高碳无碳化物纳米结构贝氏体钢与低碳钢的气化箔片驱动焊接——突破高碳钢不可焊接性困境

本研究针对高碳无碳化物纳米结构贝氏体钢（NB）因碳含量高导致的焊接难题，采用创新性气化箔片驱动焊接技术（VFAW）成功实现其与低碳钢（LC）的高效连接。通过系统表征发现焊接界面呈现波状特征，变形区出现碳元素分区现象，且硬度（7.5–9 GPa）与基体相当。该研究为高碳钢焊接提供了突破性解决方案，对汽车、结构与国防领域具有重要工程价值。

　　

在汽车制造、结构工程和国防装备领域，高碳钢的焊接一直是个令人头疼的难题。特别是近年来备受关注的 carbide-free nano-structured bainitic steels（无碳化物纳米结构贝氏体钢，NB钢），虽然具有优异的力学性能，但其高碳含量（通常超过0.6%）使得传统熔焊过程中极易产生裂纹、脆性相变等缺陷，严重制约了其工程应用。如何实现NB钢与低碳钢（low-carbon steel, LC钢）的可靠连接，成为制约高性能钢材料推广应用的"卡脖子"问题。

正是在这样的背景下，来自印度理工学院孟买分校的Bhawesh Chhajed等研究人员在《Materials》杂志上发表了一项突破性研究。他们采用一种名为 vaporizing foil actuator welding（气化箔片驱动焊接，VFAW）的新型冲击焊接技术，成功实现了高碳NB钢与低碳钢的高质量连接，为解决高碳钢焊接难题提供了全新思路。

研究人员采用了两组不同工艺处理的NB钢样品：一组在900?°C进行奥氏体化处理，另一组在1000?°C处理，从而获得不同的 prior austenite grain size（原奥氏体晶粒尺寸，PAGS），但均在250?°C进行等温转变，确保获得相似的贝氏体体积分数（约86%）。有趣的是，研究发现较高温度处理的样品反而获得了更细的贝氏体板条厚度（约40?nm），而较低温度处理的样品板条厚度为61?nm。这种微观结构的差异为后续焊接性能研究提供了重要基础。

关键技术方法包括：利用VFAW冲击焊接技术实现材料连接；采用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析界面形貌与变形特征；通过透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）表征纳米尺度微观结构与元素分布；使用纳米压痕技术测量力学性能变化。所有实验样品均为实验室制备的NB钢与低碳钢组合。

界面形貌特征

通过SEM观察发现，焊接界面中间区域呈现典型的波状形态，这是冲击焊接成功的特征标志。然而在试样中心和边缘区域存在未结合区，表明焊接参数仍需优化。这种波状界面结构有利于提高结合强度和界面韧性。

微观结构演变

EBSD分析显示，靠近焊接界面的区域出现了压扁的铁素体和未索引区，表明冲击过程中发生了显著塑性变形。TEM进一步证实变形区中奥氏体完全消失，仅存在铁素体/马氏体组织，说明冲击过程中发生了相变。

元素分布特征

APT分析揭示了变形区内碳元素的独特分布行为：碳元素在不同区域发生再分配，但其他合金元素未出现明显偏聚。这种选择性分配行为对理解冲击焊接过程中的元素扩散机制具有重要意义。

力学性能评估

纳米压痕测试表明，NB钢变形区的硬度高达7.5-9?GPa，与基体NB钢的硬度相当，证明焊接过程没有导致软化现象，保持了母材的高强度特性。

该研究成功证明了VFAW技术焊接高碳NB钢与低碳钢的可行性。焊接界面呈现典型的波状特征，变形区发生显著微观结构变化，碳元素发生再分配但硬度得以保持。这项研究的意义在于：首次实现了高碳NB钢与低碳钢的高质量冲击焊接；揭示了冲击焊接过程中微观结构与元素演变的规律；为高碳钢的工程应用提供了技术支撑，特别是在需要轻量化与高强度结合的汽车、结构和国防领域。研究人员指出，虽然当前研究中存在部分未结合区域，但通过优化焊接参数和界面设计，有望进一步提高焊接质量。这项突破性工作标志着高碳钢焊接技术的重要进步，为传统上被认为"不可焊接"的高碳钢材料开辟了新的应用前景。