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| 纳米技术在焊接领域的应用进展 |
| 发布时间：2016-10-27 文章来源： 浏览次数：2406 |
1前言
当常态物质被加工到极其微细的纳米尺度时，会出现特异的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、界面效应和宏观隧道效应等，从而显示出许多奇异的特性，其光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质与传统材料相比发生了十分显著的变化。在纳米世界，人们可以控制材料的基本性质，如熔点、硬度、磁性、电容甚至于颜色，而不改变其化学成分，还可以
合成具有特殊性能的新材料。纳米技术打破了宏观和微观世界难以逾越的界限，从而使纳米技术与其他学科相互渗透和交叉。现有焊接方法易出现焊接缺陷，将纳米技术和纳米材料应用于传统焊接领域，包括焊接工艺、焊接材料、焊接结构以及热喷涂技术，必将为消除各类焊接缺陷、拓展焊接方法的使用范围、提高焊接结构的强度和使用寿命以及为焊接学科的发展提供极为广阔的发展空间。[1]
2纳米技术在焊接领域应用与展望
2 .1 在焊接材料中的应用
2.1.1在钎焊材料中的应用
钎焊是电子产品制造中的关键技术。在钎焊材料中，锡铅合金的用量******。随着微电子技术的发展，对电子设备小型化、轻量化、高性能方面提出更高要求，焊点尺寸越来越小，目前电子器件外引线间距已发展到0.3mm 的水平，而其承受的热、电、力载荷则越来越高。而锡铅钎料在蠕变、热疲劳等力学性能方面存在不足。此外，铅是有毒物质，含铅产品不但直接危害制造者，而且造成环境污染。国际上在电子等工业部门限制或禁止使用铅的呼声日见高涨，研究和开发绿色环保无铅钎料以取代锡铅钎料已成为世界各国广泛关注的前沿课题。无铅钎料开发应用中的******问题是价格昂贵和熔点偏高带来的工艺上的困难。而利用纳米粒子的小尺寸效应(主要表现为熔点降低)，可以通过一些技术措施获得纳米晶钎料合金， 通过控制不同的纳米晶粒尺寸来获得不同的熔化温度，既可以使无铅钎料的价格较低，又克服了熔点偏高的缺点。
纳米钎焊，在钎焊中需要液态的钎料扩散进入母材，从而形成可靠的连接。对于纳米尺度的钎焊来说，这一过程更需要十分精确的控制，才能保证在纳米尺度得到良好的接头。 Peng 等人通过操控金纳米线进行了钎焊，制成了纳米尺度的字母“NANO”，在此方法中纳米钎料可以精确地进行人工控制，得到的接头具有良好的力学性能和导电性。通过在纳米钎料上施加电压，使钎料发生原子扩散，形成钎焊接头。[3]
2.1.2在焊丝涂层中的应用
为了让焊丝暴露在空气环境下不至于生锈氧化，人们往往会对焊丝表面进行一些处理，如最常见的就是在焊丝表面镀上一层铜粉，用以保护焊丝和延长焊丝的使用寿命。但这样做的副作用却是使表面经常会出现点蚀现象。随着科技的发展，对原材料的强度提出了越来越高的要求，而焊缝中的Cu元素对焊缝强度无益，反而被指会削弱焊缝的性能和材料强度。因此，在现阶段实际应用中，高强度钢焊丝则不再镀铜，而这样就对焊丝材料的表面处理工艺提出了新的要求，需要运用一种新的材料去做焊丝涂层。而近来，国内著名学府天津大学，就运用了纳米技术和现代金属表面工程技术相结合的方法，采用特殊工艺对焊丝表面进行了处理，形成了一层非常薄的保护膜，从根本上解决了焊丝制造业传统镀铜防锈带来的问题，对焊丝保护起到了非常好的作用。
2.1.3在焊剂制造中的应用
由于用烧结焊剂在烧结过程温度要求不高，且会使合金元素损耗较少，最重要的是烧结焊剂的成分简单比较容易控制。因此，和传统的熔炼焊剂相比，前者正代替后者成为焊接时的必备工具。但烧结焊剂的使用仍要耗费很多的能源，因为其烧结温度一般在400～1000℃之间，并且，焊剂中重要的组成部分，如碳酸锂达到了一定高温的条件下，会产生化学分解，使该焊剂性能减弱乃至失灵。与此不同，纳米材料各组成物，得益于纳米材料充足的活性，在烧结过程中用时更短、能耗更低，在低温情况下也可以烧结而不至于产生材料分解现象。
2.1.4在电焊条中的应用
焊条药皮对保证手工电弧焊的焊缝质量极为重要，在药皮中加入特定的纳米材料，由于纳米颗粒的表面效应与化学活性，从而可加快熔池的冶金反应速度，比较彻底地去除焊缝中的各种有害杂质。此外，特殊纳米颗粒的加入，可使焊缝晶粒细化，不仅能提高焊缝金属的强度，也使焊缝金属的塑性和韧性得到较大提高。将焊条药皮颗粒由微米级改成纳米级或纳米加微米级后，纳米粉末制备的焊条具有比微米粉末焊条更优异的焊接工艺性能，主要体现在引弧和稳弧及再引弧性能好、小熔滴过渡、焊条端部套筒较短、熔化效率高、焊缝成形好、焊接时飞溅小、无焊接缺陷产生。对堆焊层的显微组织及硬度分析表明，纳米粉末焊条堆焊层的显微组织比微米粉末焊条堆焊层的显微组织均匀、细小，前者的硬度也比后者的硬度高。
2.1.4.1在焊条药皮中的应用
焊条药皮对保证焊缝质量极为重要，其主要作用有：(1)保护作用。即利用药皮熔化后放出的气体和形成的熔渣，保护熔滴、熔池和焊接区、隔离空气的侵入，防止氮气等有害气体侵入熔化金属；(2)冶金处理作用。通过熔渣与熔化金属的冶金反应，去除有害杂质，并保护或添加有益合金元素，使焊缝获得满足要求的力学性能和化学成分；(3)改善焊接工艺性能，如稳定电弧、减少飞溅、改善焊缝成形、提高脱渣性和熔敷效率等。在药皮中加入特定的纳米材料，使焊条从起弧、熔滴过渡、熔渣形成，到脱氧、脱氢、脱硫等过程变得更科学合理，从而形成更好的焊缝。 [4]
2.1.4.2在焊条药皮中添加纳米材料。在焊接工艺里，焊条药皮的制造是至关重要的一环，它担负着造渣、稳弧、脱氧、造气等多重使命，更要向焊缝过渡合金元素。为了保证焊条有良好的性能和精良的制作工艺，通常要在药皮中要加入共计10多种材料糅合而成各种组成物。现今在制作原料中加入纳米材料，而纳米材料本身有着较强的体积效应和表面效应，能使熔滴和焊条药皮的接触面积大大增大，并使相互的化学反应速度加快，在焊接冶金等反应过程中，有助于反应过渡有益合金元素，同时减少杂质。同时，在焊缝的制作过程中添加纳米材料元素过渡到焊缝，可以使得焊缝中的有益元素分布发生改变，通过对焊缝内部组织的调整，从而使其性能更加优异。
2.1.5在电极材料中的应用
电弧等离子体由于具有很高的热源温度、能量集中和加热效率高等而被广泛应用于焊接、热喷涂、切割、超细粉制备及新材料合成等。采用高能球磨和真空热压烧结工艺制备出纳米晶WLa2O3电极材料，就不同含量La2O3对纳米晶WLa2O3电极材料的电性能进行了研究。结果表明，纳米粒子直径小、比表面积大，使得纳米粒子具有很高的活性，从而使La2O3与钨发生反应产生单质镧的温度降低。由于低温下活性镧元素的蒸发小，所以电极具有较长的寿命。同时，稀土氧化物含量的增多能有效抑制电极合金的晶粒长大。
在TIG 焊电极材料中的应用。传统TIG 焊所选用的钨-氧化物(如ThO2)电极中，氧化物的尺寸和分布很不均匀，晶粒呈长条状分布，电子发射位置主要分布在低逸出功的氧化物及其边缘处，致使阴极斑点分布不均、斑点处电流密度大、电极烧蚀现象严重，使电极的载流能力受限。用纳米氧化钍(ThO2)代替普通的氧化钍(ThO2)与微晶钨粉烧结制取纳米钨-ThO2复合电极。由于纳米材料具有表面效应，纳米晶粒的减小导致其表面积、表面能和表面结合能都迅速增大，致使表现出很高的化学活性，大幅度提高了电极放电效率，电子发射能力更强、引弧更容易，起弧场强显著降低。氧化物添加剂的纳米化和均匀化能够提高电子的发射能和起弧性能，因此在焊接过程中表现出易引弧、耐烧蚀及输入能量变化时电弧稳定的优越性。尤其是在直流正极性条件下，电弧功率可提高，焊缝熔深、焊接速度都可适当加大，使焊缝的深宽比大、热影响区小，对于焊接性差的材料的焊接效果更好，也可有效地控制焊接变形，从而使TIG 焊应用范围得到极大的扩展。
2.1.6难焊材料中的应用
原子的短程扩散途径和纳米结构也有关系，在纳米材料中我们会看见有很多界面。因此，保证了该种材料扩散时能保持较高的速度。相比于普通材料，纳米材料熔点低，明显更容易熔化。正因为这一点，一些在高温形成的稳定或介稳相可以存在于低温环境，也可以降低高熔点材料烧结温度。
纳米结构中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。因此，纳米材料具有较高的扩散速率。另外，纳米材料的熔点较普通材料降低，这些纳米材料的特殊性能使一些通常在较高温度下才能形成的稳定或介稳相在较低温度下就可以存在，也可使高熔点材料的扩散焊接和烧结温度大大降低。例如，平均粒度20 nm 的纳米级镍粉的熔点为1173℃，与纯镍的熔点1453℃相比，下降了280℃；普通钨粉需要在3000℃高温下烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉时，其烧结成形温度可降低到1200～1311℃。利用纳米材料的上述特点，可以在较低温度下实现高熔点难焊材料的扩散焊接和烧结，同时加快反应速度。
2.2在焊接保护中的应用
明弧焊接时，焊接电弧中含有的紫外线、可见光、红外线强度均大大超过人眼所能承受的限度，对眼晴造成损伤。分散的纳米相陶瓷粒子，如氧化钛、氧化锌、氧化铁等，具有优异的紫外线屏蔽、紫外光过滤作用。将上述纳米相陶瓷粒子制成纳米陶瓷薄膜，用特殊方法粘附在焊接面罩和防护眼睛的玻璃镜片上，可大大减少弧光辐射对人体皮肤和眼睛的损伤， 同时可使防护镜片更透明，也可起到防污、耐磨的作用，延长使用寿命。由于纳米材料的颜色随粒径尺寸不同而改变，粒径越小颜色越深。所以，可以通过控制纳米颗粒的尺寸大小，来改变防护镜片的颜色，得到不同等级的防护镜片。同时，由于纳米TiO2 具有无毒、无味、无刺激性、热稳定性好、不分解、不挥发、散射紫外线能力强等特性，目前已被应用于纺织工业中，可利用其制备焊接防护服。
2.3在热喷涂中的应用
由于热喷涂时工件温度较低，喷涂层与工件之间通过相互间的镶嵌而形成机械结合，导致喷涂层与工件结合强度较低，通常采用打底层和工作层相结合的喷涂工艺，以提高喷涂层和工件的结合强度。将纳米粉加入到一般喷涂粉末中制成复合粉末，由于纳米粉的晶粒非常小、熔点低、化学活性高，喷涂过程中复合粉更易与空气相互作用而发生氧化和氮化，使复合粉在喷涂后可以获得质地致密、性能优异的纳米复合涂层，并具有硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨、塑性好等一系列优点。超音速喷涂WC-Co/弹簧钢涂层中粘接相为纳米晶结构，这对涂层性能极为有利，纳米晶粘接相除具有大晶粒粘接相对WC颗粒的粘接、包埋、润滑等特征外，它本身的强度、韧性都有极大提高，且涂层/基体界面是靠粘接相连，界面结合强度很高。
热喷涂是为了改善基体材料的表面性质，利用某种热源把喷涂材料加热，并高速喷向基体材料表面，而形成各种所需的涂层的一种焊接技术。由于受热时间极短，热喷涂传统微米级颗粒时，仅仅是在颗粒表面产生熔融，因此结合强度较低。而在热喷涂纳米材料时，由于纳米粉末比表面积大、活性高而极易被加热熔化，在热喷涂过程中纳米结构粉末颗粒将均匀地熔化，由于熔化程度好，纳米结构粉末颗粒在撞击到基材后变形剧烈，平铺性明显优于微米级粉末颗粒，使得纳米结构涂层的熔滴接触面更多，涂层孔隙率低，表现在性能上就是纳米结构涂层的结合强度大、硬度高、断裂强度好、耐腐蚀性好。美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成了专用热喷涂纳米粉，最终喷涂得到纳米结构的Al2O3-TiO2 涂层，该涂层致密度达98%，结合强度比商用普通粉末涂层提高2～3倍，抗磨损能力是商用普通粉末涂层的3倍，抗弯强度比商用普通粉末涂层提高2～3倍，表明纳米结构涂层具有良好的综合性能。Voyer 等人利用HOVF 方法制备了WC-12Co 纳米结构涂层。研究发现这种结构涂层耐磨性比普通涂层高2～3倍，硬度增加约26%。
纳米技术在热喷涂中有两方面的应用：一是用等离子喷涂法制备纳米粒子并可原位固结形成纳米晶材料；二是热喷涂涂层形成纳米层材料。采用等离子雾化法可以制备金属( 如
铝、锌、镍、硅、钛)、金属间化合物( 如Al Ti、Al Ni ) 和陶瓷( 如Si3N、TiC、TiN
、WC、AlN) 等纳米级微粉。超音速喷涂WC-Co/弹簧钢涂层中粘接相为纳米晶结构，这对涂层极为有利，纳米晶粘接相除具有大晶粒粘接相对WC颗粒的粘接、包埋、润滑等特征外，它本身的强度、韧性都有极大提高；且涂层/基体界面是靠粘接相连，界面结合强度很高。美国F-117A 隐身飞机，就是在机身表面喷涂有含多种纳米颗粒的多层复合膜，对电磁波在较宽频带内有较强吸收能力, 从而逃避雷达的监视。[5]
2.4在焊接工艺中的应用
Barnak J P 等研究了高密度脉冲电流对共晶锡铅合金凝固组织的影响，结果表明，脉冲电流可以增加过冷度，并可使共晶合金的晶粒度降低一个数量级，且晶粒度随脉冲电流密度的增加而降低。周本濂等不仅研究了脉冲电流对合金凝固组织的影响，而且在理论上用经典热力学和连续介质动力学对脉冲电流作用熔体的结晶形核理论和结晶晶粒尺寸的计算作了深入研究，指出脉冲电流密度达到0.1A/m2 时，在理论上可获得大块纳米晶。由于理论上要求的一些金属纳米化的临界脉冲电流密度在工程上能够达到且与试验值基本吻合，加之脉冲电流的快速弛豫特点，可限制纳米晶粒的长大。可以预测，随着脉冲电流对金属凝固组织机制的进一步研究以及试验装置的进一步完善，超短时脉冲电流处理装置在某些金属材料上有可能使焊接熔池直接冷凝成大块纳米晶结构，极大地改善焊接接头的性能。此外，材料在高能束焊接条件下，其凝固具有很高的温度梯度和高凝固速率的特点，有利于焊缝纳米晶和非晶组织的形成。
近年来大量的研究表明，电流对金属的凝固组织有很大影响。它能够细化金属的凝固组织、减轻宏观偏析、增加合金元素在晶粒内部的含量、减少残余应力、避免裂纹的产生和提高表面质量。
爆炸焊接是靠******爆炸产生的能量，在十分短暂的过程中使被焊金属表面形成冶金结合的一种新型焊接方法。由于被焊金属间在高压、高速、高温和瞬时下倾斜撞击，在它们的接触面上将发生许多的物理和化学过程，爆炸焊结合区具有金属的塑性变形、熔化、扩散和波形的特征，该区域通常很窄，一般在0.01～1mm范围内，但它却是牢固连接基体金属的纽带。TEM 观察表明，钛/钢爆炸复合界面层内存在非晶和FeTi 纳米晶组织，是结合区具有高性能的重要原因。
2.5在焊接结构中的应用
金属结构采用焊接方法制造后，疲劳断裂是结构失效的主要型式之一，且危害非常大。主要因焊接结构是连续的，一旦产生裂纹，裂纹扩展的阻碍小，直至导致整个构件断裂。材料的许多失效行为是从表层开始的，这就为材料的表面改性提出了新的发展思路。如果在材料的表面制备出性能优异的纳米层，即实现表面纳米化，则可以通过表面组织性能的优化提高材料的综合力学性能及服役行为。利用超声喷丸技术已在纯铁及316L不锈钢上制备出纳米结构表层。采用高能喷丸技术对SS400钢对接接头表面进行处理。结果表明，高能喷丸处理可以在对接接头的表面形成尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织，从而消除对接接头表层粗大组织，纳米结构表层的硬度明显高于心部。高能喷丸处理使对接接头的表面形成压应力纳米硬化层(焊缝表面残余应力为-438MPa),在疲劳寿命为2×106 周时，经高能喷丸处理的SS400 钢对接接头的疲劳强度约提高79.1%。主要应用为：(1)改善接头组织不均匀性；(2)提高焊接接头的抗磨损性能，延长工件使用寿命；(3)提高焊接接头疲劳寿命；（4）改善接头抗应力腐蚀性能。[6]
2.6纳米技术在焊接设备和检验中的应用
纳米材料具有高比表面积、高活性、特殊物理性质和极微小性，致使它对外界环境十分敏感，外界环境的改变会迅速引起其表面或表面离子价态和电子运输的变化，从而引起电阻的变化，利用它可研制出响应速度快、灵敏度高、选择性好的各种不同用途的传感器。例如利用纳米LiNbO3、LiTiO3和SrTiO3 的热电效应，可制成红外线检测传感器；利用纳米NiO、FeO、CoC- Al2O3 和SiC 的载体温度效应引起电阻变化，可制成温度传感器；利用ZnO、SnO2 和γ- FeO3的半导体性质，可制成氧敏传感器等。这些可应用于焊接过程的实时监测和其他过程。纳米管的强度比钢高100倍，但质量却只有钢的1/6，它的导电性能大大超过铜，是******的超微导线和超微开关的首选材料，最终可用于纳米级的电子线路，在焊接设备中发挥作用。
2.7其他方面的应用
纳米技术和材料在很多方面和领域都应用广泛，如纳米材料应用在元器件的制造上，能提高芯片的集成程度，使电子元件更小、更便携；纳米材料应用在焊接设备，能使设备体积更小、容量更大；相比起其他材料，采用纳米材料加工而成的传感器，比普通传感器更加灵敏，精度更高、更精密，能准确控制焊接参数，使焊接产品质量更好；尤其是采用纳米材料加工的导电嘴比普通导电嘴更耐磨、更耐腐蚀，被广泛应用在高强度焊丝的大电流焊接等众多工序和领域。
纳米材料及纳米技术在焊接领域的各个方面有着广阔的应用前景。如纳米材料及其制造的元器件，可以使芯片集成度提高，缩小电子元件体积，在焊接设备小型化及提高容量方面有良好的应用前景；纳米材料制造的传感器具有高灵敏度、高精度等特点，可以对焊接参数实现精确控制，提高焊接质量；纳米材料增强的耐磨耐烧蚀导电嘴，可以应用于高强度焊丝的大电流焊接等。[7]
3结束语
作为21世纪的科技“三大支柱”之一，纳米材料和技术将越来越被重视，在未来发挥出越来越大的作用，这已经成为人们的共识。但纳米材料和技术在焊接领域中的研究刚刚起步，有一些令人惊喜的发现，同时也有很多问题需要探究。随着科技的发展和进步，焊接技术人员将会更多地投入焊接纳米材料相关领域的研究，使焊接技术水平大大提高，实现质的飞跃。纳米材料的优异特性决定其在焊接领域具有良好的应用前景。
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