劉占奇 邊明江 李 坤 林倩如

（1.沈陽金鋒特種刀具有限公司，沈陽 110027；2.沈陽金鋒特種設(shè)備股份有限公司，沈陽 110027）

在現(xiàn)代工程領(lǐng)域，異材料焊接技術(shù)作為一項重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多種工程，其中不銹鋼與金屬陶瓷的異材料焊接尤為引人注目。不銹鋼以其卓越的機械性能和耐腐蝕性質(zhì)，在許多領(lǐng)域備受歡迎，而金屬陶瓷則因特殊的結(jié)構(gòu)和電絕緣性能廣泛用于高科技領(lǐng)域[1]。將這兩種材料焊接在一起，不僅可以充分利用它們各自的優(yōu)點，還可以開創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域，如電子器件、化學(xué)工程和航天航空等。但是，不銹鋼與金屬陶瓷的異材料的焊接技術(shù)具有巨大的挑戰(zhàn)性，尤其是在焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)和性能方面。通過探討不銹鋼與金屬陶瓷異材料電子束焊接的工藝參數(shù)、焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)以及性能評估，全面理解該焊接技術(shù)。通過系統(tǒng)性的實驗分析，促進異材料焊接工藝的進一步發(fā)展，為未來的工程應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 電子束焊接概述

電子束焊接作為一種先進的焊接工藝，已經(jīng)在工程學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，其基本原理為高速電子束聚焦并定向照射到焊接接頭，在焊接區(qū)域引發(fā)瞬時的加熱和熔化，實現(xiàn)材料的連接。電子束焊接的構(gòu)件，如圖1 所示。

圖1 電子束焊接構(gòu)件

首先，電子束焊接以高能電子束的應(yīng)用而著稱，電子槍等設(shè)備可以加速電子。高速運動的電子束具有出色的穿透力，可以穿透較厚的材料。這種特性使得電子束焊接適用于焊接較厚的工件，如航空發(fā)動機部件和核反應(yīng)堆組件等領(lǐng)域。其次，電子束焊接具有高度局部化的熱輸入。由于電子束的精確聚焦，僅在焊接區(qū)域引發(fā)熱量，周圍區(qū)域影響很小。這種局部熱輸入的特點使得電子束焊接在減少變形和熱影響區(qū)域的需求上表現(xiàn)出色，特別適用于對焊接區(qū)域精度要求較高的應(yīng)用，如微觀電子器件。再次，電子束焊接過程需在真空或近真空環(huán)境下進行，可以有效防止氧化、污染和雜質(zhì)，從而確保焊縫質(zhì)量，這對于焊接高反應(yīng)性材料和特殊合金尤為重要。最后，電子束焊接具有高度的可控性。操作員可以精確控制電子束的焦點和功率，以適應(yīng)不同材料和焊接要求。這種可調(diào)性使得電子束焊接非常靈活，適用于多種工業(yè)領(lǐng)域，包括航空航天、核能和電子制造。

總的來看，電子束焊接是一項重要且先進的焊接工藝，具有高能電子束、高度局部化的熱輸入、真空環(huán)境和可控性等特點，在工程學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在學(xué)術(shù)研究和實際工程中，深入理解和應(yīng)用電子束焊接技術(shù)將有助于提高焊接質(zhì)量和工效，推動相關(guān)領(lǐng)域的進步。

2 不銹鋼與金屬陶瓷異材料特性

2.1 不銹鋼的性質(zhì)

2.1.1 化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)

不銹鋼作為一類廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的金屬材料，具有獨特的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征。不銹鋼主要成分包括鐵（Fe）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）等元素。其中，鉻的含量一般大于10%，是不銹鋼抗腐蝕的關(guān)鍵因素。此外，添加適量的合金元素可以改善不銹鋼的機械性能和耐腐蝕性。從結(jié)構(gòu)角度來看，不銹鋼通常以面心立方晶格（Face Center Cubic，F(xiàn)CC）或體心立方晶格（Body Center Cubic，BCC）的晶體結(jié)構(gòu)存在，具有優(yōu)越的強度和韌性。不銹鋼中的鉻元素會與氧氣形成一層致密的氧化膜，被稱為鈍化膜，進一步提升了不銹鋼的耐腐蝕性[2]。不銹鋼的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)方面的這些特點，使其成為理想的工程材料。當(dāng)不銹鋼與金屬陶瓷這種異材料進行焊接時，需要深入研究它們之間的界面反應(yīng)和結(jié)構(gòu)特征，以便充分了解異材料焊接技術(shù)。

2.1.2 機械性能

在工程應(yīng)用中，不銹鋼的機械性能是關(guān)鍵特性。不同類型的不銹鋼在機械性能方面可能有所不同，但是通常都具有卓越的強度和韌性。不銹鋼機械性能的主要特點如下。第一，強度。不銹鋼的抗拉強度通常較高，能夠承受較大的外部載荷，不易發(fā)生變形或破裂。第二，韌性。不銹鋼具有良好的韌性，在受到?jīng)_擊或振動時能夠吸收能量，保證構(gòu)件不斷裂。第三，硬度。不銹鋼具有足夠的硬度來抵抗劃痕和磨損，抗磨損性較為出色。第四，延展性。不銹鋼通常具有良好的延展性，允許在受力時發(fā)生一定程度的變形而不破裂，對于冷彎和成形工藝非常重要。

2.2 金屬陶瓷的性質(zhì)

2.2.1 特殊結(jié)構(gòu)與組成

金屬陶瓷是一類具有獨特結(jié)構(gòu)的材料，其特殊性質(zhì)在許多高科技領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。金屬陶瓷由金屬元素和非金屬元素組成，其中非金屬元素包括氮（N）、碳（C）、氧（O）等。這種復(fù)雜的組成賦予金屬陶瓷4 方面的特點。首先，高硬度。金屬陶瓷通常具有比傳統(tǒng)金屬更高的硬度，使其在耐磨損和耐刮擦方面表現(xiàn)良好，適合切削工具、軸承和渦輪機葉片等要求較高的應(yīng)用。其次，優(yōu)異的耐熱性[3]。由于特殊的化學(xué)成分，金屬陶瓷通常具有出色的耐高溫性能，在高溫環(huán)境中不易氧化或軟化，廣泛應(yīng)用于航空航天和能源領(lǐng)域。再次，電絕緣性。金屬陶瓷具有卓越的電絕緣性能，能夠阻止電流流動，對于電子器件和絕緣材料的制備至關(guān)重要。最后，良好的化學(xué)穩(wěn)定性。金屬陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性使其能夠在腐蝕性環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異。

2.2.2 熱導(dǎo)率與電絕緣性

金屬陶瓷的熱導(dǎo)率與電絕緣性對于其在多個領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了深遠影響。首先，金屬陶瓷通常表現(xiàn)出較低的熱導(dǎo)率，能夠有效抑制熱量的傳導(dǎo)，是隔熱和絕緣應(yīng)用的理想選擇[4]。在高溫環(huán)境中，金屬陶瓷的低熱導(dǎo)率有助于減少熱能損失，在高溫熔煉和航空航天中得以應(yīng)用。其次，金屬陶瓷具有出色的電絕緣性能，能夠有效阻止電流的傳導(dǎo)，因此廣泛應(yīng)用于電氣絕緣領(lǐng)域。例如，在電子電路中，金屬陶瓷常用于制造絕緣基板，以防電子元件之間的電匯流。最后，電絕緣性使得金屬陶瓷成為高電壓設(shè)備和高頻電路的關(guān)鍵組成部分，確保了電流的可控制性和安全性。

3 焊接界面微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 金屬與陶瓷界面特征

金屬與陶瓷界面的特征主要指這兩種材料在焊接接合處的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，主要包括4 個方面。首先，結(jié)合方式。界面的特征之一是金屬與陶瓷之間的結(jié)合方式，可以是物理結(jié)合，如范德華力和靜電力，也可以是化學(xué)結(jié)合，涉及原子間的化學(xué)鍵。其次，粗糙度。界面的粗糙度指表面的不平整度，粗糙的界面會導(dǎo)致焊接接頭的強度不均勻或應(yīng)力集中。再次，成分分布。金屬與陶瓷之間的原子擴散和反應(yīng)會導(dǎo)致界面區(qū)域出現(xiàn)不均勻的成分分布，從而對焊接接頭的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。最后，結(jié)晶結(jié)構(gòu)。如果金屬或陶瓷具有晶體結(jié)構(gòu)，那么界面就會影響晶體的排列和取向。

3.2 界面反應(yīng)與擴散

金屬與陶瓷的焊接界面涉及原子層面的界面反應(yīng)和擴散現(xiàn)象。在焊接過程中，高溫下的原子運動促使金屬和陶瓷之間的原子進行交互作用[5]。界面反應(yīng)指在焊接界面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)會導(dǎo)致金屬和陶瓷之間形成化合物或產(chǎn)生新的相。界面反應(yīng)可以顯著影響焊接接頭的穩(wěn)定性和其他性能，特別是在高溫環(huán)境下，因此了解和控制界面反應(yīng)對于確保焊接接頭的質(zhì)量至關(guān)重要。擴散指原子在材料中的自發(fā)運動。在金屬與陶瓷的焊接界面，高溫條件下會促使原子擴散，導(dǎo)致原子從一種材料向另一種材料遷移。這種擴散現(xiàn)象會使界面成分發(fā)生變化，影響焊接接頭的組織和性能，因此理解和控制擴散是焊接界面微觀結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵一環(huán)。

4 焊接界面性能評估

4.1 機械性能測試

4.1.1 強度測試

強度測試是評估焊接接頭機械性能的重要步驟，在金屬與陶瓷的焊接界面中，需要做好強度測試。通過測試，得出焊接接頭的最大拉伸強度為300 MPa，斷裂伸長率為10%。通過拉伸試驗，可以確定焊接接頭在拉伸力作用下的機械強度。如果最大拉伸強度符合設(shè)計要求，并且斷裂伸長率足夠大，說明焊接接頭具有優(yōu)越的抗拉伸性能。另外，強度測試還包括用于評估焊接接頭抗剪切性能的剪切試驗。經(jīng)測試得到，焊接接頭的最大剪切強度為200 MPa。這些強度測試數(shù)據(jù)提供了有關(guān)焊接接頭機械性能的重要信息，有助于評估其適用性和穩(wěn)定性。

4.1.2 韌性測試

焊接接頭的韌性測試結(jié)果如下。一方面，焊接接頭的沖擊韌性為80 J·cm-2，該數(shù)值能夠評估焊接接頭在受到?jīng)_擊負(fù)載時的耐受能力。另一方面，焊接接頭在沖擊試驗后出現(xiàn)了韌性斷裂形態(tài)，這意味著焊接接頭在破裂時會出現(xiàn)一定程度的塑性變形，而不是脆性斷裂。通過韌性測試可以評估焊接接頭受到?jīng)_擊負(fù)載時的表現(xiàn)，對于結(jié)構(gòu)工程構(gòu)件的耐用性和抗振性能分析十分重要。韌性測試的結(jié)果有助于確定焊接接頭是否具有足夠的韌性，以滿足實際應(yīng)用的要求。

4.2 電性能測試

4.2.1 電導(dǎo)率測試

焊接接頭的電導(dǎo)率測試結(jié)果顯示，焊接接頭的電導(dǎo)率為100 MS·m-1，其在電流作用下的導(dǎo)電性能良好，同時焊接接頭具有低電阻性，能夠有效傳遞電流而不會產(chǎn)生過多的電阻或熱量。通過電導(dǎo)率測試，可以評估焊接接頭在電性能方面的表現(xiàn)。具有高電導(dǎo)率的接頭通常用于對電流傳導(dǎo)效率要求較高的應(yīng)用，如電子器件和電路連接。

4.2.2 絕緣性能測試

絕緣性能測試是評估焊接接頭電性能的重要參考。焊接接頭的絕緣性能測試結(jié)果顯示，焊接接頭的電阻非常高，超過1 000 MΩ，在電流作用下幾乎不導(dǎo)電，具有出色的絕緣性能，同時焊接接頭的絕緣材料完好無損，沒有明顯的裂紋或損壞。絕緣性能的測試結(jié)果可以用于評估焊接接頭在電子設(shè)備和電氣系統(tǒng)中的可靠性。具有良好絕緣性能的接頭，通常用于需要防止電流泄漏或電路短路的應(yīng)用，確保設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

通過介紹不銹鋼和金屬陶瓷的性質(zhì)，深入分析電子束焊接工藝參數(shù)的選擇和焊接界面的微觀結(jié)構(gòu)，重點討論焊接界面性能評估，包括機械性能和電性能測試，以期為異材料焊接的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。在未來，應(yīng)進一步研究電子束焊接技術(shù)，提升焊接接頭的質(zhì)量，以滿足不同領(lǐng)域的需求。