不锈钢与金属陶瓷异材料电子束焊接界面研究

2024-01-17刘占奇边明江林倩如

现代制造技术与装备 2023年11期

刘占奇边明江李坤林倩如

（1.沈阳金锋特种刀具有限公司，沈阳 110027；2.沈阳金锋特种设备股份有限公司，沈阳 110027）

在现代工程领域，异材料焊接技术作为一项重要技术，广泛应用于多种工程，其中不锈钢与金属陶瓷的异材料焊接尤为引人注目。不锈钢以其卓越的机械性能和耐腐蚀性质，在许多领域备受欢迎，而金属陶瓷则因特殊的结构和电绝缘性能广泛用于高科技领域[1]。将这两种材料焊接在一起，不仅可以充分利用它们各自的优点，还可以开创新的应用领域，如电子器件、化学工程和航天航空等。但是，不锈钢与金属陶瓷的异材料的焊接技术具有巨大的挑战性，尤其是在焊接界面的微观结构和性能方面。通过探讨不锈钢与金属陶瓷异材料电子束焊接的工艺参数、焊接界面的微观结构以及性能评估，全面理解该焊接技术。通过系统性的实验分析，促进异材料焊接工艺的进一步发展，为未来的工程应用奠定坚实的基础。

1 电子束焊接概述

电子束焊接作为一种先进的焊接工艺，已经在工程学领域引起广泛关注，其基本原理为高速电子束聚焦并定向照射到焊接接头，在焊接区域引发瞬时的加热和熔化，实现材料的连接。电子束焊接的构件，如图1 所示。

图1 电子束焊接构件

首先，电子束焊接以高能电子束的应用而著称，电子枪等设备可以加速电子。高速运动的电子束具有出色的穿透力，可以穿透较厚的材料。这种特性使得电子束焊接适用于焊接较厚的工件，如航空发动机部件和核反应堆组件等领域。其次，电子束焊接具有高度局部化的热输入。由于电子束的精确聚焦，仅在焊接区域引发热量，周围区域影响很小。这种局部热输入的特点使得电子束焊接在减少变形和热影响区域的需求上表现出色，特别适用于对焊接区域精度要求较高的应用，如微观电子器件。再次，电子束焊接过程需在真空或近真空环境下进行，可以有效防止氧化、污染和杂质，从而确保焊缝质量，这对于焊接高反应性材料和特殊合金尤为重要。最后，电子束焊接具有高度的可控性。操作员可以精确控制电子束的焦点和功率，以适应不同材料和焊接要求。这种可调性使得电子束焊接非常灵活，适用于多种工业领域，包括航空航天、核能和电子制造。

总的来看，电子束焊接是一项重要且先进的焊接工艺，具有高能电子束、高度局部化的热输入、真空环境和可控性等特点，在工程学和材料科学领域具有广泛的应用前景。在学术研究和实际工程中，深入理解和应用电子束焊接技术将有助于提高焊接质量和工效，推动相关领域的进步。

2 不锈钢与金属陶瓷异材料特性

2.1 不锈钢的性质

2.1.1 化学成分与结构

不锈钢作为一类广泛应用于工程领域的金属材料，具有独特的化学成分和结构特征。不锈钢主要成分包括铁（Fe）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）等元素。其中，铬的含量一般大于10%，是不锈钢抗腐蚀的关键因素。此外，添加适量的合金元素可以改善不锈钢的机械性能和耐腐蚀性。从结构角度来看，不锈钢通常以面心立方晶格（Face Center Cubic，FCC）或体心立方晶格（Body Center Cubic，BCC）的晶体结构存在，具有优越的强度和韧性。不锈钢中的铬元素会与氧气形成一层致密的氧化膜，被称为钝化膜，进一步提升了不锈钢的耐腐蚀性[2]。不锈钢的化学成分和结构方面的这些特点，使其成为理想的工程材料。当不锈钢与金属陶瓷这种异材料进行焊接时，需要深入研究它们之间的界面反应和结构特征，以便充分了解异材料焊接技术。

2.1.2 机械性能

在工程应用中，不锈钢的机械性能是关键特性。不同类型的不锈钢在机械性能方面可能有所不同，但是通常都具有卓越的强度和韧性。不锈钢机械性能的主要特点如下。第一，强度。不锈钢的抗拉强度通常较高，能够承受较大的外部载荷，不易发生变形或破裂。第二，韧性。不锈钢具有良好的韧性，在受到冲击或振动时能够吸收能量，保证构件不断裂。第三，硬度。不锈钢具有足够的硬度来抵抗划痕和磨损，抗磨损性较为出色。第四，延展性。不锈钢通常具有良好的延展性，允许在受力时发生一定程度的变形而不破裂，对于冷弯和成形工艺非常重要。

2.2 金属陶瓷的性质

2.2.1 特殊结构与组成

金属陶瓷是一类具有独特结构的材料，其特殊性质在许多高科技领域中占据重要地位。金属陶瓷由金属元素和非金属元素组成，其中非金属元素包括氮（N）、碳（C）、氧（O）等。这种复杂的组成赋予金属陶瓷4 方面的特点。首先，高硬度。金属陶瓷通常具有比传统金属更高的硬度，使其在耐磨损和耐刮擦方面表现良好，适合切削工具、轴承和涡轮机叶片等要求较高的应用。其次，优异的耐热性[3]。由于特殊的化学成分，金属陶瓷通常具有出色的耐高温性能，在高温环境中不易氧化或软化，广泛应用于航空航天和能源领域。再次，电绝缘性。金属陶瓷具有卓越的电绝缘性能，能够阻止电流流动，对于电子器件和绝缘材料的制备至关重要。最后，良好的化学稳定性。金属陶瓷的化学稳定性使其能够在腐蚀性环境中表现优异。

2.2.2 热导率与电绝缘性

金属陶瓷的热导率与电绝缘性对于其在多个领域的应用产生了深远影响。首先，金属陶瓷通常表现出较低的热导率，能够有效抑制热量的传导，是隔热和绝缘应用的理想选择[4]。在高温环境中，金属陶瓷的低热导率有助于减少热能损失，在高温熔炼和航空航天中得以应用。其次，金属陶瓷具有出色的电绝缘性能，能够有效阻止电流的传导，因此广泛应用于电气绝缘领域。例如，在电子电路中，金属陶瓷常用于制造绝缘基板，以防电子元件之间的电汇流。最后，电绝缘性使得金属陶瓷成为高电压设备和高频电路的关键组成部分，确保了电流的可控制性和安全性。

3 焊接界面微观结构分析

3.1 金属与陶瓷界面特征

金属与陶瓷界面的特征主要指这两种材料在焊接接合处的性质和结构特点，主要包括4 个方面。首先，结合方式。界面的特征之一是金属与陶瓷之间的结合方式，可以是物理结合，如范德华力和静电力，也可以是化学结合，涉及原子间的化学键。其次，粗糙度。界面的粗糙度指表面的不平整度，粗糙的界面会导致焊接接头的强度不均匀或应力集中。再次，成分分布。金属与陶瓷之间的原子扩散和反应会导致界面区域出现不均匀的成分分布，从而对焊接接头的电性能和化学稳定性产生较大影响。最后，结晶结构。如果金属或陶瓷具有晶体结构，那么界面就会影响晶体的排列和取向。

3.2 界面反应与扩散

金属与陶瓷的焊接界面涉及原子层面的界面反应和扩散现象。在焊接过程中，高温下的原子运动促使金属和陶瓷之间的原子进行交互作用[5]。界面反应指在焊接界面发生的化学反应。这些反应会导致金属和陶瓷之间形成化合物或产生新的相。界面反应可以显著影响焊接接头的稳定性和其他性能，特别是在高温环境下，因此了解和控制界面反应对于确保焊接接头的质量至关重要。扩散指原子在材料中的自发运动。在金属与陶瓷的焊接界面，高温条件下会促使原子扩散，导致原子从一种材料向另一种材料迁移。这种扩散现象会使界面成分发生变化，影响焊接接头的组织和性能，因此理解和控制扩散是焊接界面微观结构分析的关键一环。

4 焊接界面性能评估

4.1 机械性能测试

4.1.1 强度测试

强度测试是评估焊接接头机械性能的重要步骤，在金属与陶瓷的焊接界面中，需要做好强度测试。通过测试，得出焊接接头的最大拉伸强度为300 MPa，断裂伸长率为10%。通过拉伸试验，可以确定焊接接头在拉伸力作用下的机械强度。如果最大拉伸强度符合设计要求，并且断裂伸长率足够大，说明焊接接头具有优越的抗拉伸性能。另外，强度测试还包括用于评估焊接接头抗剪切性能的剪切试验。经测试得到，焊接接头的最大剪切强度为200 MPa。这些强度测试数据提供了有关焊接接头机械性能的重要信息，有助于评估其适用性和稳定性。

4.1.2 韧性测试

焊接接头的韧性测试结果如下。一方面，焊接接头的冲击韧性为80 J·cm-2，该数值能够评估焊接接头在受到冲击负载时的耐受能力。另一方面，焊接接头在冲击试验后出现了韧性断裂形态，这意味着焊接接头在破裂时会出现一定程度的塑性变形，而不是脆性断裂。通过韧性测试可以评估焊接接头受到冲击负载时的表现，对于结构工程构件的耐用性和抗振性能分析十分重要。韧性测试的结果有助于确定焊接接头是否具有足够的韧性，以满足实际应用的要求。

4.2 电性能测试

4.2.1 电导率测试

焊接接头的电导率测试结果显示，焊接接头的电导率为100 MS·m-1，其在电流作用下的导电性能良好，同时焊接接头具有低电阻性，能够有效传递电流而不会产生过多的电阻或热量。通过电导率测试，可以评估焊接接头在电性能方面的表现。具有高电导率的接头通常用于对电流传导效率要求较高的应用，如电子器件和电路连接。

4.2.2 绝缘性能测试

绝缘性能测试是评估焊接接头电性能的重要参考。焊接接头的绝缘性能测试结果显示，焊接接头的电阻非常高，超过1 000 MΩ，在电流作用下几乎不导电，具有出色的绝缘性能，同时焊接接头的绝缘材料完好无损，没有明显的裂纹或损坏。绝缘性能的测试结果可以用于评估焊接接头在电子设备和电气系统中的可靠性。具有良好绝缘性能的接头，通常用于需要防止电流泄漏或电路短路的应用，确保设备的安全性和稳定性。