焊接结构与增材制造结构高可靠性研究

编者按：随着我国产业不断向高端爬升，制造业与焊接相关的大型结构面临着超高温、超高频振动、高荷载、高温腐蚀、超低温、高温辐照、高温临氢等极端条件的考验，该文针对焊接结构和增材制造结构面临的极端条件下的可靠性问题，较为全面地论述了相关的技术基础理论。

 

焊接结构与增材制造结构高可靠性研究

     天津大学材料科学与工程学院

          赵雷  徐连勇

焊接结构是采用焊接工艺实现各零部件之间连接的结构，在船舶、桥梁、车辆、压力容器、油气管道、飞行器、工程机械等领域中大量应用。随着现代工业科技发展，焊接结构正在向大型化、高参数、长寿命发展，如大飞机、航天空间站、深海油气装备、高效清洁火电、核电、石化压力容器、高铁等，面临高温、疲劳、腐蚀、严寒、辐照等复杂恶劣的服役环境条件，长寿命高可靠性成为现代装备对焊接结构的必然要求。焊接接头因特有的材料、组织、性能不均匀性使其成为焊接结构可靠性的薄弱环节，且接头中不可避免的焊接残余应力和焊接缺陷也加剧了薄弱性．因此，通过焊接结构的设计、成形制造，获得满足其设计寿命的服役性能，并在结构服役期间实现准确的剩余寿命预测，成为现代工业发展的迫切需求，也一直是学术界和工业界共同面临的命题。随着装备向大型化、高参数化、新材料化、长寿命化发展，对焊接结构的性能要求也越来越高，对焊接结构的设计及其可靠性评估提出了新的要求。另一方面，大型金属增材制造结构件的可靠性问题及评价方法的不完善严重制约着增材制造技术的应用和推广，迫切需要开展金属构件打印过程中、制造完成后和使用过程中质量控制、检测和评价方法研究。

1、极端复杂环境下焊接构件寿命预测理论

第四代超高温核电、新一代超高参数火电机组、可重复使用航天器、超马赫飞行航空设备、深海探测设备、高温制氢设备和储氢管道等为代表的我国高端装备未来将进入飞速发展期，面临超高温、超高频振动、高温腐蚀介质、超低温、高温辐照等极端复杂服役环境，对焊接接头可靠性提出了严苛要求。相比传统工况下，极端复杂服役环境下焊接接头失效模式和断裂机理完全不同，尤其是焊接接头易发生加速劣化。然而，极端复杂环境下焊接接头损伤模式、损伤评定方法、寿命评价方法缺失，已无法满足我国极端复杂环境下高端装备的自主设计、制造和安全评估需求。

1) 极端复杂环境下焊接接头性能衰减规律及寿命设计方法

极端复杂环境下焊接接头性能退化与损伤演变机理；极端复杂环境下交互损伤表征方法和评价方法；极端复杂环境下焊接接头性能退化微试样测试技术和理论体系；焊接接头长寿命预测理论；极端复杂环境下焊接接头寿命设计方法。

      

1) 极端复杂环境下极大/极小焊接构件应力与变形调控方法与理论

极大/极小焊接构件高效、高精度焊接残余应力与变形计算方法与理论；极大/极小焊接构件残余应力与变形控制理论与方法；极大焊接构件残余应力数据驱动计算理论；极大/极小焊接构件局部热处理损伤机理与调控理论；极端复杂环境下焊接构件残余应力演变规律。

2) 极端复杂环境下含缺陷焊接结构寿命精准评估理论和抗断设计方法

极端复杂环境下含缺陷焊接结构的统一拘束参量；极端复杂环境下缺陷与微观组织劣化相互作用机理；极端复杂环境下缺陷与残余应力相互作用机理和模型；纳入拘束和复杂环境交互影响的焊接结构寿命精准评估理论；极端复杂环境下焊接结构抗断设计方法。

   

2、多材料复杂焊接构件的多尺度疲劳强度设计理论

基于S-N曲线的焊接结构疲劳设计方法，仅考虑厚度变化引起的焊接接头疲劳性能降低，无法反映多材料复杂焊接构件尺度、形式、材料、服役载荷、缺陷、残余应力等变化对疲劳性能和寿命的影响规律，因此需要建立多材料复杂焊接结构的疲劳强度设计与寿命预测理论。焊接结构制造过程易存在低于无损探伤精度的小缺陷或短裂纹，但短裂纹扩展行为与长裂纹完全不同，即使低于长裂纹扩展的门槛值，短裂纹仍会扩展；短裂纹扩展过程中塑性区不能忽略，需要建立短裂纹裂纹扩展预测方法。

1) 纳入尺度和载荷效应的多材料复杂焊接构件疲劳寿命评价方法

多尺度下多材料复杂焊接结构疲劳性能测试方法与测试理论；多尺度下多材料焊接结构疲劳性能演变规律；焊接结构疲劳性能演变多尺度计算方法；焊接结构疲劳寿命复杂载荷效应的影响规律与表征方法；多尺度、复杂载荷的多材料焊接构件疲劳寿命预测方法。

    

1) 基于数据驱动的多材料复杂焊接构件的疲劳强度评价方法

多材料复杂焊接构件疲劳强度数据库的建立和筛选的方法与原理；多材料复杂焊接构件疲劳强度特征值筛选方法与原理；基于有限数据的焊接构件疲劳强度预测方法；基于多智能算法耦合的多材料焊接构件疲劳强度评价方法。

     

1) 多材料复杂焊接结构疲劳裂纹生长机理和寿命预测方法

多材料复杂焊接结构疲劳裂纹萌生机理与调控因素；多材料复杂焊接结构短裂纹扩展机理与评价方法；尺度与材料变化对焊接结构裂纹生长影响定量表征研究；多材料复杂焊接结构疲劳裂纹寿命预测方法。

3、增材制造构件的性能评价与寿命预测理论

增材制造构件有利于缩短关键核心部件的研制周期和成本，提高其综合性能。增材制造过程中存在非平衡动态凝固，使其具有严重的组织和性能的各向异性，同时易引起残余应力过大而导致畸变；易产生气孔、未熔合等制造缺陷，使得承载单轴应力部件的内部也是多轴应力状态，目前对增材制造结构性能评价与考核方法以及结构完整性评估方法缺失，直接移植金属材料的性能评价和完整性评价体系，尚未考虑增材制造构件自身的组织、性能以及缺陷特点对性能和完整性的影响，无法满足新一代增材制造装备的设计和制造需求。

1) 增材制造构件缺陷和残余应力对性能影响机制与性能评价方法

增材制造构件残余应力与变形调控理论与方法；增材制造构件缺陷和残余应力对使役性能影响规律；增材制造构件冶金特点对使役性能的影响机制；增材制造构件特点对使役性能的影响规律。

      

 

2) 极端复杂环境下增材制造构件的寿命预测理论

极端复杂环境下增材制造构件缺陷、残余应力与变形演变机制；缺陷、残余应力与变形演变对增材制造构件寿命定量影响表征方法。 

    

 

4、高温临氢环境下的焊接结构氢致损伤机理以及评价方法

世界能源结构向低碳化转变，新的用能技术和方式不断涌现，能源技术革命成果正在不断挑战传统能源的基础和主导地位。国家发改委在《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》指出，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是未来产业的重点发展对象。氢能因具有单位质量能量高、可大规模压缩存储和零碳排放等优点，与可再生能源相结合形成的“氢电耦合”能源技术路线是解决可再生能源有效利用问题的重要手段。掺氢/纯氢燃料燃气轮机发电机组可将波动性强、间歇性大的新能源发电转化为稳定的氢能发电，有效降低了新能源发电对电网的冲击，为新能源发电的高效利用探索了新模式。

作为最小的原子，氢具有极强的渗透扩散性，氢气的引入对燃气轮机典型部件材料在氢环境下力学性能和服役安全性提出了更高的要求。在高温临氢环境下燃气轮机热端部件会产生高温氢腐蚀和氢损伤。高温驱动作用将加速氢的渗透，破坏金属健，降低金属结合力以及引起局部塑性变形行为，加速部件的氢损伤累积。此外，启停机和调峰运行时不均匀的温度分布以及运行过程转动部件高速旋转速率的变化，在转子、喷嘴、复环和透平叶片内部引起较大疲劳载荷，致使高温蠕变-疲劳是燃气轮机热端部件的主要失效形式。尽管国内外学者对金属氢致损伤进行了大量的研究，但目前对于高温临氢环境下的氢损伤以及耦合蠕变-疲劳的损伤机制仍未有明确的答案。