烏克蘭巴頓電焊研究所在焊接工藝及相關(guān)領(lǐng)域的新成果_圖文

1、焊接烏克蘭巴頓電焊研究所在焊接工藝及相關(guān)領(lǐng)域的新成果烏克蘭巴頓電焊研究所B.E.Paton V.D.Shelyagin哈爾濱焊接研究所(150080杜兵李小宇毛輝(編譯摘要介紹了烏克蘭巴頓電焊研究所在氣相沉積、電子束焊接與重熔、單晶制備、閃光焊、電弧與復(fù)合熱源、電渣焊技術(shù)、生物組織的焊接、數(shù)學(xué)模擬、爆炸焊、焊接材料、保護(hù)涂層、無(wú)損檢測(cè)與診斷、焊接結(jié)構(gòu)服役壽命等技術(shù)領(lǐng)域取得的新成果。關(guān)鍵詞:氣相沉積技術(shù)單晶制備電弧與復(fù)合熱源中圖分類(lèi)號(hào):TG440前言烏克蘭巴頓電焊研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴頓所已有70多年的歷史,在焊接及相關(guān)領(lǐng)域是世界上最大的研究機(jī)構(gòu)。它將基礎(chǔ)理論研究與工程應(yīng)用緊密結(jié)合,創(chuàng)造了許多重大科

2、技成果。文中重點(diǎn)介紹巴頓所在近年來(lái)的研究開(kāi)發(fā)成果與應(yīng)用情況。1新技術(shù)、新工藝1.1氣相沉積技術(shù)當(dāng)前,采用高速真空電子束實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)材料的單晶、納米及微結(jié)構(gòu)的氣相沉積技術(shù)取得了很大的進(jìn)展。作為功能或結(jié)構(gòu)涂層,可以實(shí)現(xiàn)薄片、薄板(12m到510mm結(jié)構(gòu)形式的金屬、金屬陶瓷及陶瓷涂層。非常值得關(guān)注是采用高速真空電子束氣相沉積技術(shù)可以制備出成分與組織梯度變化的復(fù)合材料,簡(jiǎn)稱(chēng)可編程控制材料,如圖1所示。復(fù)合材料錠由陶瓷基體與嵌入的金屬及非金屬材料組成。嵌入材料是具有一定形狀、尺寸及氣化性能要求的材料,保證在連續(xù)汽化與冷凝過(guò)程中可以在基體上形成成分與組織為梯度變化的復(fù)合層。這項(xiàng)復(fù)合工藝技術(shù)包括主體材料的汽化和

3、離子化,并添加一些無(wú)機(jī)或有機(jī)的材料,在冷凝過(guò)程中與主體材料相互作用,形成復(fù)合材料。根據(jù)材料與工藝的不同,相互作用可以是化學(xué)反應(yīng),伴隨有反應(yīng)產(chǎn)物從冷凝表面脫落。這種表面處理技術(shù)可在很廣泛的范圍內(nèi)控制冷凝組織,如圖2所示。氣相沉積技術(shù)與材料的主要應(yīng)用是各種汽輪機(jī)葉片,氧化物燃料電池保護(hù)涂層,材料加工工具的超硬表面的涂層,在絲、帶、網(wǎng)表面沉積具有梯度孔隙的催化劑涂層,生物材料,生物涂層,具有特殊物理性能(如特殊的光學(xué)性能,電特性,磁性等的材料及涂層。目前的試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)表明,對(duì)于金剛石類(lèi)材料,采用高速真空電子束氣相沉積技術(shù),可以制備納米碳管以及類(lèi)似金剛石結(jié)構(gòu)的材料。1.2電子束冶煉技術(shù)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方

4、向是使用比較便宜的原材料(如海綿鈦進(jìn)行鈦合金錠或中間產(chǎn)品的電子束重熔,目前巴頓所的鈦合金研發(fā)與生產(chǎn)中心的年生產(chǎn)能力達(dá)到1500t。值得一提的是采用此項(xiàng)技術(shù)冶煉了VT6鈦合金錠坯,組織結(jié)構(gòu)為細(xì)等軸晶。通過(guò)模擬合金元素的蒸發(fā)過(guò)程,掌握了鋁蒸發(fā)量對(duì)電子束加熱功率與熔化速度的影響,當(dāng)電子束功率小于120kW、熔化速度不小于200kg/h時(shí),鈦合金錠中的鋁含量能夠滿足VT6鈦合金的成分要求,如圖3所示。在試驗(yàn)研究中,建立B.E.Paton杜兵焊接了VT6鈦合金錠成形過(guò)程的三維傳熱模型,包括溫度梯度、熔融金屬的冷卻與凝固結(jié)晶過(guò)程,該模型的精確度與可信度得到了驗(yàn)證。在電子束加熱功率為90kW,熔化速度為20

5、0kg/h的優(yōu)化工藝參數(shù)下,對(duì)150mm (厚950mm(寬2000mm(長(zhǎng)的VT6鈦合金坯進(jìn)行了金相組織分析,整個(gè)橫截面全部為細(xì)等軸晶組織,如圖4所示。巴頓所采用電子束熔煉技術(shù)為造船廠提供了厚度達(dá)到200250mm的PT-3V鈦合金板坯,與傳統(tǒng)技術(shù)相比,屈服強(qiáng)度提高了10%,生產(chǎn)成本降低了20%。另外,在電子束冷爐膛冶煉技術(shù)領(lǐng)域,巴頓所在世界上首先開(kāi)發(fā)了海綿鈦電子束冶煉工藝與裝備,生產(chǎn)了高質(zhì)量的復(fù)雜鈦合金錠,用于大直徑管的空心錠,其中電子束表面處理技術(shù)成功代替了機(jī)械加工工藝。1.3厚板的電子束焊接在厚板的電子束焊接中,首先對(duì)液態(tài)金屬在大熔深蒸氣通道中的振蕩頻率進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn),

6、汽化金屬以毛細(xì)吸附的形式對(duì)蒸氣通道內(nèi)壁形成反彈沖擊作用,形成振蕩,而且這種反彈沖擊是不連續(xù)波,其一次諧波的特征是頻率最低,而幅度最大,對(duì)蒸氣通道幾何尺寸的穩(wěn)定性和在中、底部形成各種焊接缺陷具有決定性作用?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,對(duì)于大熔深的焊接,通過(guò)傾斜對(duì)接,即電子束與水平面形成1012的傾角來(lái)增加蒸氣通道的穩(wěn)定性。在有傾角的情況下,熔池的形狀及熔化金屬的擾動(dòng)形式發(fā)生了變化,即由單純的毛細(xì)吸附波(垂直通道轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)吸附-重力復(fù)合。具有一定傾角的蒸氣通道將導(dǎo)致諧波擾動(dòng)頻率最低,使熔化金屬在熔池前部的擾動(dòng)幅度降低,增強(qiáng)整個(gè)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。另一個(gè)可以增加大熔深穩(wěn)定性的有效手段是采用同步高能束沿焊接方向縱

7、、橫向掃描。其目的是降低能量集中程度和蒸氣通道底專(zhuān)家論壇Expert Forum 焊接部的電子數(shù)量,它對(duì)提高蒸氣通道的穩(wěn)定性也具有積極影響。巴頓所已經(jīng)掌握了大熔深電子束焊時(shí),采用大功率電子束掃描的最佳頻率。上述研究結(jié)果為大飛機(jī)用高強(qiáng)度鋁合金的電子束焊接奠定了基礎(chǔ),焊接厚度可達(dá)150mm ,如圖5所示。 1.4單晶制備難熔金屬(如鎢、鉬的單晶化是高新技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)物。在核能與航天工程領(lǐng)域,許多項(xiàng)目要依靠高溫金屬的研究開(kāi)發(fā)與技術(shù)進(jìn)步,對(duì)于難熔金屬的單晶化處理,由于其熔點(diǎn)很高,在過(guò)去的很多年中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。巴頓所研究開(kāi)發(fā)的等離子感應(yīng)單晶帶狀生長(zhǎng)法使難熔金屬的單晶化處理得到根本解決。這一方法對(duì)構(gòu)件的尺寸、形

8、狀(環(huán)形、方形、板、管等沒(méi)有限制。如圖6所示,等離子與感應(yīng)加熱的聯(lián)合可使熔池金屬在電磁場(chǎng)的作用下不接觸冷卻銅套,這對(duì)于制備大尺寸與超大尺寸(20mm 140mm 170mm ,甚至更大的單晶來(lái)講是非常具有挑戰(zhàn)性的。隨著單晶尺寸的增大,其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。如具有特殊形狀的大尺寸定向鎢、鉬單晶將為進(jìn)一步軋制難熔金屬制品提供良好的基礎(chǔ)。1.5采用電渣工藝生產(chǎn)復(fù)合材料部件采用電渣工藝生產(chǎn)復(fù)合材料部件,包括多層電渣、雙金屬電渣,還包括電渣復(fù)合(ESC 、電渣焊接(ESW 、電渣重熔(ESR ,這些工藝應(yīng)用廣泛,效率高。近年來(lái),巴頓所開(kāi)發(fā)了液態(tài)金屬電渣復(fù)合(ESC LM 技術(shù),雙電源電渣重熔技術(shù)(ESR

9、DC ,改進(jìn)了雙金屬部件的質(zhì)量,如雙金屬軋輥、雙金屬鋼筋、電弧爐的鋼-銅電極等。在電渣復(fù)合工藝中,最關(guān)鍵的是將復(fù)合層的化學(xué)成分變化控制在最小的范圍,即控制電渣過(guò)程的稀釋率變化。對(duì)電渣復(fù)合輥化學(xué)成分均勻性分析表明,液態(tài)金屬電渣復(fù)合軋輥的化學(xué)成分沿縱向及橫截面具有良好的均勻性。研究結(jié)果表明,液態(tài)金屬電渣復(fù)合(ESCLM 技術(shù)比傳統(tǒng)的復(fù)合技術(shù)有很多優(yōu)越性。這項(xiàng)技術(shù)可使復(fù)合部件的外徑大大增加,復(fù)合層的厚度可以根據(jù)用戶的要求確定,可以在20100mm 、甚至更厚的范圍內(nèi)選擇。液態(tài)金屬電渣復(fù)合(ESC LM 技術(shù)具有非常高的效率,是傳統(tǒng)復(fù)合技術(shù)的10倍,根據(jù)部件尺寸與材料的不同,其熔敷速率可達(dá)200800

10、kg/h 。巴頓所與NKMZ 公司共同開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)大型液態(tài)金屬電渣復(fù)合設(shè)備,其設(shè)計(jì)能力為:軋輥直徑為1000mm 、 長(zhǎng)為2500mm 。重量達(dá)20t ,如圖7所示。已經(jīng)獲得了生產(chǎn)高鉻復(fù)合層寬板連鑄輥的經(jīng)驗(yàn),檢驗(yàn)表明,與早期的標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵輥相比,耐磨性能提高23倍。采用液態(tài)金屬電渣復(fù)合技術(shù)與特殊設(shè)計(jì)的成型模具,實(shí)現(xiàn)了雙金屬堆焊過(guò)程中金屬熔渣與金屬均勻轉(zhuǎn)動(dòng),使金屬熔池的溫度與化學(xué)成分更加均勻,基體材料的熔化也非常均勻,保證復(fù)合層符合原先的設(shè)計(jì)。采用液態(tài)金屬電渣復(fù)合技術(shù)成功制造了直徑為350mm 、表面圖5空客380翼板的電子束焊接圖6等離子感應(yīng)制備超大單晶金屬示意圖專(zhuān)家論壇 Expert Fo

11、rum 圖7液態(tài)金屬電渣復(fù)合軋輥(直徑740mm焊接復(fù)合316L 奧氏體不銹鋼的鋼錠,并軋制成直徑為16mm 的復(fù)合鋼筋,母材為20GS 低碳鋼,如圖8所示。金相檢驗(yàn)表明,在異種鋼結(jié)合界面沒(méi)有任何缺陷(層狀裂紋、其它裂紋、夾渣等。鋼-銅雙金屬電極廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電弧爐,在冶煉過(guò)程中,電極的鋼部分與熔化的鋼液接觸,而銅部分作為載流較小的連接體,所有測(cè)量?jī)x器于銅體連接。這種電極的可靠性與使用效率主要取決與銅-鋼的連接質(zhì)量。巴頓所開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的鋼-銅電極技術(shù)是基于在成型模中的雙電源電渣工藝(ESR DC ,可以實(shí)現(xiàn)熔池深度與形狀的同時(shí)變化,因此,許多關(guān)鍵問(wèn)題得到很好解決,如過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度低的問(wèn)題、異種鋼結(jié)

12、合界面的質(zhì)量問(wèn)題。采用此技術(shù)可以生產(chǎn)整體鋼-銅電極,最大直徑達(dá)到350mm 、最大長(zhǎng)度達(dá)到1300mm ,如圖9所示。宏觀及微觀的檢驗(yàn)表明,結(jié)合區(qū)具有很好的冶金結(jié)合質(zhì)量,滿足直流電弧爐對(duì)電極質(zhì)量的特殊要求,如圖10所示。1.6閃光焊閃光焊屬于最高效的焊接方法之一,這一焊接方法仍然在不斷發(fā)展,其中連續(xù)閃光焊的一個(gè)新變化是脈沖閃光焊,已經(jīng)在主要工業(yè)國(guó)家獲得專(zhuān)利。這一方法降低焊接時(shí)間一倍(圖11,同時(shí)降低了對(duì)焊接尺寸誤差的要求,具有更高的集中加熱能力。它為連接難焊材料、軟化材料提供了新的機(jī)會(huì),還可應(yīng)用于高強(qiáng)鋼、合金鋼及異種鋼的焊接。特別是為鋼軌的連接開(kāi)發(fā)了新工藝,并得到良好應(yīng)用。其中由焊接尺寸誤差帶

13、來(lái)的問(wèn)題被焊接鋼軌的張力控制所彌補(bǔ),焊接主要工藝參數(shù)由計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)控制,還開(kāi)發(fā)了與鋼軌張力無(wú)關(guān)的圖9直流電弧爐鋼-銅復(fù)合電極圖10!350mm 鋼-銅復(fù)合電極熔合區(qū)金相組織320圖8!16mm 雙金屬鋼筋及彎曲試樣專(zhuān)家論壇Expert Forum圖11R65鋼軌閃光焊主要工藝參數(shù)壓力焊接電流焊接電壓位移22820418013613210884603612130390650910L /m m(a 連續(xù)閃光焊(b 脈沖閃光焊時(shí)間t /s12366084108132位移焊接電壓焊接電流壓力648210p /M P a焊接焊接參數(shù)預(yù)置系統(tǒng),以及根據(jù)環(huán)境溫度預(yù)置鋼軌應(yīng)力水平的控制系統(tǒng)。帶張力控制系統(tǒng)的

14、K922型焊接設(shè)備已經(jīng)研制成功,實(shí)現(xiàn)了新工藝與新的控制技術(shù)。對(duì)于脈沖閃光焊,還開(kāi)發(fā)了大截面鋼坯(20000mm 2的閃光焊新工藝,研制了K1003型焊接設(shè)備,如圖12所示。 磁激電弧對(duì)焊(MIAB 工藝也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,大大擴(kuò)大了應(yīng)用范圍,MIAB 焊管技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)直徑219mm 、壁厚12mm 管子的焊接,傳統(tǒng)的磁激電弧對(duì)焊工藝只能焊接直徑小于100m m 、壁厚小于6m m 的管子,磁激電弧對(duì)焊工藝還實(shí)現(xiàn)了!32mm 鋼筋的焊接。1.7復(fù)合工藝近幾年來(lái),復(fù)合工藝的發(fā)展非?？?復(fù)合焊接方法在巴頓所也得到快速發(fā)展。目前的主要研究方向是激光與熔化極電弧焊的復(fù)合,激光與等離子的復(fù)合,如圖13

15、所示,主要研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容包括鋼、鋁合金的激光-電弧復(fù)合焊,鋼表面的復(fù)合堆焊與合金化處理,同時(shí)也開(kāi)展了厚板的激光-熔化極電弧焊復(fù)合焊接工藝,如圖13a 所示,在3kW 激光功率的條件下,34層可以實(shí)現(xiàn)20mm 低合金板的焊接,如采用純激光一次焊接,需要激光功率達(dá)到10kW 。典型焊接是X70管材的焊接,壁厚18.7mm ,激光功率2.7kW ,焊接4道,焊接速度25m/h 。對(duì)于2mm 鋁合金板,采用復(fù)合焊接工藝,焊接速度可以達(dá)到300m/h ,甚至更快,如圖13b 所示。采用相同功率的電弧焊或激光焊,焊接速度通常為3050m/h ,而同樣功率的復(fù)合焊接熱源焊接速度可達(dá)60m/h 。速度的提高就

16、是電弧與激光的復(fù)合效應(yīng)所造成的(激光與電弧相互作用增加了復(fù)合工藝的穩(wěn)定性。為了制備超薄的耐磨或耐蝕層,采用微弧等離子與激光復(fù)合噴涂,消除了激光涂層的一些不足、如裂紋,還增加了涂層的致密度以及與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度、如圖14a 所示。采用復(fù)合工藝還不需要對(duì)基體材料做涂前處理,而采用微弧等離子噴涂時(shí)需要做涂前處理。類(lèi)似的研究工作還有表面合金化處理以提高表面硬度與耐熱性能,如14b 所示。在比較軟或塑性好的基體材料上進(jìn)行合金化硬化處理,可以減少在役過(guò)程網(wǎng)狀裂紋的形成,炮筒表面的強(qiáng)化就是一個(gè)例證。試驗(yàn)研究表明,在45mm 厚鋼板的激光-電弧復(fù)合熱源焊接中,1kW 的熔化極電弧焊功率相當(dāng)于1kW圖12K1

17、003型大型閃光對(duì)焊機(jī)(a 壁厚為18.7mm 的X70鋼2.5(激光功率2.7kW ,焊接速度25m/h ,!1.2mm 絲的送絲速度400m/h ,焊接電流200A ,電壓25V ,保護(hù)氣體為CO 2,焊接4道圖13激光-電弧復(fù)合熱源焊接接頭組織(b 1.9mm 厚的AMg6合金5(激光功率2.5kW ,焊接速度300m/h ,送絲速度760m/h ,焊接電流200A ,保護(hù)氣體為Ar 。專(zhuān)家論壇Expert Forum (a 表面熔敷Ni-Cr-B-Si 合金1000圖14碳鋼表面熔敷Ni-Cr-B-Si 涂層及碳鋼表面激光-等離子Cr 合金化處理(b 表面激光-等離子Cr 合金化處理3

18、2的激光功率;在較厚鋼板的焊接中,1kW 的電弧功率相當(dāng)于0.5kW 的激光功率。1.8動(dòng)物與人體軟組織的焊接動(dòng)物與人體軟組織的焊接是巴頓所科研工作的一個(gè)新領(lǐng)域。高頻電流止血是通過(guò)封閉血管防止外科手術(shù)時(shí)出血,這是很早就知道的事了。巴頓所開(kāi)辟了采用高頻焊接動(dòng)物與人體軟組織與器官的新領(lǐng)域,它不需要線與金屬固定支架,縮短了患者的麻醉時(shí)間,減少了出血,減輕了患者的疼痛,將傷口的感染降到最低。這項(xiàng)連接技術(shù)類(lèi)似于金屬材料和有些高分子材料的電阻焊,但其連接機(jī)理是截然不同的。通過(guò)高頻電流加熱軟組織,使蛋白質(zhì)變性,加速其熱分子運(yùn)動(dòng),形成多胚乳空間,并在冷卻過(guò)程中形成接頭,冷卻過(guò)程中也伴隨著蛋白質(zhì)變性,即組織的恢

19、復(fù)。但在焊接過(guò)程結(jié)束時(shí),蛋白質(zhì)組織并不能完全恢復(fù),部分分子具有不可逆變性。變性的程度取決于軟組織在焊接過(guò)程中經(jīng)受的最高溫度和時(shí)間。因?yàn)椴豢赡孀冃允遣幌Ｍl(fā)生的,因此,焊接的溫度與時(shí)間必須控制在很窄的范圍內(nèi),焊接設(shè)備要求具有閉環(huán)的自動(dòng)化控制系統(tǒng),如圖15a 所示。目前,已經(jīng)完成了手術(shù)設(shè)備樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造,不僅可以用于焊接,還可以用于軟組織的止血與熱切割。這些設(shè)備已經(jīng)在烏克蘭的幾家醫(yī)院用于臨床試驗(yàn),而且用于日常手術(shù),有效地用于普通外科手術(shù)、婦科手術(shù)、腫瘤手術(shù)、耳鼻喉手術(shù)、肝臟、肺及其它器官的手術(shù),如圖15b 所示。巴頓所將把此項(xiàng)技術(shù)作為最重要的現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)之一來(lái)繼續(xù)深入研究開(kāi)發(fā)。2工藝與材料的提升2

20、.1數(shù)學(xué)模擬對(duì)于焊接工藝的研究主要集中于典型物理化學(xué)過(guò)程與現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模擬,這些物理化學(xué)過(guò)程決定了焊接質(zhì)量。計(jì)算機(jī)的工程化應(yīng)用為焊接復(fù)雜模型的建立與多參數(shù)、各種現(xiàn)象的相互作用分析提供了手段。另外,數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)處理也擴(kuò)大了使用范圍,不僅用于科學(xué)研究,而且用于工程開(kāi)發(fā)與工程問(wèn)題解決。在工藝與材料領(lǐng)域,一個(gè)主要方向是圍繞實(shí)際焊接中的典型問(wèn)題進(jìn)行信息-計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),主要包括弧焊工藝方法的選擇、焊接材料的匹配、特定焊接結(jié)構(gòu)的焊接工藝參數(shù);厚壁容器同種鋼及異種鋼多層多道環(huán)焊縫應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的確定;熱交換器管板焊接接頭應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的確定;軸類(lèi)部件在復(fù)雜焊接熱循環(huán)條件下,焊接熱影響區(qū)與堆焊層的微觀組織與

21、性能;閃光焊與電阻焊焊接工藝參數(shù)(電流、電壓、頂鍛力、位移等的在線測(cè)量與模擬。2.2低合金高強(qiáng)鋼的焊接對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼的焊接,首先是解決由組織相變引起的脆化與氫致裂紋。近來(lái)提出了一個(gè)表征材料由氫引起脆化的強(qiáng)度總則,包括總則的使用方法,力學(xué)性能試驗(yàn)等。氫脆的主要作用是在塑性變形時(shí)氫在材料微觀裂紋中的行為。陰極局部析氫將導(dǎo)致材料中的微觀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^失穩(wěn)擴(kuò)張所需的平均應(yīng)力水平降低,以此作為評(píng)價(jià)氫脆的一個(gè)宏觀指標(biāo)。氫脆的最大影響因素是材料塑性變形時(shí)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的演變、晶界的性能、第二相粒子和非金屬夾雜物。位錯(cuò)遷移是塑性變形的主要機(jī)理,同時(shí)也是氫擴(kuò)散的有效途徑。非金屬夾雜物通常是變形過(guò)程中的裂紋源,在裂紋

22、尖端的脆性?shī)A雜物還會(huì)自身開(kāi)裂。焊縫金屬與熱影響區(qū)的氫還會(huì)降低亞顯微裂紋表面的比表面能,降低顯微裂紋擴(kuò)張脆斷所需的應(yīng)力。在氫的作用下,斷裂應(yīng)力的降低與比表面能的降低成正比。將氫擴(kuò)散引入焊縫金屬可以降低焊接接頭的冷裂紋敏感性,氫擴(kuò)散不同于其它結(jié)構(gòu)缺陷,如縮孔、固溶原子、位錯(cuò)、晶界、析出物、宏觀及微觀氣孔、非金屬夾雜物、第二相粒子等。加入稀土元素有利于防止氫脆,稀土化合物吸附氫,阻止了大量的氫在焊縫與熱影響區(qū)的高應(yīng)力區(qū)聚集。上述研究結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于焊條與燒結(jié)焊劑的開(kāi)發(fā),保證其擴(kuò)散氫含量達(dá)到超低氫的水平(1cm 3/100g ,圖15生物組織焊接的設(shè)備及儀器(a 高頻焊接設(shè)備(b 手術(shù)過(guò)程大大降低了焊接

23、預(yù)熱溫度。與此同時(shí),還開(kāi)發(fā)了一系列適合于厚壁結(jié)構(gòu)焊接用藥芯焊絲。低氫型焊接材料在船舶、鐵路車(chē)輛、重型金屬結(jié)構(gòu)及各種管線的焊接中具有重要意義。還開(kāi)發(fā)了一系列低合金高強(qiáng)鋼焊條,包括ANO-101和ANO-102焊條,合金體系分別為Si-Mn 和Si-Mn-Ni-Cu,適合于屈服強(qiáng)度為460MPa鋼的焊接;ANO-100焊條,合金體系為Si-Mn-Cr-Ni-Cu,適合于屈服強(qiáng)度為550MPa鋼的焊接;ANO-103焊條,合金體系為Si-Mn-Mo,適合于屈服強(qiáng)度為650MPa鋼的焊接。新開(kāi)發(fā)的低合金鋼燒結(jié)焊劑有:ANK-561焊劑,采用鋁堿型渣系,與Si-Mn-Ni合金焊絲匹配,適合于屈服強(qiáng)度為4

24、90MPa鋼的焊接;ANK-57焊劑,氟鋁堿型渣系,與Si-Mn-Ni-Mo-Ti合金焊絲匹配,適合于屈服強(qiáng)度為590MPa鋼的焊接。2.3電渣焊巴頓所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新一代絲極電渣焊接設(shè)備,其中AD381型為雙絲電渣焊設(shè)備,適合與3060mm厚板的現(xiàn)場(chǎng)電渣焊。Ash115M型適合于曲線型焊縫的電渣焊,最大焊接厚度可達(dá)200mm。AD381型已成功應(yīng)用于高爐及轉(zhuǎn)爐低合金鋼鑄件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)與焊接。電渣焊設(shè)備另一項(xiàng)研究成果是提高焊接速度兩倍以上,在提高效率的同時(shí),降低了焊接熱輸入,取消焊后正火熱處理?；驹硎峭ㄟ^(guò)合理連接母材與電極,改變電流的途徑來(lái)控制發(fā)熱區(qū)和渣以及熔融金屬的電磁攪拌特性。還研究開(kāi)發(fā)了大

25、截面的組合材料電極,用于大厚板的焊接及表面堆焊,它不需要復(fù)雜的焊接設(shè)備與特制焊絲,整個(gè)焊接參數(shù)可以預(yù)置,目前可焊厚度達(dá)到600mm。開(kāi)發(fā)了焊接電流、電壓與熔池高度的穩(wěn)定系統(tǒng),并獲得成功應(yīng)用。2.4高合金鋼的焊接航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)是現(xiàn)代交通的重要部件,提升其部件性能(有效功率、對(duì)環(huán)境的影響、使用壽命等涉及到設(shè)計(jì)、材料及工藝各個(gè)方面,世界各國(guó)作了大量的試驗(yàn)研究工作。目前的重點(diǎn)是如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)用具有特殊性能的先進(jìn)材料。巴頓所與烏克蘭的其它研究單位與企業(yè)共同合作,進(jìn)行了兩個(gè)方面的工作。一是研究開(kāi)發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的修復(fù)技術(shù),延長(zhǎng)其使用壽命;二是研究開(kāi)發(fā)全焊結(jié)構(gòu)的新一代燃?xì)廨啓C(jī)。延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)的

26、使用壽命主要是對(duì)燃燒嘴、葉片、燃燒室、密封件以及其它高耗部件的多次修復(fù)。聯(lián)合開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以修復(fù)幾乎所有的鎳基合金材料,包括含相達(dá)到70%的鎳基合金,如圖16所示。目前已經(jīng)掌握了定向多晶與單晶材料的現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù),并保證性能達(dá)到預(yù)期的水平。特殊的熱處理技術(shù)與現(xiàn)代功能涂層材料的結(jié)合使部件的使用壽命提高1.53倍。隨著焊接新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,制造全焊結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)成為可能,這些新技術(shù)包括微束等離子表面熔敷與噴涂,反應(yīng)擴(kuò)散釬焊,復(fù)合電火花熔敷等。巴頓所提出材料焊接性的新概念,認(rèn)為焊接性是材料的一種物理特性,而且能夠控制?；谶@種概念,開(kāi)發(fā)了新型焊接工藝,用于碟形或螺旋槳形的整體葉片的焊接,大幅度提高了使用

27、性能、延長(zhǎng)了使用壽命,如圖17和圖18所示。2.5鈦及鈦合金的焊接巴頓所目前主要為航天航空工程、化工機(jī)械及醫(yī)療器械等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)具有良好焊接性的新型鈦合金,已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了一種鈦合金T-110(Ti-5.5Al-1.2Mo-1.2V-4Nb-1.8Fe,它的強(qiáng)度不低于著名的VT22鈦合金,而且具有良好的電弧及電子束焊接性能。經(jīng)焊后熱處理,焊接接頭具有良好的塑性,強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度(1 100MPa的95%以上。在600MPa的載荷下,焊接接圖18螺旋槳型葉片(部分的焊接圖16鎳基超級(jí)合金葉片與噴嘴圖17碟型葉片的焊接頭的疲勞壽命達(dá)5106次循環(huán)。鈦合金的耐腐蝕性是最重要的特性之一,因此廣泛應(yīng)用于化工機(jī)

28、械。常用的鈦及其含鈀的鈦合金具有最好的耐蝕性,但其強(qiáng)度通常不超過(guò)500MPa。高強(qiáng)鈦合金的耐蝕性不及低強(qiáng)鈦合金的耐蝕性。試驗(yàn)研究表明,在不降低其耐蝕性的同時(shí),添加相的穩(wěn)定化元素,特別是添加Mo、V、Nb元素可以提高鈦合金的強(qiáng)度。Ti-4.5Al-2.5V-2.5Mo-3.5Nb-1.5Zr合金就是根據(jù)此研究成果開(kāi)發(fā)的一種鈦合金,其強(qiáng)度達(dá)到950MPa,幾乎是通用金屬鈦的兩倍。其抗應(yīng)力腐蝕性能不低于通用的金屬鈦。在用于鹵化物的鈦及鈦合金化工設(shè)備的焊接研究中,研究開(kāi)發(fā)了一系列新的焊接工藝方法,如埋弧自動(dòng)焊、電渣焊、A-TIG焊、窄間隙磁勵(lì)電弧焊。巴頓所還開(kāi)發(fā)了藥芯鈦合金焊絲及其鎢極氬弧焊工藝,可以

29、實(shí)現(xiàn)16mm板不開(kāi)坡口單道焊接。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了車(chē)間及現(xiàn)場(chǎng)使用的金屬鈦非熔化極機(jī)械化焊接工藝及裝備。目前還在研究電子束焊接中采用活化劑的焊接冶金行為。2.6復(fù)合材料、異種材料、硬質(zhì)材料的焊接異種材料及硬質(zhì)材料的焊接要求熱輸入高度集中于所要焊接區(qū)域,以減少對(duì)母材性能的影響,減少脆性金屬間化合物的形成。為了解決此類(lèi)材料的焊接問(wèn)題,采用電阻壓力焊時(shí),建議采用復(fù)合填充材料和活性劑。所選填充材料的成分與形狀能夠增加對(duì)接接頭的瞬時(shí)電阻,使焊接熱輸入高度集中。因此可以防止接頭硬化,使接頭的力學(xué)性能達(dá)到母材的性能。活性劑與填充材料同時(shí)加入,可以防止焊縫金屬中的氧化夾雜物,同時(shí)減少脆性金屬間化合物的形成,這種焊接方法

30、已經(jīng)應(yīng)用于Cu、Al彌散強(qiáng)化鋼及含W銅合金的焊接,如圖19所示。2.7爆炸焊對(duì)于爆炸焊,主要研究形成接頭的最小允許速度,研究結(jié)果主要應(yīng)用于對(duì)殘余塑性變形比較敏感并具有斷裂危險(xiǎn)的金屬結(jié)構(gòu)的部分載荷爆炸工藝。對(duì)異種材料結(jié)合強(qiáng)度與硬度的影響、表面粗糙度及機(jī)械加工的清潔度的影響也作了試驗(yàn)研究。針對(duì)高強(qiáng)鋁合金經(jīng)高速塑性變形后性能降低的問(wèn)題,進(jìn)行了表面化學(xué)處理工藝的優(yōu)化。研究結(jié)果表明,表面化學(xué)預(yù)處理后可以直接焊接,不需要塑性更好的中間層材料。圖20為典型的爆炸焊焊接性窗口,即碰撞角與碰撞點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系圖。巴頓所優(yōu)化了該窗口的下部,開(kāi)發(fā)了較低碰撞角的精密爆炸焊技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是電工與有色金屬行

31、業(yè),電工行業(yè)需要高度可靠,并承載大電流的雙金屬接觸器。還開(kāi)發(fā)了異材變截面管的連接(圖21,機(jī)械與冶金行業(yè)中大部件表面的爆炸復(fù)合涂層,以提高耐蝕性、耐磨性及耐熱性等。2.8釬焊巴頓所長(zhǎng)期致力于釬焊基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究,主要集中于硬質(zhì)材料的連接,如金屬間化合物、彌散強(qiáng)化的耐熱鎳基合金、薄壁以及多層結(jié)構(gòu)的釬焊。研究開(kāi)發(fā)了新型鎳基合金釬料,如Ni-Cr-Zr合金體系的釬料。與傳統(tǒng)的釬料相比,擴(kuò)大了釬焊的應(yīng)用領(lǐng)域,用于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的修復(fù)。研究開(kāi)發(fā)了金屬間化合物的釬焊材料與釬焊工藝,特別是針對(duì)-TiAl的釬焊,釬焊接頭的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度(700及持久強(qiáng)度接近母圖20爆炸焊焊接性窗口碰撞速度v c/(m

32、s-13000400020001000102030碰撞角(爆炸焊上邊界爆炸焊下邊界爆炸焊合理邊界低碰撞角精密爆炸焊的下邊界圖19銅-鎢合金接頭及其硬度分布(a接頭20015010050-50-100-150-200150020001000Cu W-Cu距離s/m顯微硬度(HV0.25MPa(b接頭硬度分布材的水平。為格板結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了真空釬焊材料及工藝裝備,典型的應(yīng)用有火箭方向舵真空釬焊。電弧釬焊為薄壁結(jié)構(gòu)的連接提供了良好前景,熱輸入大幅降低、無(wú)飛濺、無(wú)咬邊、良好的外觀成形都是電弧釬焊的突出優(yōu)點(diǎn),特別是其可以釬焊鍍鋅板,而不破壞鍍鋅層。鋁及其合金的釬焊具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景,活性反應(yīng)釬劑可以實(shí)現(xiàn)無(wú)

33、釬料的釬焊,為提高汽車(chē)等鋁合金散熱器的生產(chǎn)效率奠定了基礎(chǔ)。2.9保護(hù)涂層這一研究領(lǐng)域主要是各種耐磨、耐蝕、耐熱及生物活性涂層的制備,采用的方法有熱噴涂、擴(kuò)散、電火花合金化等。巴頓所研究開(kāi)發(fā)了一些特殊的設(shè)備與材料(粉末、藥芯焊絲及工藝。MPN-004型微弧等離子噴涂設(shè)備就具有尺寸小、重量輕(14kg 、噪音低(3050dB 、等離子束集中(15mm 的特點(diǎn),適合于多種涂層材料的噴涂,如金屬、合金、氧化物、碳化物等。微弧等離子噴涂已經(jīng)應(yīng)用于在各種假肢表面噴涂羥磷灰石類(lèi)生物活性涂層,如圖22所示。采用空氣超音速噴涂方法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)晶態(tài)涂層的制備,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了熱導(dǎo)率為1.52.0W/(m deg 的耐熱涂

34、層,為鋁合金內(nèi)燃機(jī)的制造奠定了基礎(chǔ)。還開(kāi)發(fā)了激光-電弧復(fù)合熱源的涂層制備技術(shù),它有可能將涂層成形與材料的氣相合成結(jié)合起來(lái),用于金剛石類(lèi)涂層的制備。3焊接結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)的安全使用在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中都有考慮,但對(duì)于一些重要結(jié)構(gòu),如橋梁、主管道、大型油氣儲(chǔ)罐等,為保證長(zhǎng)期安全使用,應(yīng)進(jìn)行周期性的安全檢查與評(píng)價(jià)工作,包括:(1監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力;(2診斷在各種載荷條件下,關(guān)鍵部位的缺陷情況、缺陷形狀、殘余應(yīng)力的水平,材料性能的變化;(3結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)程與承載能力的診斷結(jié)果,全面評(píng)價(jià)焊接結(jié)構(gòu)的安全性。在許多場(chǎng)合,焊接接頭通常是關(guān)鍵部位。巴頓所圍繞焊接結(jié)構(gòu),結(jié)合IIW 及API 推薦的基于斷裂力學(xué)

35、分析的焊接接頭設(shè)計(jì)做了大量的試驗(yàn)研究,典型工作是參加了烏克蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)帶缺陷在役主管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)的制訂。巴頓所在不同焊接接頭及其焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析方面做了大量工作,建立了焊接殘余應(yīng)力在焊接及焊后熱處理過(guò)程中形成的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)近表面殘余應(yīng)力測(cè)試得到了成功驗(yàn)證。這一分析方法已經(jīng)應(yīng)用于WWER-1000蒸發(fā)器與一回路管道的Dn850管接頭的焊接殘余應(yīng)力分析。圖23所示為殘余應(yīng)力分布的模擬計(jì)算數(shù)據(jù),表示環(huán)向應(yīng)力、zz 表示橫向應(yīng)力、rr 表示徑向應(yīng)力、rz 表示切向應(yīng)力。圖24表明,外表面測(cè)定的、zz 與模擬計(jì)算值具有很好的一致性。巴頓所還研究開(kāi)發(fā)了一種快速無(wú)損的應(yīng)力測(cè)量方法,其基本原理是

36、將高密度的脈沖電流輸入所要測(cè)量的部位,通過(guò)非接觸式的電子斑紋干涉測(cè)量法測(cè)定應(yīng)力釋放區(qū)的位移,進(jìn)而確定應(yīng)力的大小,圖21變截面管件接頭及其金相組織ab(a 椎骨關(guān)節(jié)(b 牙齒(c 陶瓷的假肢圖22表面微弧等離子噴涂生物陶瓷的支架(d 膝蓋關(guān)節(jié)如圖25所示,目前已經(jīng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出局部應(yīng)力的大小。巴頓所研究開(kāi)發(fā)的一種焊接結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)新技術(shù)是根據(jù)量子斷裂力學(xué)的原理,并結(jié)合材料性能的傳統(tǒng)指標(biāo)及變形過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)技術(shù),它可以在不間斷生產(chǎn)運(yùn)行的情況下,通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)整體監(jiān)測(cè)與掌控焊接結(jié)構(gòu)的性能,對(duì)已發(fā)現(xiàn)缺陷的危害性進(jìn)行自動(dòng)評(píng)定。上述評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用可對(duì)焊接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)100%的無(wú)損檢測(cè)與安全評(píng)估,包括確定斷裂載荷、結(jié)構(gòu)的殘余壽命等。在過(guò)去的十幾年中,已經(jīng)應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域的1000個(gè)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)與監(jiān)測(cè),包括電站工程、化工設(shè)備、輸氣管線、氨水管道等。當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是對(duì)結(jié)構(gòu)的連續(xù)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā),也就是可以在很長(zhǎng)