研究背景
金属的焊接在许多行业中都得到广泛应用，如制造业、建筑业和汽车工程等。当我们谈论金属的焊接时，我们能联想到什么呢？一般首先能想到这个过程需要使用电力或者火焰产生高温，使金属逐渐升温并熔化，当熔化的金属冷却下来后，金属之间就形成了冶金结合。
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常规的金属焊接过程需要大量热能使金属熔化
随着科学技术的进一步发展，越来越多的场合需要用到金属的焊接，尤其是在水下环境（河流、湖泊、海洋等）作业。但是，当焊接传导热量的过程被限制时，我们会发现普通焊接过程几乎无法正常进行。这将如何是好呢，焊接工作就无法进行了吗？
目前，答案还是存在的。实际上，随着科技的发展，部分水下焊接技术已经被开发出来，如通过屏蔽液体（干法焊接）或使用特殊的焊极（湿法焊接）避免水的影响，使焊接件熔化而形成连接。但是，在水下环境中进行高温、大电流的焊接工作时，不仅对焊接件的质量有恶劣的影响，甚至会对焊接人员的生命安全造成严重的威胁。
危险的金属水下焊接
水下环境只是液体环境中的一种，当面临更加复杂的环境时，现有的焊接技术几乎“无计可施”。比如有机液体（酒精、石油等），日常维护存储这些液体的容器以及运输管道的维修十分有必要。但是，我们都知道，在这种易燃易爆的环境下，任何电弧和温升都是极端致命的。
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易燃易爆的油气存储环境
还有在更加极端的低温液氮环境下，其环境温度甚至将近-200℃。在如此极寒下，不出意外，任何常规焊接方式都将会失效。读到这大家会不禁质疑了：现实中哪里存在液氮环境？让我们换个角度思考，液氮环境所代表的极端低温环境是不是比比皆是呢?比如说，我们地球的两极（最低-66℃）？空间站轨道（最低-100℃）？甚至月球（最低-180℃）和火星表面（最低-143℃）？的确，极端温度一直是困扰太空等低温环境进行焊接工作的难题，如果我们研制出一种克服低温的焊接技术，将为人类迈向外太空的制造提供更多可行的技术储备！
外太空环境相当普遍的极端低温
研究内容：
最近，来自深圳大学机电与控制工程学院的马将教授课题组利用非晶合金独特的超声振动诱导塑性，开发出了一种新型的液体极端环境下金属焊接技术，成功地实现了金属材料（非晶合金）在水、海水、酒精以及液氮环境下的多种形式焊接。
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液体环境下金属材料（非晶合金）超声振动焊接的示意图以及焊接样品展示图
与常规焊接方式通过高温使金属熔化不同，超声振动下的焊接是使焊接表面“低温软化”而发生冶金结合，论文中证明了该过程几乎没有温度的作用参与，并且，成功焊接的非晶合金具有良好的焊接质量。
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非晶合金在液体环境（海水/酒精/液氮）下的焊接过程
非晶合金焊接件（同质焊接和异质焊接）的CT检测结果
非晶合金能在液体环境中焊接完全得益于超声振动下不依赖于温度的“软化现象”。那么大家必然会疑惑，高强度的非晶合金为什么能在低温下会变得如此“软”呢？该研究认为这与日常生活中常见的含水饱和土壤的液化现象类似，由于和饱和土壤一样类液区和类固区的存在，高频振动下导致类液区大幅度扩张，当类液区足够多并连成一片时，整个物质就会坍塌软化！
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土壤的液化现象
超声振动下非晶合金的自然“软化”现象
研究表明，非晶合金焊接件表现出与焊接母材相近的优异力学性能，而且还发现，焊接界面表现出更加优良的耐腐蚀性能。
研究人员还尝试了更复杂的焊接方式，并对金属材料在液体环境等极端条件下的制造成型进行了探索，如多个非晶合金板材的叠层结构、框架结构。当然，这种焊接方式不仅仅局限于非晶合金与非晶合金的焊接，研究人员还利用非晶合金“低温软化”的特性连接其他材料，比如将非晶合金嵌入到其他构件、将非晶合金作为铆钉进行铆接等。
超声振动下金属材料（非晶合金）在液体环境中的复杂制造成型，可为极端条件（深空深海）下的制造加工提供新的思路。
该研究成果以“Joining of metallic glasses in liquid via ultrasonic vibrations”为题在线发表于知名学术期刊Nature Communications。深圳大学马将教授为本文的通讯作者，博士研究生李路遥为论文第一作者。该工作获得了广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302010）、国家自然科学基金委项目（52122105、51871157、51971150）、国家重点研发计划项目（2018YFA0703604）的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42014-x
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*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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