~360MPa。
阎开婷等公开了一种血管内镍钛合金导丝、导丝焊接工装及导丝焊接方法。焊接工装如图13所示，在氩气保护气氛下，利用夹具连续转动线材进行激光小光斑多点环绕加热，使钎料熔化包覆在阶梯状端头上，完成镍钛合金与不锈钢的端部连接。
2.8其他焊接技术
除以上几种焊接方法外，汽化箔致动器焊、碰撞对焊、瞬时液相扩散焊、储能焊等在镍钛合金与不锈钢焊接方面的研究也被报道。瞬时液相扩散焊融合了钎焊和固相扩散焊的优势，不仅能够实现高强度且低脆性的连接，还避免了对高压力的需求。李红等以AgCu为中间层进行瞬时液相扩散焊，所获NiTi/SS接头的最大抗剪强度达到239MPa。李杜使用复合中间层Ti/Cu，在1100℃保温20min，4GPa压力下对镍钛合金与不锈钢进行瞬时液相扩散焊接。与常压下制备的接头相比，该接头具有较少的缺陷和金属间化合物、较好的剪切强度(194.6MPa)。碰撞对焊是通过突然碰撞快速连接的方法，该方法减少了内压形成的倾向。Li等通过不同速度的碰撞对焊获得NiTi/SS接头。在40mm/s的碰撞速度下，接头的强度最高，达到(522±41)MPa。
3、焊后热处理
焊后退火是一种常见的工艺，其通过释放焊接区的残余应力来提高焊接接头的力学性能。焊后材料在退火过程中经过回复和再结晶消除缺陷，然而，如果退火温度过高或保温时间过长，会引起已形成的等轴晶粒在晶界处融合，进而促使晶粒进一步生长并改变形状。这种情况下，过大的晶粒会降低焊后材料的性能。此外，冷却速度可以影响晶粒尺寸和晶体结构的形成，速度过快可能会导致应力的重新产生。因此，退火温度、保温时间以及冷却速度是影响焊后退火工艺的重要因素。李江川等探索了不同退火保温时间对不锈钢的影响，研究表明，随着保温时间的延长，晶粒生长速度先增后减，退火后拉伸强度无明显变化，塑性得到显著提升，表面硬度逐渐降低。
Asadi等研究了焊后退火温度对激光焊接NiTi/SS接头的影响。SEM结果显示，经过100℃和200℃的退火后，接头的显微组织没有明显变化。而在300℃退火的接头中观察到较大的枝晶结构。相组成方面，相较于无焊后退火处理的接头，100℃和200℃的退火处理对物相无明显影响，但300℃的热处理会导致金属间化合物增加(见图14a)。因此，焊接接头的硬度和拉伸性能均随退火温度的升高而改善，但退火温度达到300℃时力学性能恶化。如图14b所示，200℃接头具有最高的抗拉强度，其值高达310MPa，是未热处理接头抗拉强度的1.91倍。而300℃接头的抗拉强度仅为129MPa，低于未热处理接头。类似的研究也呈现出相同的结果，经过200℃焊后热处理的样品的抗拉强度由213MPa提高到393MPa，耐腐蚀性能也得到提高。
Chen等研究了焊后退火工艺对以镍为中间层的NiTi/SS接头的影响。研究表明，未热处理接头的NiTi/Ni界面可分为两层，随着焊后热处理温度的升高，NiTi/Ni界面和焊缝处析出越来越多的Ni3Ti金属间化合物，在850°C接头的NiTi/Ni界面中已全部转变为Ni3Ti相。这使得所有接头的硬度在NiTi/Ni界面达到最大，且焊接区硬度随着退火温度的升高而提高，如图15所示。由于焊后热处理使接头组织逐渐趋于均匀化，焊缝的最大硬度与平均硬度之间差值减小，接头的抗拉强度提高，在850℃接头中达到643MPa的最大值，是未热处理接头抗拉强度的2.12倍。因此，焊后热处理可以改善焊接接头的性能，但为了达到预期效果，需要选择合适的热处理工艺。
4、总结和展望
镍钛合金的耐腐蚀性和超弹性使其在恶劣环境下表现出色，而不锈钢具有良好的加工性能和成本优势，因此，镍钛合金与不锈钢的焊接广泛应用于工业制造领域，如耐腐蚀管道、压力容器等设备。镍钛合金的超弹性和形状记忆特性使其能够适应复杂的电子元件结构，而不锈钢提供良好的导电性和机械强度，故而，镍钛合金与不锈钢的焊接可应用于柔性电路板等电子设备领域。镍钛合金与不锈钢之间实现优异的焊接效果，不仅能够推动众多领域的进一步发展，而且有助于为镍钛合金与其他异种材料的焊接研究提供借鉴，因此具有重要的使用价值和理论意义。然而，在镍钛合金与不锈钢的异种焊接过程中，存在两个关键挑战：一是脆性金属间化合物的形成，二是裂纹和残余应力的产生。其中，金属间化合物作为焊接接头力学性能下降的主要因素，始终是该领域研究的重点对象。为此，本文剖析了异种焊接过程中所面临的主要挑战及内在机制，详细综述了激光焊、氩弧焊、电子束焊、电阻焊、摩擦焊、超声波焊、钎焊等焊接技术的研究进展，并深入探讨了焊接过程以及焊后热处理对NiTi/SS接头的微观结构和力学性能的影响。结合研究现状和应用需求，如何有效抑制金属间化合物的形成仍是未来研究的重点。今后可以从以下几个方面进一步探索。
(1)优化焊接工艺。合适的焊接方法和工艺参数是实现成功焊接的关键。各种焊接方法均有其特有的优势和局限性，而固态焊更有利于避免金属间化合物的产生。每种焊接方法都有其对应的重要工艺参数，如氩弧焊的电弧电压、焊接电流、气体流量等，激光焊的激光波长、功率、模式、焦点大小和位置等。实际焊接时，应根据材料的尺寸、形状等选择合适的焊接方法及工艺参数，从而获得性能优异的焊接接头。未来，焊接技术将更加智能化，通过引入自动化系统和机器人技术将实现焊接过程的实时监控和参数优化。
(2)添加中间层。为控制金属间化合物的形成，中间层有替换有害相、限制混合两种选择策略，比如低熔点的Ni和高熔点的Nb。在选择中间层材料时，应充分考虑实际应用要求，如在医疗器械领域应考虑中间层的毒性及其对人体的危害。此外，中间层的厚度也对焊接效果有所影响。寻找新的中间层材料及其厚度是改善焊接接头性能的可行方法。
(3)焊后热处理。焊后热处理作为一种材料加工工艺能降低焊接接头的残余应力，使组织均匀化。优化焊后热处理参数(热处理温度、保温时间以及冷却速度)能够有效提升焊接接头的性能。
(4)除了以上方法之外，还可以进一步探索外加磁场、热源偏移、施加顶锻力、冷拔、不同焊接方法相互组合等方法来提高镍钛合金与不锈钢的焊接性能，并为研究异种材料的焊接提供理论基础。
参考文献
1 Oliveira J P, Fernandes F M B, Schell N,et al. Materials Letters,2016,171,273.
2 Otsuka K,Ren X. Progress in Materials Science,2005,50(5),511.
3 Hartl D J, Lagoudas D C. Proceedings of the Institution of Mechanical En-gineers,Part G: Journal of Aerospace Engineering,2007,221(4),535.
4 Strittmatter J, Clipa V, Gheorghita V, et al. Journal of Materials Engi-neering and Performance,2014,23(7),2696.
5 Petrini L, Migliavacca F. Journal of Metallurgy,2011,2011,1.
6 Morgan N B. Materials Science and Engineering: A,2004,378(1-2),16.
7 Asadi S, Saeid T, Valanezhad A, et al. Journal of the Mechanical Be-havior of Biomedical Materials,2020,109,103818.
8 Yang X F, Ban H Y, Shi Y J, et al. Thin-Walled Structures, 2024,202，112104.
9 Yan X J, Yang D Z, Liu L M. Transactions of the China Welding Institu-tion,2004,25(3),121(in Chinese).
阎小军，杨大智，刘黎明.焊接学报，2004，25(3)，121.
10 Pouquet J, Miranda R M, Quintino L, et al. International Journal of Ad-vanced Manufacturing Technology,2012,61(1-4),205.
11 Tang W J, Tan J H, Gu X L. Nonferrous Metal Materials and Engineering,2019,40(2),46(in Chinese).
唐文敬，谭家宏，谷雪莲.有色金属材料与工程，2019，40(2)，46.
12 Zhou H K. Study on microstructure and properties of laser welding joints between NiTi alloy and stainless steel. Master's Thesis, North China University of Science and Technology, China, 2022(in Chinese).
周海宽.镍钛合金与不锈钢激光焊接接头微观组织及性能的研究.硕士学位论文，华北理工大学，2022.
13 Pardal G,Gangulary S, Williams S,et al. The International Journal of Ad-vanced Manufacturing Technology,2016,86(5-8),1139.
14 Kou S. Welding metallurgy, Second Edition, John Wiley& Sons Inc,USA,2002,pp.174.
15 Wang X N, Wang J, Chen X M, et al. Journal of Mechanical Engineering,2019,55(10),42(in Chinese).
王晓南，汪杰，陈夏明，等.机械工程学报，2019，55(10)，42.
16 Farhang B, Tanrikulu A A, Ganesh-Ram A, et al. Journal of Materials Processing Technology,2023,314,117888.
17 Vannod J, Bornett M, Bidaux J E, et al. Acta Materialia, 2011, 59(17),6538.
18 Niu H,Jiang H C,Zhao MJ,et al. Journal of Materials Science& Tech-nology,2021,61,16.
19 Zhang C,Zhao S,Sun X M,et al. Corrosion Science,2014,82,404.
20 Zhang C, Sun X H, Hou X, et al. International Journal of Medical Sciences,2013,10(8),1068.
21 Li M G,Sun D Q,Qiu X M,et al. Materials Science and Engineering:A,2006,441(1-2),271.
22 Li J X, Panton B, Liang S X, et al. Materials Today Communications,2020，25，101306.
23 Lin Y Z, Wu W Q. Management& Technology of SME, 2020, 26(7),194(in Chinese).
林毅贞，伍玩秋.中小企业管理与科技，2020，26(7)，194.
24 Zhang D N. Study on HEA powder design and microstructure and proper-ties of NiTi SMA/304 SS laser welding. Master's Thesis, Beijing Univer-sity Of Technology, China, 2022(in Chinese).
张冬妮.NiTi SMA/304SS激光焊HEA填充粉末设计及接头组织性能研究.硕士学位论文，北京工业大学，2022.
25 Hahnlen R, Fox G, Dapino M J. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2012,24(8),945.
26 Parimanik S R, Mahapatra T R, Mishra D, et al. E3S Web of Confe-rences,2023,391,01167.
27 Liu Y Q, Zhang Y, Zhou J P, et al. Materials Letters, 2023, 350,134961.
28 Asadi S, Saeid T, Valanezhad A, et al. Journal of Manufacturing Proces-ses,2020,55,13.
29 Li H M,Sun D Q,Cai XL,et al. Materials& Design,2012,39,285.
30 Zhou H K, Yang H L. Hot Working Technology,2024,53(19),29(in Chinese).
周海宽，杨海丽.热加工工艺，2024，53(19)，29.
31 Li H M,Sun D Q,Gu X Y,et al. Materials& Design,2013,50,342.
32 Li H M, Sun D Q, Cai X L, et al. Optics& Laser Technology, 2013,45,453.
33 Zhang Y, Zeng H Y, Zhou J P, et al. Optics& Laser Technology, 2020,131，106372.
34 Shojaei Zoeram A, Rahmani A, Akbari Mousavi S A A. Journal of Ma-nufacturing Processes,2017,26,355.
35 Ng CH, Mok E S H, Man H C. Journal of Materials Processing Techno-logy,2015,226,69.
36 Wang H W, Xie J L, Chen Y H, et al. Journal of Materials Research and Technology,2022,18,1028.
37 LiMG,Sun D Q,Qiu X M,et al. Science and Technology of Welding and Joining,2007,12(2),183.
38 Gao X L, Wang X Q, Liu J, et al. Materials Letters, 2020, 268,127573.
39 Zhang K P, Peng P, Zhou Y N. Materials Science and Engineering: A,2022,835,142660.
40 Shamsolhodaei A, Oliveira J P, Schell N, et al. Intermetallics, 2020,116,106656.
41 Tanrikulu A A, Farhang B, Ganesh-Ram A K, et al. Journal of Manu-facturing Science and Engineering,2024,146(3),031007.
42 Li S X, Yang Z L, Dong H G. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(1),156.
43 Li H M. Study on laser welding of dissimilar materials between TiNi shape memory alloy and stainless steel. Ph. D. Thesis, Jilin University, Chi-na,2011(in Chinese).
李洪梅.TiNi形状记忆合金与不锈钢异种材料激光焊研究.博士学位论文，吉林大学，2011.
44 Jiang Y X. Study on arc behavior and weld formation of pulsed current ar-gon tungsten arc welding. Master's Thesis, Xihua University, China,2022(in Chinese).
蒋玉霞.脉冲电流钨极氩弧焊电弧行为与焊缝成形研究.硕士学位论文，西华大学，2022.
45 Fang W P, Du X W, Chen Y. Electric Welding Machine,2006,36(6),13(in Chinese).
方文鹏，杜晓伟，陈勇.电焊机，2006，36(6)，13.
46 Zhang L. Shanxi Metallurgy,2007,34(2),1(in Chinese).张兰.山西冶金，2007，34(2)，1.
47 Oliveira M J C, Melo R H F, Maciel T M, et al. Materials Chemistry and Physics,2019,224,137.
48 Qi B J, Fan Q K, Liu F J. Aeronautical Manufacturing Technology,2015,58(11),26(in Chinese).
齐铂金，范霁康，刘方军.航空制造技术，2015，58(11)，26.
49 Yang D, Jiang H C, Zhao M J, et al. Materials& Design, 2014, 57,21.
50 Hellberg S, Hummel J, KrooB P,et al. Welding in the World, 2020,64(12),2159.
51 Li Q,Zhu Y X,Guo J L. Journal of Materials Processing Technology,2017,249,538.
52 Zhang K, Shamsolhodaei A, Ghatei-Kalashami A, et al. Journal of Mate-rials Science& Technology,2024,180,160.
53 Fukumoto S, Inoue T, Mizuno S, et al. Science and Technology of Welding and Joining,2013,15(2),124.
54 Cheng X M, Yang K, Wang J, et al. Journal of Manufacturing Processes,
55 Chen Y, Cheng M P, Liu C, et al. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2023,129(5-6),2813.
56 Ao S S,Cheng M P,Zhang W,et al. Ultrasonics,2022,121,106684.
57 Chen Y, Cheng M, Xing Y W, et al. Science and Technology of Welding and Joining,2023,28(9),905.
58 Way M, Willingham J, Goodall R. International Materials Reviews,2019,65(5),257.
59 Chen X K, Chao Y F, Bian H, et al. Transactions of the China Welding Institution,2023,44(7),9(in Chinese).陈修凯，曹云飞，卞红，等.焊接学报，2023，44(7)，9.
60 Shiue R K, Chen C P, Wu S K. Metallurgical and Materials Transactions A,2015,46(6),2364.
61 Li M G. Joining of TiNi shape memory alloy and stainless steel. Ph. D.Thesis, Jilin University, China, 2006(in Chinese).
李明高.TiNi形状记忆合金与不锈钢的连接.博士学位论文，吉林大学，2006.
62 Li M G, Sun D Q, Qiu X M, et al. Materials Science and Engineering:A,2006,424(1-2),17.
63 Qiu X M, Li M G, Sun D Q, et al. Journal of Materials Processing Tech-nology,2006,176(1-3),8.
64阎开婷，陈旭东，王文利，等.中国专利，CN201610071913.1.
65 Li J X, Panton B, Mao Y,et al. Smart Materials and Structures,2020,29(10)，105023.
66 Li Q,Zhu Y X. Journal of Materials Processing Technology,2018,255,434.
67 Li H, Li Z X, Wang Y L, et al. Rare Metal Materials and Engineering,2011,40(8),1382(in Chinese).
李红，栗卓新，汪应玲，等.稀有金属材料与工程，2011，40(8)，1382.
68 Li D. Interfacial microstructure and strength of transient liquid-phase bonding of the TiNi shape memory alloy and stainless steel. Master's Thesis, Xiangtan University, China,2016(in Chinese).
李杜.TiNi形状记忆合金与不锈钢的瞬时液相扩散连接界面组织及力学性能.硕士学位论文，湘潭大学，2016.
69 Wang Y L, Li H, Li Z X, et al. Journal of Materials Engineering,2008,53(9),48(in Chinese).
汪应玲，李红，栗卓新，等.材料工程，2008，53(9)，48.
70 Li M G,Sun D Q,Qiu X M,et al. China Welding,2005,14(2),95.
71 Guo R P. Effect of composition and annealing process on microstructure and mechanical properties of low carbon cold rolled sheet. Master's The-sis,Hebei United University,China,2014(in Chinese).
郭瑞鹏.成分和退火工艺对低碳冷轧板组织、力学性能的影响.硕士学位论文，河北联合大学，2014.
72 Li J C, Wang S F. Journal of Changchun University of Science and Tech-nology(Natural Science Edition),2024,47(2),53(in Chinese).
李江川，王少锋.长春理ご笱аП�(自然科学版)，2024，47(2)，53.
73 Mirshekari G R, Saatchi A, Kermanpur A, et al. Journal of Materials Engineering and Performance,2016,25(6),2395.
74 Chen Y H, Sun S W, Zhang T M, et al. Materials Science and Enginee-ring:A，2020，771，138545.
（注，原文标题：镍钛合金与不锈钢的焊接技术研究进展）
tag标签:不锈钢,镍钛合金,异种焊接,冶金特性,工艺适配性