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焊接接头纳米技术论文

发布时间:2015/2/8 10:09:39   阅读:

1纳米技术概念

纳米科学技术指的是在一定的尺度空间内(通常是0.1nm~100nm),观测分子、原子、电子3者的运动轨迹,进而揭示其运动规律和特性的学科。纳米科学技术的研究目的,是人类希望通过掌握分子、原子、电子等微粒的特性,能按照自己的意志操纵他们,结合计算机、微电子、核分析和扫描隧道显微镜等现代科技,从而制造出新的产品并运用到多个领域,并派生出一系列的新学科新技术,如纳米机械学、纳米材料学、纳米电子学等等。

2纳米技术在焊接领域的应用

2.1在焊接材料中的应用

2.1.1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。

2.1.2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十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。

2.1.3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。

2.2在焊接结构中的应用

2.2.1改善接头组织不均匀性。不同焊接接头的性能差异,主要是由于热影响区、焊缝之间的微粒组织不均匀性引起的,解决方法通常是表面纳米化处理,这样就可以使内部组织均匀,使接头表面晶粒大小基本一致。通过高能喷丸纳米化技术的处理,表层原始组织的内部结构发生了改变,有截然不同的3个区域形成了等轴状纳米晶的形状,且微粒之间尺寸均匀。

2.2.2提高焊接接头的抗磨损性能,延长工件使用寿命。在焊接接头的表面,经纳米化处理的比不经纳米化处理的对比件材料硬度更大,晶粒更小。因此,经纳米化处理的工件更为耐磨,实际使用寿命更长。

2.2.3提高焊接接头疲劳寿命。运用纳米化处理,如超声速微粒轰击等表面机械加工处理,可以转化接头工件表层的残余拉伸应力,使之变为残余压应力,这样相比起未经该方法加工的工件裂纹发生率会减少,焊接接头的疲劳寿命得到延长。

2.2.4改善接头抗应力腐蚀性能。接头工件本身所具有的残余拉应力,会使接头更容易被腐蚀。但若经过米化处理,即会使晶粒比以前更细小,加之所产生的压应力协同作用,将会使接头抗腐蚀能力更强。但必须看到,当压应力超过一定限度,比如超过接头材料本身的屈服强度,就会产生不良后果,如发生塑性变形,进而在表层一些硬度较高的地方产生裂痕,这样就会使材料的抗腐蚀应力反而降低,应该特别注意。

2.3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。

2.4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。

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,现在面临的问题将会逐步被解决,并开拓出新的产品和研究方向,使焊接技术水平大大提高,实现质的飞跃。

作者:曹慧刘宝良单位:内蒙古机电职业技术学院内蒙古人大办公厅

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