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摘要：非晶合金具有高强度、耐腐蚀性等优异的物理化学性能，同时尺寸问题又限制其实际应用。当前非晶合金/晶态金属的连接已成为焊接领域的研究热点。本文介绍了非晶合金焊接及非晶合金/晶态金属焊接技术的国内外研究现状，阐述了该技术不足之处，并对非晶合金/晶态金属的研究和发展提出了展望。综合以上研究，深入理解并进一步明确非晶合金/晶态金属连接工艺等基本科学问题，为工业应用提供可靠的技术支持和科学的理论支撑。
关键词：非晶合金；晶态金属；焊接
1960年美国Duwez教授等人应用熔体急冷法首先制得第一种液体合金Au-Si非晶相。近年来，由于非晶独特的性能已在电力、电子、信息技术中应用。与晶态合金相比，非晶合金因其独特的微观结构而具有许多优异的机械性能、化学性能和物理性能，如高强度、高硬度、高的延展性、耐腐蚀性好，弹性极限高。但传统非晶合金中主要存在三个问题限制了非晶合金作为结构材料在工程上大量的应用，即尺寸限制、不易加工和可焊性差。最近研究表明由于非晶合金表现出的高延伸率和超塑形从而使其具有优良的加工性能。非晶合金焊接的可行性通过各种焊接方法已实现。Wong和Shin发现Zr基非晶合金棒的摩擦焊接接头可以保留非晶结构。但是非晶合金的尺寸限制问题目前仍未得到解决。因此研究人员采用非晶合金/晶态金属、非晶合金之间的焊接实现连接，获得尺寸更大、性能较优异的非晶合金材料，使其在工程应用上更为广泛。
近来相继尝试研究开发各种非晶合金的焊接方法以扩大在工程领域的应用范围。基于非晶合金的焊接方法有两大类，固相焊接，非晶合金的固相焊接是指在焊接过程中母材不熔化，在外界压力作用下产生塑性变形，实现焊接。如搅拌摩擦焊、化学反应层结合、爆炸焊等。其焊接成功的主要原因是非晶合金过冷液相区的热稳定性和超塑形。且非晶合金母材在焊接过程中不发生熔化，焊缝中存在极少气孔、夹渣等焊接缺陷。液相焊接，非晶合金的液相焊接是指在热源作用下，非晶合金母材发生局部熔化，在凝固过程中合金冷却速度较快，直接错过形核和长大过程，继而保持非晶态。如激光焊、火花焊、电子束焊等。这类方法中，非晶合金具有大的非晶成形能力，焊接的能量高且集中，因而加热和冷却速度快于合金的临界冷却速度。总结了非晶合金/晶态金属、非晶合金之间焊接技术的研究现状，并指出该技术不足之处，对其今后的发展趋势进行探讨。
2非晶合金焊接技术研究现状
2.1非晶合金的激光焊接
在涉及非晶合金的焊接过程中已采用激光焊接方法。与其他焊接方法相比，激光焊接可将光束高度集中于狭小的区域，产生高密度的热量，形成窄而深的焊缝。激光焊接速度快、深宽比大的独特优点使得激光焊接技术在航空航天等行业得到广泛应用。
Kawahitod等人进行非晶合金的光纤激光焊接。将紧密聚焦的2.5kW光纤激光束以72m / min超高焊接速度施加到锆基非晶合金的焊接中，获得窄而深的焊缝，XRD图谱中未发现结晶峰。因此，用光纤激光束进行超高速焊接可使焊缝和热影响区保持理想的非晶状态。Chen等人利用激光焊接技术将非晶合金和金属Zr成功接合。基体中非晶在基体区保持非晶结构，且焊接熔融区的显微硬度与非晶合金基体区域保持一致。哈尔滨工业大学王刚等人研究了Ti40Zr25Ni3Cu12Be20的激光焊接。结果表明：在3.5kW焊接速率、10m/min的焊接速度下，焊接接头完全保持非晶态。接头断裂在非晶合金母材处，接头强度1650MPa，达到母材的93%，说明接头具有良好的力学性能。
2.2非晶合金的电子束焊接
电子束焊接属于高能束焊接方法其中之一。其技术原理是将高能束作为加工热源，使高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属，致金属熔化并迅速冷却而达到连接的目的。电子束焊接速度快、热影响区小、能量密度高，但与同属为高能束焊接方法的激光焊接技术相比，电子束焊接需在真空中进行。
Yokoyama等人使用电子束焊接实施Zr50Cu30Ni10Al10非晶焊接试验。控制焊接速度高于100mm/s，辐射面积限制在直径小于1mm。焊后非晶合金的接头强度平均值约为1400MPa，试样的断裂发生在穿过焊接区域的剪切滑移面上，反映了Zr50Cu30Ni10Al10非晶合金焊接区的良好延展性。Kim等人成功实现了将锆基块状非晶合金焊接到Ti金属上的电子束焊接。由于焊缝金属的化学成分发生变化，焊缝中没有结晶或缺陷，界面中存在10μm厚的Zr和Ti的相互扩散层，弯曲试验表明样品强度高于Ti基体金属。Kim和Kawamura等人研究了Zr基非晶合金与结晶金属Ni的电子束焊接，弯曲试验实现了无缺陷接头，且接头强度高于结晶金属。但是，非晶合金属于非平衡状态的合金，并具有结构松弛和结晶的潜力。当非晶合金通过熔焊方法连接时，通常形成金属间化合物。
2.3非晶合金的搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接时不需其他焊接材料如焊剂、保护气体等，只消耗焊接搅拌头，焊后结构残余应力小，并可实现多种接头形式和全位置焊接。
焊接过程中温度相对较低，热输入较小，可避免由于焊接过热造成的非晶合金的晶化。这是近年来学者们用于搅拌摩擦焊实现非晶合金/非晶合金、非晶合金/晶态金属焊接的主要因素。
Ji等人通过搅拌摩擦焊接，在其结晶温度下成功焊接Zr55Cu30Ni5Al10块状非晶合金。为评估焊缝的结晶度，用DSC、XRD、TEM和显微硬度分析了焊接接头微观结构和力学性能。结果发现在适当的焊接条件下整个接头处保持原有非晶结构和力学性能。Sun等人研究Zr55Cu30Al10Ni5非晶合金和纯铝板搅拌摩擦对接焊接。形成清晰BMG / Al界面，在整个搅拌区内没有金属间化合物引起的化学反应或结晶，BMG /Al接头具有较低的硬度，接头断裂在铝侧的热影响区，拉伸强度可达到基体母材的91％。同时Sun 等人也对锆基非晶与纯铜形成的焊接接头的界面结构和力学性能进行了研究。最近，Li等人使用FSW技术制备了锆基非晶合金与纯铝板的无缺陷BMG/Al接头。
2.4非晶合金/晶态金属的脉冲光纤激光焊接
采用脉冲光纤激光焊接实现非晶合金/晶态金属Cu与非晶合金/晶态金属Al的连接。脉冲光纤激光焊接由于其高功率和高吸收率的优点而受到关注，在高焊接速度下产生窄而深的穿透焊缝，热变形较小，焊点强度高并可避免热损伤。由于极速淬火下焊件或热影响区（HAZ）可以保持非晶态，因此脉冲光纤激光焊接适用于具有高机械强度或小凝固收缩等独特性质的非晶合金的连接。故课题组开展了非晶合金/晶态金属脉冲光纤激光焊的研究。
利用脉冲光纤激光焊接技术进行Zr44Ti41Ni10Cu10Be25非晶合金与晶态金属铜、晶态金属铝的对接焊。可观察到焊缝成形良好，鱼鳞纹均匀一致，但在非晶合金/晶态金属铜焊件中焊缝存在咬边缺陷。脉冲光纤激光焊接技术成功实现了非晶合金/晶态金属的连接。
2.5非晶合金的其他焊接方法
除上述焊接方法外，还应用其他焊接方法达到非晶合金/非晶合金、非晶合金/晶态金属连接的目的。Maeda等人实现了Zr55Cu30Ni5Al10非晶合金的超声波焊接。结果表明，即使在没有外界热源的条件下非晶合金也能够结合，焊接界面成功地保持非晶态。Ji 等人通过在空气中加入Sn基填料，研究了Fe基非晶与铝合金的超声波辅助焊接。接头处并未发现明显缺陷，焊后保持非晶态。Kawamura等人应用闪光对焊焊接锆基大块非晶合金。焊接界面无缺陷，在焊缝和热影响区没有观察到结晶，并且没有发现可见界面。焊后试样的抗拉强度与非晶合金母材几乎相同。翟秋亚等人对厚度为25-35µm的Zr55Cu30Al12Ni3非晶箔材进行微型储能焊。XRD分析表明，接头未产生气孔、夹杂等焊接缺陷，并仍为非晶结构。接头冷却速率高达106K/s，有效抑制在快速凝固过程中接头的晶化现象。接头的剪切强度达到1141MPa。
Chiba等人研究了最流行的Zr(41.2)Ti(13.8)Cu(10)Ni(12.5)Be(22.5)非晶合金与晶体纯Ti和SUS304板的爆炸焊接。SEM、X射线衍射观察到在界面处无结晶，透射电镜表明，Ti / Zr-BMG包覆层与键合界面处的非晶相和α-Ti相形成直接结合。但是在SUS304 / Zr-BMG包覆层中观察到非常薄的50nm的熔融区，该区由非晶相和结晶的SUS304相组成。这项研究可能会用于其他金属材料与非晶合金的焊接，并且预期非晶合金将在不同的应用中取得进一步的进展。Kim等人实现了铜基非晶合金和碳钢的钎焊焊接。使用Zn-Ag-Al作为填充金属时，成功获得焊接接头，样品的结合强度达到45MPa，而纯锌作为填充金属时样品的结合强度为9MPa。
3 结论
通过焊接方法连接非晶合金/晶态金属、非晶合金/非晶合金制备大尺寸、性能优异的非晶合金材料。这解决了限制非晶合金应用的传统问题。但是在焊接过程中仍然存在一些主要问题，焊缝晶化影响接头的力学性能；焊接能量密度和焊缝区热稳定性影响非晶合金的晶化；过冷液相区下的超塑性影响非晶合金的成功焊接。综合国内外学者的研究现状，非晶合金在未来可以研究制备非晶合金/晶态金属连接的新型焊接方法；利用焊接技术制备非晶合金/晶态金属的合金新体系；通过计算机数值模拟非晶合金/晶态金属的焊接过程及焊缝区的组织变化。因此，深入理解并进一步明确非晶合金/晶态金属连接工艺等基本科学问题，为工业应用提供可靠的技术支持和科学的理论支撑。
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