哈尔滨工业大学、西北工业大学和上海交通大学领衔策划——异种材料焊接与连接丨JME特邀专栏（上）

专栏导读

现代科技发展对产品性能提出了轻量化、多功能、极端环境服役等更多要求，单一材料很难胜任，采用焊接与连接的方法制备异种材料构件（如陶瓷/金属、陶瓷基复合材料/金属、异种金属、塑料/金属与金属/金属间化合物等），可以充分发挥不同材料各自的优点，满足多方面性能要求，在航空航天、核能、电力电子、化工、船舶、能源、汽车、高速铁路、家电等国家重大需求与国民经济主战场领域有着重要的应用前景，因此异种材料的焊接与连接备受关注。然而异种材料之间的物理、化学、力学性能差异大，冶金相容性差，界面反应和接头应力调控过程复杂，对实现其高质量焊接与连接提出了挑战。

《机械工程学报》编辑部特邀哈尔滨工业大学曹健教授、西北工业大学李文亚教授、上海交通大学李永兵教授和哈尔滨工业大学李淳教授担任客座编辑，共同策划出版“异种材料焊接与连接”专栏，广邀本领域专家学者结合自身科研实践，介绍最新研究进展、总结学科发展脉络及面临的挑战，在广泛开展学术交流，促进科研成果传播的同时，吸引更多的青年科学工作者参与，不断推动我国焊接与连接事业的发展。专栏共收录论文13篇，本期推送前6篇。专栏已于《机械工程学报》2024年22期正式出版。

客座专家团队

曹健，哈尔滨工业大学教授/博导，主要从事新材料与异种材料连接研究工作，主持国家杰出青年科学基金等项目，获得四项国家级和省部级科技奖励。发表学术论文150余篇，授权国家发明专利30余项。兼任中国机械工程学会焊接分会副总干事、中国有色金属学会焊接与连接专业委员会副主任委员及机械工程学报、焊接学报、Acta Metallurgica Sinica、Chinese Journal of Mechanical Engineering等期刊编委。

李文亚，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级领军人才，陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室主任。主要从事先进固相连接技术研究。荣获国家自然科学二等奖、陕西省科学技术一等奖、二等奖等学术奖励。在国内外知名期刊物发表第一或通讯作者SCI论文240余篇，WOS他引10000余次；授权发明专利39件。担任国际期刊Welding in the World、Welding International副主编，International Journal of Minerals Metallurgy and Materials学科编辑，Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Science and Technology of Welding and Joining、焊接学报、中国表面工程、表面技术等期刊编委。

李永兵，上海交通大学特聘教授，上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室主任。主持教育部新世纪优秀人才计划、国家优青、国家杰青、国家重点研发计划等项目，获机械工业技术发明一等奖、上海市科技进步一等奖、美国焊接学会A.F. Davis Silver Medal Award、Charles H. Jennings Memorial Award等奖励。兼任国家重点研发计划高性能制造技术与重大装备重点专项总体专家组成员、中国机械工程学会焊接分会副总干事、Journal of Manufacturing Processes副主编及Chinese Journal of Mechanical Engineering、Science and Technology of Welding and Joining、焊接学报等期刊编委。

李淳，哈尔滨工业大学教授/博导，主持国家自然基金面上项目等课题，作为核心人员参与了基金委航天联合基金重点项目等重大课题；发表SCI收录论文50余篇。授权国家发明专利8项。任中国有色金属学会先进焊接与连接专业委员会委员、焊接杂志社青年编委。

负膨胀材料在复合材料制备和钎焊中的研究进展

引用格式:顾磊, 王鹏程, 闫耀天, 陈海燕, 李文亚. 负膨胀材料在复合材料制备和钎焊中的研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 1-20.

论文亮点：

负热膨胀(NTE)材料的应用优势：NTE材料具有热缩冷胀的特性，可以有效调节材料的热膨胀系数，在复合材料和钎焊领域展现出独特的应用潜力，特别是在航天、生物医学和电子信息领域；
NTE材料在复合材料中的作用：将NTE材料作为增强相与正热膨胀材料结合，有助于调控复合材料的热膨胀系数，使其保持在极低或接近零的水平，进而提高材料的稳定性和延长使用寿命；
NTE材料在钎焊领域的应用：在钎焊过程中，NTE材料的引入可以有效减小母材与钎缝之间的热膨胀系数差异，降低残余应力，从而提高钎焊接头的力学性能，提升整体结构的可靠性。

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陶瓷-金属接头残余应力调控研究综述

引用格式:李淳, 陈雷, 司晓庆, 亓钧雷, 曹健. 陶瓷-金属接头残余应力调控研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 21-39.

论文亮点：

陶瓷-金属接头的挑战：陶瓷材料和金属材料之间存在热膨胀系数不匹配的问题，在焊接降温过程中会在接头处产生残余应力，进而影响接头的连接质量，特别是在航空航天、核能和化工等领域；
陶瓷-金属接头的残余应力调控方法：目前常用的调控方法包括复合钎料法、中间层法和陶瓷表面结构设计法。此外，新兴的局部加热焊接方法如超快激光和闪连焊接也在研究中展现出潜力，能够有效减小或控制残余应力；
残余应力测量方法与未来发展：针对陶瓷-金属接头残余应力的测量，目前已有多种方法，研究者们也在不断探索新的测量技术和原理，以便更精确地评估接头的应力分布，推动陶瓷-金属接头调控和测量技术的进步。

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钛/钢异种金属焊接研究进展综述

引用格式:孙清洁, 陶玉洁, 刘一搏, 冯吉才. 钛/钢异种金属焊接研究进展综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 40-57.

论文亮点：

钛/钢异种金属结构件的应用前景与挑战：钛/钢异种金属结构件结合了钛合金的高比强度和耐腐蚀性与钢材的优异焊接性和性价比，广泛应用于石油化工、海洋工程及航空航天等领域。然而，由于钛和钢的物理及化学差异，钛/钢结构件的可靠焊接仍然面临较大挑战，主要问题包括界面脆性化合物的生成和接头内残余应力过大；
焊接技术及中间层调控的研究进展：针对钛/钢异种金属的焊接，国内外在界面能量调控、中间层冶金调控和能场辅助热源调控等方面进行了深入研究。研究重点在于合金元素、焊接工艺参数等对接头的宏观成形、界面微观组织的影响，以及这些因素如何通过合理调控提高接头性能；
未来研究方向与技术突破：通过总结钛/钢连接的研究现状，本文提出了未来的研究方向和技术突破点。希望为钛/钢异种金属连接技术的发展提供参考，特别是如何克服当前的焊接难题，并进一步提高焊接质量与接头性能。

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铝/钢电阻点焊熔核流动行为及其作用机制研究

引用格式:李卓然, 杨炳鑫, 夏裕俊, 黄霜, 陆润东, 李永兵. 铝/钢电阻点焊熔核流动行为及其作用机制研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 58-67.

论文亮点：

铝/钢混合车身的轻量化趋势与挑战：铝/钢异质材料混合车身作为汽车轻量化的重要手段，已成为汽车制造的关键发展方向。针对铝/钢混合车身的电阻点焊过程，建立了一个“电-热-磁-流”多场耦合三维磁流体动力学仿真模型，以便更好地理解焊接过程中材料行为；
铝熔核流动行为及温度分布的影响：研究揭示了铝侧熔核的流动行为，铝熔核在点焊过程中表现出内侧顺时针流动为主、外侧逆时针流动为辅的模式。该流动行为有助于将高温区集中到熔核中部，从而促进热量的有效传导，提高焊接接头的质量；
铝/钢点焊铝熔核形貌的形成机理：铝熔核形成了内厚外薄的特征，呈现出紧贴铝/钢界面生长的“钟形”形貌。这种独特的形貌有助于改善焊接接头的性能，尤其是在热量传递和界面热导方面的表现，有助于提高铝/钢异质材料的焊接质量。

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界面间隙对纳秒激光连接石英玻璃/铜的影响

引用格式:潘瑞, 冯英豪, 蒋凡, 陈树君. 界面间隙对纳秒激光连接石英玻璃/铜的影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 68-75.

论文亮点：

纳秒脉冲激光在连接脆硬性透明材料/金属中的优势：相比于超短脉冲激光，纳秒脉冲激光具有较大的熔化面积，因此能够缓解脆硬性透明材料与金属之间的间隙限制，为连接过程中提供更多的灵活性；
界面间隙对接头性能的影响：研究表明，随着石英玻璃与铜接头界面间隙的增大，接头的剪切强度显著降低，从27 MPa降至10.5 MPa。最大允许的界面间隙约为5 μm，这对连接效果具有重要影响。接头剪切强度的离散性和偶然性主要与脆硬性透明材料中的本征裂纹（如气孔和夹杂）有关
裂纹产生机制及工艺优化：在纳秒激光连接过程中，裂纹的产生主要分为两类：冷裂纹（延迟断裂）和热裂纹。研究指出，通过调控工艺参数，能够有效避免热裂纹的产生，从而提高接头的力学性能和稳定性。

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高熵碳化物陶瓷及其钎焊接头的组织和力学性能

引用格式:王颖, 木瑞洁, 牛士玉, 孙孔波, 杨振文. 高熵碳化物陶瓷及其钎焊接头的组织和力学性能[J]. 机械工程学报, 2024, 60(22): 76-85.

论文亮点：

高熵碳化物陶瓷的制备与性能：通过热压烧结成功制备了七种不同组分的高熵碳化物陶瓷(HECs)，其中(TiZrHfNbTa)C和(VNbTaMoW)C具有较高的弯曲强度，分别为494 MPa和476 MPa，同时(TiZrHfNbTa)C的硬度高于(VNbTaMoW)C。所有烧结的HECs均为单一岩盐结构的固溶体相；
冶金结合的HEC接头制备：以(TiZrHfNbTa)C为基体，采用TiNi-20at.%Nb合金和FeCoCrNiTi0.2高熵合金(HEA)作为钎料，成功制备了冶金结合良好的HEC接头。钎料中的Ti元素在HEC表面富集并诱导界面反应，生成了(Ti, Nb)C相和碳化物相(HEC')，形成了具有复杂界面结构的HEC接头；
钎焊接头的力学性能与工艺要求：在1 180℃-10 min的钎焊工艺下，HEC/TiNiNb/HEC接头的抗剪强度为201 MPa，接头薄弱区为(Ti, Nb)2Ni相及其与(Ti, Nb)C层的界面。相比之下，HEC/HEA/HEC接头表现出更高的抗剪强度（>245 MPa），但其钎焊工艺要求更高的温度（1 400～1 490℃）和更长的时间（30 min）。