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中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-06-301
纳米材料和纳米技术以其蓬勃的生命力和广阔 的发展前景，渗透到陶瓷、微电子、生物工程、化工等几乎所有的研究领域，但焊接领域对纳米材料及纳米技术的关注， 还处于理论探讨和应用研究的初始阶段。
1纳米技术在焊接领域的应用
1.1 在焊接材料中的应用
焊条药皮起着稳弧、造渣、造气、脱氧及向焊缝 过渡合金元素的作用 ，通常药皮中要加入10种以上的各种组成物以保证焊条具有良好的工艺性和使用 性。在焊条药皮中加入一定的纳米材料， 可以利用 纳米材料的体积效应和表面效应 ，增大药皮组成物 与熔滴的接触面积，加快反应速度 ，更加便于通过冶 金反应过渡有益合金元素及去除有害杂质元素;选 择特定的纳米材料作为添加元素过渡到焊缝，可改变有益元素的分布形式，调整焊缝显微组织，从而提 高焊缝性能。赵秀娟等[ 5-9]在堆焊焊条药皮中用纳米混合粉末代替传统的微米粉末 ，改善了熔滴过渡 形式和电弧稳定性 ，焊缝组织中粗大的树枝状碳化物也改变为均匀细小的组织， 增加了强化元素在基 体中的含量，提高了堆焊焊缝硬度。由于表面效应和体积效应，纳米材料的熔点低于块状固体， 根据这一特点，药皮中的纳米材料可加快反应速度， 增加单 位时间内熔敷金属量;纳米材料的低熔点也可降低 熔池反应温度， 减少焊接热循环对热输入敏感基体 材料的不利影响 ，或者在不影响基体性能基础上， 相 应提高焊接热输入， 增加熔敷效率。
1 .2 在焊接结构中的应用
焊接接头具有组织及性能不均匀的特点 ，各项性能难以与母材相匹配，因而容易在接头区域发生腐蚀及疲劳等破坏， 而大部分该类破坏又是从接头 表面开始的。工程上常常采用喷丸、渗透有用元素 等方法提高接头表面的性能 ，而接头表层组织的纳米均一化处理为提高接头性能开辟了新的路径。
接头表层自身纳米化处理是采用非平衡处理方法，主要是表面机械加工处理、非平衡热力学方法， 增加材料表面能，使接头各个区域（焊缝、热影响区、母材）表面组织逐渐细化至纳米量级 ，从而赋予普通金属表层一些纳米材料的特殊性能。
1 .3 难焊材料中的应用
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20nm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。
1 .4 在焊接保护中的应用
焊接电弧弧柱温度可达 5 000～30 000 K ，明弧焊接时会产生很强的弧光辐射 ，产生过量的紫外线，对人体眼睛、皮肤及内部组织造成损害。分散的纳米相粒子，如TiO2 、氧化锌、氧化铁等 ，具有优异的紫 外线屏蔽、吸收作用 ，其中粒径20～60 nm的金红石型纳米TiO2 粉体对240～400 nm的紫外线有较强的吸收，吸收率高达92 %以上，其吸收性能远远高于普通的TiO2 粉体。同时，由于纳米TiO2直径远小于可见光波长的1/2 ，由于衍射作用，可见光将绕过纳 米TiO2 粒子 ， 从而在涂膜中具有透明性[ 19]。Al2O3 纳米粉体对波长250 nm 以下的紫外线有很强的吸收能力，SiO2对400nm 以下紫外线反射率高达95 %。因此，将相应的纳米材料添加到防护面罩、玻 璃镜片或者服装上，则既能吸收和屏蔽紫外线，又能透过可见光，获得良好的保护功能。
2 值得关注的问题
焊接材料及其工艺的选择过程就是焊缝性能与成本之间的相互平衡 ，纳米材料及纳米技术在焊接领域有着广泛的应用前景 ，但是在焊接领域的应用还需关注以下问题。
2 .1 纳米原材料制备和成本
目前，部分纳米原材料如纳米氧化钛、氧化锌等已经可以实现工业化生产 ，但大部分纳米材料的制备还是在试验室完成的 ，生产效率低 ，部分纳米材料还难以实现稳定生产， 单位材料的生产成本较高 ，是 普通材料的数倍以上 ，而焊接材料为工业化大规模 消耗的品种， 对材料价格变化较为敏感。如何丰富 焊接用纳米材料品种，扩大纳米材料的生产规模 ，不断降低生产成本，是纳米材料在焊接材料中应用所面临的一个问题。
2 .2 在焊接材料中添加纳米粉末
由于纳米粉末特别细小、活度高 ，当其加入焊条药皮或焊剂时，将与粘结剂会发生剧烈的反应并结块，容易使得纳米材料在焊条药皮或焊剂中分布不均匀，以及在焊条烘干后药皮容易开裂、剥落。因而，如何选择合适的粘结剂及纳米材料的加入量 ，需要在实践中进行探索。
2 .3 纳米材料反应机理
纳米材料作用的机理源于其表面效应、体积效应等，但是在焊接过程中，纳米材料的反应机理、在焊缝中的分布规律及其对焊缝组织的影响仍然需要开展深入的理论研究。
参考文献
[1]旷明胜. 银纳米线的超声波焊接及其在透明导电薄膜上的应用[D].深圳大学，2017.
[2]杜林，饒进军，吴智政，刘梅，曹宁. 非焊接式纳米线机械性能测试器件结构设计[J]. 传感技术学报，2017，30（06）：831-835.
[3]何天贤，李志豪. 用于IGBT焊接的具有高热导率的柔韧性纳米银膜[J]. 焊接技术，2017，46（05）：105-109.
刘顺英（1998.9--）女，湖北省黄冈市人，汉族，大学本科学历，武昌首义学院
胡慈（1997.03—），女，湖北省黄冈市麻城市人，汉族，大学本科学历，单位：武昌首义学院
纳米材料和纳米技术以其蓬勃的生命力和广阔 的发展前景，渗透到陶瓷、微电子、生物工程、化工等几乎所有的研究领域，但焊接领域对纳米材料及纳米技术的关注， 还处于理论探讨和应用研究的初始阶段。
1纳米技术在焊接领域的应用
1.1 在焊接材料中的应用
焊条药皮起着稳弧、造渣、造气、脱氧及向焊缝 过渡合金元素的作用 ，通常药皮中要加入10种以上的各种组成物以保证焊条具有良好的工艺性和使用 性。在焊条药皮中加入一定的纳米材料， 可以利用 纳米材料的体积效应和表面效应 ，增大药皮组成物 与熔滴的接触面积，加快反应速度 ，更加便于通过冶 金反应过渡有益合金元素及去除有害杂质元素;选 择特定的纳米材料作为添加元素过渡到焊缝，可改变有益元素的分布形式，调整焊缝显微组织，从而提 高焊缝性能。赵秀娟等[ 5-9]在堆焊焊条药皮中用纳米混合粉末代替传统的微米粉末 ，改善了熔滴过渡 形式和电弧稳定性 ，焊缝组织中粗大的树枝状碳化物也改变为均匀细小的组织， 增加了强化元素在基 体中的含量，提高了堆焊焊缝硬度。由于表面效应和体积效应，纳米材料的熔点低于块状固体， 根据这一特点，药皮中的纳米材料可加快反应速度， 增加单 位时间内熔敷金属量;纳米材料的低熔点也可降低 熔池反应温度， 减少焊接热循环对热输入敏感基体 材料的不利影响 ，或者在不影响基体性能基础上， 相 应提高焊接热输入， 增加熔敷效率。
1 .2 在焊接结构中的应用
焊接接头具有组织及性能不均匀的特点 ，各项性能难以与母材相匹配，因而容易在接头区域发生腐蚀及疲劳等破坏， 而大部分该类破坏又是从接头 表面开始的。工程上常常采用喷丸、渗透有用元素 等方法提高接头表面的性能 ，而接头表层组织的纳米均一化处理为提高接头性能开辟了新的路径。
接头表层自身纳米化处理是采用非平衡处理方法，主要是表面机械加工处理、非平衡热力学方法， 增加材料表面能，使接头各个区域（焊缝、热影响区、母材）表面组织逐渐细化至纳米量级 ，从而赋予普通金属表层一些纳米材料的特殊性能。
1 .3 难焊材料中的应用
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20nm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。
1 .4 在焊接保护中的应用
焊接电弧弧柱温度可达 5 000～30 000 K ，明弧焊接时会产生很强的弧光辐射 ，产生过量的紫外线，对人体眼睛、皮肤及内部组织造成损害。分散的纳米相粒子，如TiO2 、氧化锌、氧化铁等 ，具有优异的紫 外线屏蔽、吸收作用 ，其中粒径20～60 nm的金红石型纳米TiO2 粉体对240～400 nm的紫外线有较强的吸收，吸收率高达92 %以上，其吸收性能远远高于普通的TiO2 粉体。同时，由于纳米TiO2直径远小于可见光波长的1/2 ，由于衍射作用，可见光将绕过纳 米TiO2 粒子 ， 从而在涂膜中具有透明性[ 19]。Al2O3 纳米粉体对波长250 nm 以下的紫外线有很强的吸收能力，SiO2对400nm 以下紫外线反射率高达95 %。因此，将相应的纳米材料添加到防护面罩、玻 璃镜片或者服装上，则既能吸收和屏蔽紫外线，又能透过可见光，获得良好的保护功能。
2 值得关注的问题
焊接材料及其工艺的选择过程就是焊缝性能与成本之间的相互平衡 ，纳米材料及纳米技术在焊接领域有着广泛的应用前景 ，但是在焊接领域的应用还需关注以下问题。
2 .1 纳米原材料制备和成本
目前，部分纳米原材料如纳米氧化钛、氧化锌等已经可以实现工业化生产 ，但大部分纳米材料的制备还是在试验室完成的 ，生产效率低 ，部分纳米材料还难以实现稳定生产， 单位材料的生产成本较高 ，是 普通材料的数倍以上 ，而焊接材料为工业化大规模 消耗的品种， 对材料价格变化较为敏感。如何丰富 焊接用纳米材料品种，扩大纳米材料的生产规模 ，不断降低生产成本，是纳米材料在焊接材料中应用所面临的一个问题。
2 .2 在焊接材料中添加纳米粉末
由于纳米粉末特别细小、活度高 ，当其加入焊条药皮或焊剂时，将与粘结剂会发生剧烈的反应并结块，容易使得纳米材料在焊条药皮或焊剂中分布不均匀，以及在焊条烘干后药皮容易开裂、剥落。因而，如何选择合适的粘结剂及纳米材料的加入量 ，需要在实践中进行探索。
2 .3 纳米材料反应机理
纳米材料作用的机理源于其表面效应、体积效应等，但是在焊接过程中，纳米材料的反应机理、在焊缝中的分布规律及其对焊缝组织的影响仍然需要开展深入的理论研究。
参考文献
[1]旷明胜. 银纳米线的超声波焊接及其在透明导电薄膜上的应用[D].深圳大学，2017.
[2]杜林，饒进军，吴智政，刘梅，曹宁. 非焊接式纳米线机械性能测试器件结构设计[J]. 传感技术学报，2017，30（06）：831-835.
[3]何天贤，李志豪. 用于IGBT焊接的具有高热导率的柔韧性纳米银膜[J]. 焊接技术，2017，46（05）：105-109.
刘顺英（1998.9--）女，湖北省黄冈市人，汉族，大学本科学历，武昌首义学院
胡慈（1997.03—），女，湖北省黄冈市麻城市人，汉族，大学本科学历，单位：武昌首义学院