一些巨大的海上結構組件，例如風力渦輪機和石油鉆機等，在設計時就希望這些結構能夠承受住海洋環境帶來的無數挑戰。但是，隨著時間的推移，僅僅鹽水本身就可以顯著降低焊接結構的耐久性。

    Zhenzhen Yu教授（左）與Michael Joachim Andreassen教授使用美國能源部橡樹嶺國家實驗室里的中子分析技術來研究可能出現在海上水下風輪機內的殘余應力。

    圖片來源：美國能源部橡樹嶺國家實驗室

    這就是為什么來自丹麥工業大學的Michael Joachim Andreassen教授和來自科羅拉多礦業學院的Zhenzhen Yu教授正在使用美國能源部橡樹嶺國家實驗室里的中子分析技術來驗證一種更先進的高功率激光焊接技術。中子具有極強的穿透特性，甚至比X射線更為突出，并且該技術還可以以非破壞性的方式對幾乎所有的材料進行探測。

    橡樹嶺國家實驗室內高通量同位素反應堆中的中子殘余應力設備——來自美國能源部科學用戶設施部門——使研究人員能夠在原子尺度上研究其焊接質量。該小組的發現可能會加速一些更快，更具成本效益的生產技術的誕生，以及更強大，更持久的焊接技術的發展開發。

    “我們正在研究一些真正巨大的結構中的殘余應力，特別是超大型單樁固定式設備——例如支撐風力渦輪機水下基礎的巨大鋼筒。通過比較兩種不同的焊接方法，我們想看看建筑結構中所用鋼板內的殘余應力和厚度變化之間的關系”。丹麥技術大學的Michael Joachim Andreassen教授說道。

    一般而言，殘余應力是在施加的負載或壓力已經去除之后留在焊縫結構中的部分應力。在某些情況下，殘余應力會導致材料過早失效，如產生泄漏或裂縫等。它們可能會由多種因素引起，例如暴露于有害化學物質，溫度波動或由經常施加的負荷引起的金屬疲勞等。

    Andreassen教授說，用于構建單樁固定式設備的鋼板厚度一般可達130毫米。它們通常使用一種稱為埋弧焊的傳統技術焊接在一起，該技術使用電弧來熔化連接材料。焊件的熔接縫或熔池會經常地“浸沒”或覆蓋在用于支撐焊縫的多種化合物的粒狀焊劑中，并保護其免受大氣中的污染。

    埋弧焊的優點與缺點

    埋弧焊技術有很多優點：

    生產效率高：焊絲導電長度縮短，電流和電流密度提高，因此焊絲溶敷效率能夠大大提高；焊縫質量高：熔渣隔絕空氣的保護效果好，焊接參數可以通過自動調節保持穩定，對焊工技術水平要求不高，焊縫成分穩定，機械性能比較好；勞動條件好：除了減輕手工焊操作的勞動強度外，它沒有弧光輻射，這是埋弧焊的獨特優點。除此之外，該方法產生的火花，雜質和有毒氣體比一般的方法都要少。不過，據Andreassen說道，該技術也有一些實質性的不足。

    “利用這種技術做焊接，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費用，最后，您得到是一個巨大的凹槽結構，這些凹槽都具有大量的殘余應力。”他解釋說。自然地，殘余應力越大，焊接件越容易損壞，使用壽命就越短。

    “混合激光電弧焊接技術引入了一個更聚焦的熱源，使我們能夠有效減輕殘余應力，在海洋中，鹽水會產生嚴重的腐蝕，而且如果材料中的拉伸殘余應力程度高，則會發生更快的腐蝕，通過焊接區域傳播裂紋或裂縫的可能性也越大”。來自科羅拉多礦業學院的Zhenzhen Yu教授說道。

    中子技術提供了一個非常全面的圖像，能夠有效說明原子如何在焊縫深處起到相關作用，以此比較來自埋弧和混合激光電弧樣品中的殘余應力。中子測量揭示了殘余應力對不同厚度的所有變化（Andreassen和Yu教授將鋼板樣品尺寸從10毫米增加到20毫米，40毫米和60毫米）。

    Yu教授說：“我們喜歡這種研究的原因是因為它是唯一能夠穿透鋼板的技術，這使我們可以完整地了解殘余應力。我們將使用這些中子數據，并將其與Michael研究小組的模擬工作進行比較，我們可以將其直接應用于一些實際的結構中”。

    橡樹嶺國家實驗室內高通量同位素反應堆中的中子殘余應力設備是來自美國能源部科學用戶設施部門。該科學辦公室也是美國物理科學基礎研究的最大支持者，主要研究當前一些最緊迫的挑戰性課題。

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責任編輯：王元

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