一些巨大的海上结构组件，例如风力涡轮机和石油钻机等，在设计时就希望这些结构能够承受住海洋环境带来的无数挑战。但是，随着时间的推移，仅仅盐水本身就可以显着降低焊接结构的耐久性。

    Zhenzhen Yu教授（左）与Michael Joachim Andreassen教授使用美国能源部橡树岭国家实验室里的中子分析技术来研究可能出现在海上水下风轮机内的残余应力。

    图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室

    这就是为什么来自丹麦工业大学的Michael Joachim Andreassen教授和来自科罗拉多矿业学院的Zhenzhen Yu教授正在使用美国能源部橡树岭国家实验室里的中子分析技术来验证一种更先进的高功率激光焊接技术。中子具有极强的穿透特性，甚至比X射线更为突出，并且该技术还可以以非破坏性的方式对几乎所有的材料进行探测。

    橡树岭国家实验室内高通量同位素反应堆中的中子残余应力设备——来自美国能源部科学用户设施部门——使研究人员能够在原子尺度上研究其焊接质量。该小组的发现可能会加速一些更快，更具成本效益的生产技术的诞生，以及更强大，更持久的焊接技术的发展开发。

    “我们正在研究一些真正巨大的结构中的残余应力，特别是超大型单桩固定式设备——例如支撑风力涡轮机水下基础的巨大钢筒。通过比较两种不同的焊接方法，我们想看看建筑结构中所用钢板内的残余应力和厚度变化之间的关系”。丹麦技术大学的Michael Joachim Andreassen教授说道。

    一般而言，残余应力是在施加的负载或压力已经去除之后留在焊缝结构中的部分应力。在某些情况下，残余应力会导致材料过早失效，如产生泄漏或裂缝等。它们可能会由多种因素引起，例如暴露于有害化学物质，温度波动或由经常施加的负荷引起的金属疲劳等。

    Andreassen教授说，用于构建单桩固定式设备的钢板厚度一般可达130毫米。它们通常使用一种称为埋弧焊的传统技术焊接在一起，该技术使用电弧来熔化连接材料。焊件的熔接缝或熔池会经常地“浸没”或覆盖在用于支撑焊缝的多种化合物的粒状焊剂中，并保护其免受大气中的污染。

    埋弧焊的优点与缺点

    埋弧焊技术有很多优点：

    生产效率高：焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此焊丝溶敷效率能够大大提高；焊缝质量高：熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好；劳动条件好：除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。除此之外，该方法产生的火花，杂质和有毒气体比一般的方法都要少。不过，据Andreassen说道，该技术也有一些实质性的不足。

    “利用这种技术做焊接，你不得不去掉大量的材料，然后添加一些填充型材料。拆卸和添加材料都需要很多费用，最后，您得到是一个巨大的凹槽结构，这些凹槽都具有大量的残余应力。”他解释说。自然地，残余应力越大，焊接件越容易损坏，使用寿命就越短。

    “混合激光电弧焊接技术引入了一个更聚焦的热源，使我们能够有效减轻残余应力，在海洋中，盐水会产生严重的腐蚀，而且如果材料中的拉伸残余应力程度高，则会发生更快的腐蚀，通过焊接区域传播裂纹或裂缝的可能性也越大”。来自科罗拉多矿业学院的Zhenzhen Yu教授说道。

    中子技术提供了一个非常全面的图像，能够有效说明原子如何在焊缝深处起到相关作用，以此比较来自埋弧和混合激光电弧样品中的残余应力。中子测量揭示了残余应力对不同厚度的所有变化（Andreassen和Yu教授将钢板样品尺寸从10毫米增加到20毫米，40毫米和60毫米）。

    Yu教授说：“我们喜欢这种研究的原因是因为它是唯一能够穿透钢板的技术，这使我们可以完整地了解残余应力。我们将使用这些中子数据，并将其与Michael研究小组的模拟工作进行比较，我们可以将其直接应用于一些实际的结构中”。

    橡树岭国家实验室内高通量同位素反应堆中的中子残余应力设备是来自美国能源部科学用户设施部门。该科学办公室也是美国物理科学基础研究的最大支持者，主要研究当前一些最紧迫的挑战性课题。

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责任编辑：王元

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