1、焊接烏克蘭巴頓電焊研究所在焊接工藝及相關領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、電弧與復合熱源、電渣焊技術、生物組織的焊接、數學模擬、爆炸焊、焊接材料、保護涂層、無損檢測與診斷、焊接結構服役壽命等技術領域取得的新成果。關鍵詞:氣相沉積技術單晶制備電弧與復合熱源中圖分類號:TG440前言烏克蘭巴頓電焊研究所(以下簡稱巴頓所已有70多年的歷史,在焊接及相關領域是世界上最大的研究機構。它將基礎理論研究與工程應用緊密結合,創造了許多重大科

2、技成果。文中重點介紹巴頓所在近年來的研究開發成果與應用情況。1新技術、新工藝1.1氣相沉積技術當前,采用高速真空電子束實現無機材料的單晶、納米及微結構的氣相沉積技術取得了很大的進展。作為功能或結構涂層,可以實現薄片、薄板(12m到510mm結構形式的金屬、金屬陶瓷及陶瓷涂層。非常值得關注是采用高速真空電子束氣相沉積技術可以制備出成分與組織梯度變化的復合材料,簡稱可編程控制材料,如圖1所示。復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,保證在連續汽化與冷凝過程中可以在基體上形成成分與組織為梯度變化的復合層。這項復合工藝技術包括主體材料的汽化和

3、離子化,并添加一些無機或有機的材料,在冷凝過程中與主體材料相互作用,形成復合材料。根據材料與工藝的不同,相互作用可以是化學反應,伴隨有反應產物從冷凝表面脫落。這種表面處理技術可在很廣泛的范圍內控制冷凝組織,如圖2所示。氣相沉積技術與材料的主要應用是各種汽輪機葉片,氧化物燃料電池保護涂層,材料加工工具的超硬表面的涂層,在絲、帶、網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(如特殊的光學性能,電特性,磁性等的材料及涂層。目前的試驗研究結構表明,對于金剛石類材料,采用高速真空電子束氣相沉積技術,可以制備納米碳管以及類似金剛石結構的材料。1.2電子束冶煉技術此項技術的發展方

4、向是使用比較便宜的原材料(如海綿鈦進行鈦合金錠或中間產品的電子束重熔,目前巴頓所的鈦合金研發與生產中心的年生產能力達到1500t。值得一提的是采用此項技術冶煉了VT6鈦合金錠坯,組織結構為細等軸晶。通過模擬合金元素的蒸發過程,掌握了鋁蒸發量對電子束加熱功率與熔化速度的影響,當電子束功率小于120kW、熔化速度不小于200kg/h時,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。在試驗研究中,建立B.E.Paton杜兵焊接了VT6鈦合金錠成形過程的三維傳熱模型,包括溫度梯度、熔融金屬的冷卻與凝固結晶過程,該模型的精確度與可信度得到了驗證。在電子束加熱功率為90kW,熔化速度為20

5、0kg/h的優化工藝參數下,對150mm (厚950mm(寬2000mm(長的VT6鈦合金坯進行了金相組織分析,整個橫截面全部為細等軸晶組織,如圖4所示。巴頓所采用電子束熔煉技術為造船廠提供了厚度達到200250mm的PT-3V鈦合金板坯,與傳統技術相比,屈服強度提高了10%,生產成本降低了20%。另外,在電子束冷爐膛冶煉技術領域,巴頓所在世界上首先開發了海綿鈦電子束冶煉工藝與裝備,生產了高質量的復雜鈦合金錠,用于大直徑管的空心錠,其中電子束表面處理技術成功代替了機械加工工藝。1.3厚板的電子束焊接在厚板的電子束焊接中,首先對液態金屬在大熔深蒸氣通道中的振蕩頻率進行了理論與試驗研究。研究發現,

6、汽化金屬以毛細吸附的形式對蒸氣通道內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波,其一次諧波的特征是頻率最低,而幅度最大,對蒸氣通道幾何尺寸的穩定性和在中、底部形成各種焊接缺陷具有決定性作用。基于上述研究結果,對于大熔深的焊接,通過傾斜對接,即電子束與水平面形成1012的傾角來增加蒸氣通道的穩定性。在有傾角的情況下,熔池的形狀及熔化金屬的擾動形式發生了變化,即由單純的毛細吸附波(垂直通道轉變為毛細吸附-重力復合。具有一定傾角的蒸氣通道將導致諧波擾動頻率最低,使熔化金屬在熔池前部的擾動幅度降低,增強整個焊接過程的穩定性。另一個可以增加大熔深穩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家論壇Expert Forum 焊接部的電子數量,它對提高蒸氣通道的穩定性也具有積極影響。巴頓所已經掌握了大熔深電子束焊時,采用大功率電子束掃描的最佳頻率。上述研究結果為大飛機用高強度鋁合金的電子束焊接奠定了基礎,焊接厚度可達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應用的產物。在核能與航天工程領域,許多項目要依靠高溫金屬的研究開發與技術進步,對于難熔金屬的單晶化處理,由于其熔點很高,在過去的很多年中無法實現。巴頓所研究開發的等離子感應單晶帶狀生長法使難熔金屬的單晶化處理得到根本解決。這一方法對構件的尺寸、形

8、狀(環形、方形、板、管等沒有限制。如圖6所示,等離子與感應加熱的聯合可使熔池金屬在電磁場的作用下不接觸冷卻銅套,這對于制備大尺寸與超大尺寸(20mm 140mm 170mm ,甚至更大的單晶來講是非常具有挑戰性的。隨著單晶尺寸的增大,其應用領域更加廣泛。如具有特殊形狀的大尺寸定向鎢、鉬單晶將為進一步軋制難熔金屬制品提供良好的基礎。1.5采用電渣工藝生產復合材料部件采用電渣工藝生產復合材料部件,包括多層電渣、雙金屬電渣,還包括電渣復合(ESC 、電渣焊接(ESW 、電渣重熔(ESR ,這些工藝應用廣泛,效率高。近年來,巴頓所開發了液態金屬電渣復合(ESC LM 技術,雙電源電渣重熔技術(ESR

9、DC ,改進了雙金屬部件的質量,如雙金屬軋輥、雙金屬鋼筋、電弧爐的鋼-銅電極等。在電渣復合工藝中,最關鍵的是將復合層的化學成分變化控制在最小的范圍,即控制電渣過程的稀釋率變化。對電渣復合輥化學成分均勻性分析表明,液態金屬電渣復合軋輥的化學成分沿縱向及橫截面具有良好的均勻性。研究結果表明,液態金屬電渣復合(ESCLM 技術比傳統的復合技術有很多優越性。這項技術可使復合部件的外徑大大增加,復合層的厚度可以根據用戶的要求確定,可以在20100mm 、甚至更厚的范圍內選擇。液態金屬電渣復合(ESC LM 技術具有非常高的效率,是傳統復合技術的10倍,根據部件尺寸與材料的不同,其熔敷速率可達200800

10、kg/h 。巴頓所與NKMZ 公司共同開發了世界上第一臺大型液態金屬電渣復合設備,其設計能力為:軋輥直徑為1000mm 、 長為2500mm 。重量達20t ,如圖7所示。已經獲得了生產高鉻復合層寬板連鑄輥的經驗,檢驗表明,與早期的標準鑄鐵輥相比,耐磨性能提高23倍。采用液態金屬電渣復合技術與特殊設計的成型模具,實現了雙金屬堆焊過程中金屬熔渣與金屬均勻轉動,使金屬熔池的溫度與化學成分更加均勻,基體材料的熔化也非常均勻,保證復合層符合原先的設計。采用液態金屬電渣復合技術成功制造了直徑為350mm 、表面圖5空客380翼板的電子束焊接圖6等離子感應制備超大單晶金屬示意圖專家論壇 Expert Fo

11、rum 圖7液態金屬電渣復合軋輥(直徑740mm焊接復合316L 奧氏體不銹鋼的鋼錠,并軋制成直徑為16mm 的復合鋼筋,母材為20GS 低碳鋼,如圖8所示。金相檢驗表明,在異種鋼結合界面沒有任何缺陷(層狀裂紋、其它裂紋、夾渣等。鋼-銅雙金屬電極廣泛應用于現代直流電弧爐,在冶煉過程中,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,所有測量儀器于銅體連接。這種電極的可靠性與使用效率主要取決與銅-鋼的連接質量。巴頓所開發生產的鋼-銅電極技術是基于在成型模中的雙電源電渣工藝(ESR DC ,可以實現熔池深度與形狀的同時變化,因此,許多關鍵問題得到很好解決,如過渡區強度低的問題、異種鋼結

12、合界面的質量問題。采用此技術可以生產整體鋼-銅電極,最大直徑達到350mm 、最大長度達到1300mm ,如圖9所示。宏觀及微觀的檢驗表明,結合區具有很好的冶金結合質量,滿足直流電弧爐對電極質量的特殊要求,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展,其中連續閃光焊的一個新變化是脈沖閃光焊,已經在主要工業國家獲得專利。這一方法降低焊接時間一倍(圖11,同時降低了對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會,還可應用于高強鋼、合金鋼及異種鋼的焊接。特別是為鋼軌的連接開發了新工藝,并得到良好應用。其中由焊接尺寸誤差帶

13、來的問題被焊接鋼軌的張力控制所彌補,焊接主要工藝參數由計算機輔助自動控制,還開發了與鋼軌張力無關的圖9直流電弧爐鋼-銅復合電極圖10!350mm 鋼-銅復合電極熔合區金相組織320圖8!16mm 雙金屬鋼筋及彎曲試樣專家論壇Expert Forum圖11R65鋼軌閃光焊主要工藝參數壓力焊接電流焊接電壓位移22820418013613210884603612130390650910L /m m(a 連續閃光焊(b 脈沖閃光焊時間t /s12366084108132位移焊接電壓焊接電流壓力648210p /M P a焊接焊接參數預置系統,以及根據環境溫度預置鋼軌應力水平的控制系統。帶張力控制系統的

14、K922型焊接設備已經研制成功,實現了新工藝與新的控制技術。對于脈沖閃光焊,還開發了大截面鋼坯(20000mm 2的閃光焊新工藝,研制了K1003型焊接設備,如圖12所示。 磁激電弧對焊(MIAB 工藝也取得了實質性進展,大大擴大了應用范圍,MIAB 焊管技術已經可以實現直徑219mm 、壁厚12mm 管子的焊接,傳統的磁激電弧對焊工藝只能焊接直徑小于100m m 、壁厚小于6m m 的管子,磁激電弧對焊工藝還實現了!32mm 鋼筋的焊接。1.7復合工藝近幾年來,復合工藝的發展非常快,復合焊接方法在巴頓所也得到快速發展。目前的主要研究方向是激光與熔化極電弧焊的復合,激光與等離子的復合,如圖13

15、所示,主要研究開發的內容包括鋼、鋁合金的激光-電弧復合焊,鋼表面的復合堆焊與合金化處理,同時也開展了厚板的激光-熔化極電弧焊復合焊接工藝,如圖13a 所示,在3kW 激光功率的條件下,34層可以實現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 。對于2mm 鋁合金板,采用復合焊接工藝,焊接速度可以達到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 ,而同樣功率的復合焊接熱源焊接速度可達60m/h 。速度的提高就

16、是電弧與激光的復合效應所造成的(激光與電弧相互作用增加了復合工藝的穩定性。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合強度、如圖14a 所示。采用復合工藝還不需要對基體材料做涂前處理,而采用微弧等離子噴涂時需要做涂前處理。類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行合金化硬化處理,可以減少在役過程網狀裂紋的形成,炮筒表面的強化就是一個例證。試驗研究表明,在45mm 厚鋼板的激光-電弧復合熱源焊接中,1kW 的熔化極電弧焊功率相當于1kW圖12K1

17、003型大型閃光對焊機(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 ,保護氣體為CO 2,焊接4道圖13激光-電弧復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 ,保護氣體為Ar 。專家論壇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 的電弧功率相當于0.5kW 的激光功率。1.8動物與人體軟組織的焊接動物與人體軟組織的焊接是巴頓所科研工作的一個新領域。高頻電流止血是通過封閉血管防止外科手術時出血,這是很早就知道的事了。巴頓所開辟了采用高頻焊接動物與人體軟組織與器官的新領域,它不需要線與金屬固定支架,縮短了患者的麻醉時間,減少了出血,減輕了患者的疼痛,將傷口的感染降到最低。這項連接技術類似于金屬材料和有些高分子材料的電阻焊,但其連接機理是截然不同的。通過高頻電流加熱軟組織,使蛋白質變性,加速其熱分子運動,形成多胚乳空間,并在冷卻過程中形成接頭,冷卻過程中也伴隨著蛋白質變性,即組織的恢

19、復。但在焊接過程結束時,蛋白質組織并不能完全恢復,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程中經受的最高溫度和時間。因為不可逆變性是不希望發生的,因此,焊接的溫度與時間必須控制在很窄的范圍內,焊接設備要求具有閉環的自動化控制系統,如圖15a 所示。目前,已經完成了手術設備樣機的設計制造,不僅可以用于焊接,還可以用于軟組織的止血與熱切割。這些設備已經在烏克蘭的幾家醫院用于臨床試驗,而且用于日常手術,有效地用于普通外科手術、婦科手術、腫瘤手術、耳鼻喉手術、肝臟、肺及其它器官的手術,如圖15b 所示。巴頓所將把此項技術作為最重要的現代醫療技術之一來繼續深入研究開發。2工藝與材料的提升2

20、.1數學模擬對于焊接工藝的研究主要集中于典型物理化學過程與現象的數學模擬,這些物理化學過程決定了焊接質量。計算機的工程化應用為焊接復雜模型的建立與多參數、各種現象的相互作用分析提供了手段。另外,數學模型的計算機處理也擴大了使用范圍,不僅用于科學研究,而且用于工程開發與工程問題解決。在工藝與材料領域,一個主要方向是圍繞實際焊接中的典型問題進行信息-計算系統的開發,主要包括弧焊工藝方法的選擇、焊接材料的匹配、特定焊接結構的焊接工藝參數;厚壁容器同種鋼及異種鋼多層多道環焊縫應力-應變狀態的確定;熱交換器管板焊接接頭應力-應變狀態的確定;軸類部件在復雜焊接熱循環條件下,焊接熱影響區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(電流、電壓、頂鍛力、位移等的在線測量與模擬。2.2低合金高強鋼的焊接對于低合金高強鋼的焊接,首先是解決由組織相變引起的脆化與氫致裂紋。近來提出了一個表征材料由氫引起脆化的強度總則,包括總則的使用方法,力學性能試驗等。氫脆的主要作用是在塑性變形時氫在材料微觀裂紋中的行為。陰極局部析氫將導致材料中的微觀裂紋轉變為宏觀失穩擴張所需的平均應力水平降低,以此作為評價氫脆的一個宏觀指標。氫脆的最大影響因素是材料塑性變形時位錯結構的演變、晶界的性能、第二相粒子和非金屬夾雜物。位錯遷移是塑性變形的主要機理,同時也是氫擴散的有效途徑。非金屬夾雜物通常是變形過程中的裂紋源,在裂紋

22、尖端的脆性夾雜物還會自身開裂。焊縫金屬與熱影響區的氫還會降低亞顯微裂紋表面的比表面能,降低顯微裂紋擴張脆斷所需的應力。在氫的作用下,斷裂應力的降低與比表面能的降低成正比。將氫擴散引入焊縫金屬可以降低焊接接頭的冷裂紋敏感性,氫擴散不同于其它結構缺陷,如縮孔、固溶原子、位錯、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的高應力區聚集。上述研究結果已經應用于焊條與燒結焊劑的開發,保證其擴散氫含量達到超低氫的水平(1cm 3/100g ,圖15生物組織焊接的設備及儀器(a 高頻焊接設備(b 手術過程大大降低了焊接

23、預熱溫度。與此同時,還開發了一系列適合于厚壁結構焊接用藥芯焊絲。低氫型焊接材料在船舶、鐵路車輛、重型金屬結構及各種管線的焊接中具有重要意義。還開發了一系列低合金高強鋼焊條,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,適合于屈服強度為650MPa鋼的焊接。新開發的低合金鋼燒結焊劑有: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,適合于屈服強度為590MPa鋼的焊接。2.3電渣焊巴頓所設計開發了新一代絲極電渣焊接設備,其中AD381型為雙絲電渣焊設備,適合與3060mm厚板的現場電渣焊。Ash115M型適合于曲線型焊縫的電渣焊,最大焊接厚度可達200mm。AD381型已成功應用于高爐及轉爐低合金鋼鑄件的現場修復與焊接。電渣焊設備另一項研究成果是提高焊接速度兩倍以上,在提高效率的同時,降低了焊接熱輸入,取消焊后正火熱處理。基本原理是通過合理連接母材與電極,改變電流的途徑來控制發熱區和渣以及熔融金屬的電磁攪拌特性。還研究開發了大

25、截面的組合材料電極,用于大厚板的焊接及表面堆焊,它不需要復雜的焊接設備與特制焊絲,整個焊接參數可以預置,目前可焊厚度達到600mm。開發了焊接電流、電壓與熔池高度的穩定系統,并獲得成功應用。2.4高合金鋼的焊接航空發動機及燃氣輪機是現代交通的重要部件,提升其部件性能(有效功率、對環境的影響、使用壽命等涉及到設計、材料及工藝各個方面,世界各國作了大量的試驗研究工作。目前的重點是如何根據設計要求應用具有特殊性能的先進材料。巴頓所與烏克蘭的其它研究單位與企業共同合作,進行了兩個方面的工作。一是研究開發航空發動機及燃氣輪機的修復技術,延長其使用壽命;二是研究開發全焊結構的新一代燃氣輪機。延長燃氣輪機的

26、使用壽命主要是對燃燒嘴、葉片、燃燒室、密封件以及其它高耗部件的多次修復。聯合開發的技術可以修復幾乎所有的鎳基合金材料,包括含相達到70%的鎳基合金,如圖16所示。目前已經掌握了定向多晶與單晶材料的現場焊接技術,并保證性能達到預期的水平。特殊的熱處理技術與現代功能涂層材料的結合使部件的使用壽命提高1.53倍。隨著焊接新技術的開發應用,制造全焊結構的燃氣輪機成為可能,這些新技術包括微束等離子表面熔敷與噴涂,反應擴散釬焊,復合電火花熔敷等。巴頓所提出材料焊接性的新概念,認為焊接性是材料的一種物理特性,而且能夠控制。基于這種概念,開發了新型焊接工藝,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、化工機械及醫療器械等領域開發具有良好焊接性的新型鈦合金,已經成功開發了一種鈦合金T-110(Ti-5.5Al-1.2Mo-1.2V-4Nb-1.8Fe,它的強度不低于著名的VT22鈦合金,而且具有良好的電弧及電子束焊接性能。經焊后熱處理,焊接接頭具有良好的塑性,強度達到母材強度(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鎳基超級合金葉片與噴嘴圖17碟型葉片的焊接頭的疲勞壽命達5106次循環。鈦合金的耐腐蝕性是最重要的特性之一,因此廣泛應用于化工機

28、械。常用的鈦及其含鈀的鈦合金具有最好的耐蝕性,但其強度通常不超過500MPa。高強鈦合金的耐蝕性不及低強鈦合金的耐蝕性。試驗研究表明,在不降低其耐蝕性的同時,添加相的穩定化元素,特別是添加Mo、V、Nb元素可以提高鈦合金的強度。Ti-4.5Al-2.5V-2.5Mo-3.5Nb-1.5Zr合金就是根據此研究成果開發的一種鈦合金,其強度達到950MPa,幾乎是通用金屬鈦的兩倍。其抗應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備的焊接研究中,研究開發了一系列新的焊接工藝方法,如埋弧自動焊、電渣焊、A-TIG焊、窄間隙磁勵電弧焊。巴頓所還開發了藥芯鈦合金焊絲及其鎢極氬弧焊工藝,可以

29、實現16mm板不開坡口單道焊接。已經開發了車間及現場使用的金屬鈦非熔化極機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復合材料、異種材料、硬質材料的焊接異種材料及硬質材料的焊接要求熱輸入高度集中于所要焊接區域,以減少對母材性能的影響,減少脆性金屬間化合物的形成。為了解決此類材料的焊接問題,采用電阻壓力焊時,建議采用復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接接頭的瞬時電阻,使焊接熱輸入高度集中。因此可以防止接頭硬化,使接頭的力學性能達到母材的性能。活性劑與填充材料同時加入,可以防止焊縫金屬中的氧化夾雜物,同時減少脆性金屬間化合物的形成,這種焊接方法

30、已經應用于Cu、Al彌散強化鋼及含W銅合金的焊接,如圖19所示。2.7爆炸焊對于爆炸焊,主要研究形成接頭的最小允許速度,研究結果主要應用于對殘余塑性變形比較敏感并具有斷裂危險的金屬結構的部分載荷爆炸工藝。對異種材料結合強度與硬度的影響、表面粗糙度及機械加工的清潔度的影響也作了試驗研究。針對高強鋁合金經高速塑性變形后性能降低的問題,進行了表面化學處理工藝的優化。研究結果表明,表面化學預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,即碰撞角與碰撞點移動速度的關系圖。巴頓所優化了該窗口的下部,開發了較低碰撞角的精密爆炸焊技術。這項技術的主要應用領域是電工與有色金屬行

31、業,電工行業需要高度可靠,并承載大電流的雙金屬接觸器。還開發了異材變截面管的連接(圖21,機械與冶金行業中大部件表面的爆炸復合涂層,以提高耐蝕性、耐磨性及耐熱性等。2.8釬焊巴頓所長期致力于釬焊基礎理論和應用技術的研究,主要集中于硬質材料的連接,如金屬間化合物、彌散強化的耐熱鎳基合金、薄壁以及多層結構的釬焊。研究開發了新型鎳基合金釬料,如Ni-Cr-Zr合金體系的釬料。與傳統的釬料相比,擴大了釬焊的應用領域,用于現代發動機的修復。研究開發了金屬間化合物的釬焊材料與釬焊工藝,特別是針對-TiAl的釬焊,釬焊接頭的室溫強度、高溫強度(700及持久強度接近母圖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。為格板結構開發了真空釬焊材料及工藝裝備,典型的應用有火箭方向舵真空釬焊。電弧釬焊為薄壁結構的連接提供了良好前景,熱輸入大幅降低、無飛濺、無咬邊、良好的外觀成形都是電弧釬焊的突出優點,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應用前景,活性反應釬劑可以實現無

33、釬料的釬焊,為提高汽車等鋁合金散熱器的生產效率奠定了基礎。2.9保護涂層這一研究領域主要是各種耐磨、耐蝕、耐熱及生物活性涂層的制備,采用的方法有熱噴涂、擴散、電火花合金化等。巴頓所研究開發了一些特殊的設備與材料(粉末、藥芯焊絲及工藝。MPN-004型微弧等離子噴涂設備就具有尺寸小、重量輕(14kg 、噪音低(3050dB 、等離子束集中(15mm 的特點,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應用于在各種假肢表面噴涂羥磷灰石類生物活性涂層,如圖22所示。采用空氣超音速噴涂方法可以實現準晶態涂層的制備,已經開發了熱導率為1.52.0W/(m deg 的耐熱涂

34、層,為鋁合金內燃機的制造奠定了基礎。還開發了激光-電弧復合熱源的涂層制備技術,它有可能將涂層成形與材料的氣相合成結合起來,用于金剛石類涂層的制備。3焊接結構的安全評定焊接結構的安全使用在設計與制造過程中都有考慮,但對于一些重要結構,如橋梁、主管道、大型油氣儲罐等,為保證長期安全使用,應進行周期性的安全檢查與評價工作,包括:(1監測結構的實際承載能力;(2診斷在各種載荷條件下,關鍵部位的缺陷情況、缺陷形狀、殘余應力的水平,材料性能的變化;(3結合設計規程與承載能力的診斷結果,全面評價焊接結構的安全性。在許多場合,焊接接頭通常是關鍵部位。巴頓所圍繞焊接結構,結合IIW 及API 推薦的基于斷裂力學

35、分析的焊接接頭設計做了大量的試驗研究,典型工作是參加了烏克蘭國家標準帶缺陷在役主管道的強度設計的制訂。巴頓所在不同焊接接頭及其焊接結構的殘余應力分析方面做了大量工作,建立了焊接殘余應力在焊接及焊后熱處理過程中形成的動力學數學模型,并通過近表面殘余應力測試得到了成功驗證。這一分析方法已經應用于WWER-1000蒸發器與一回路管道的Dn850管接頭的焊接殘余應力分析。圖23所示為殘余應力分布的模擬計算數據,表示環向應力、zz 表示橫向應力、rr 表示徑向應力、rz 表示切向應力。圖24表明,外表面測定的、zz 與模擬計算值具有很好的一致性。巴頓所還研究開發了一種快速無損的應力測量方法,其基本原理是

36、將高密度的脈沖電流輸入所要測量的部位,通過非接觸式的電子斑紋干涉測量法測定應力釋放區的位移,進而確定應力的大小,圖21變截面管件接頭及其金相組織ab(a 椎骨關節(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 膝蓋關節如圖25所示,目前已經可以通過計算機系統自動計算出局部應力的大小。巴頓所研究開發的一種焊接結構性能評價新技術是根據量子斷裂力學的原理,并結合材料性能的傳統指標及變形過程中的聲發射參數的綜合評價技術,它可以在不間斷生產運行的情況下,通過聲發射技術整體監測與掌控焊接結構的性能,對已發現缺陷的危害性進行自動評定。上述評價技術的應用可對焊接結構實現100%的無損檢測與安全評估,包括確定斷裂載荷、結構的殘余壽命等。在過去的十幾年中,已經應用于許多工業領域的1000個結構檢驗與監測,包括電站工程、化工設備、輸氣管線、氨水管道等。當前面臨的挑戰是對結構的連續監控與診斷系統的研究開發,也就是可以在很長