焊接是现代工业基础制造技术。据美国焊接协会介绍，美国50％以上的产品与焊接产品的生产有关。可靠地焊接技术是工业生产的关键。 焊接结构中的残余应力和焊接变形严重影响焊接结构的性能和可靠性。与此同时，氢致裂纹（通常被称为HIC，氢脆或冷裂纹）是高强钢焊接的一大挑战。HIC可能导致焊接结构失效，造成数百万美元的损失。一个著名的例子是20世纪40年代美国建造的3艘自由号军舰，由于氢致裂纹的产生造成舰体的破损造成总损失约为600万美元（相当于2018年$ 102亿美元）。另一个著名的例子就是加州圣布鲁诺天然气管线爆炸，摧毁了38座房屋，损坏了120座房屋，直接造成8人死亡，直接的经济损失在几十亿美元。事故分析表明管线的爆炸是由于焊接氢致裂纹引起的，可见焊接质量的控制，尤其是消除氢致裂纹对于现代工业生产至关重要。常见的消除氢致裂纹的方法是进行焊前预热和焊后的热处理。但是对于大的工程结构件，预热非常困难，通常需要采用大型的加热设备，与此同时，工人的工作条件十分恶劣。

在焊接和增材制造（金属3D印刷）中的另一大挑战就是焊接变形问题。焊接过程中产生的局部加热和熔化导致在焊接区域产生残余应力进而产生局部变形。这种局部变形会影响整个焊接结构件的性能。通常需要花费大量的人力和物力进行预防变形或者进行变形矫正。因为金属增材制造同焊接有着共同的局部熔化凝固机理，高残余应力和变形的问题也存在于金属增材制造中。事实上，金属增材制造中残余应力和变形更为严重，因为整个增材制造结构是通过局部熔化工艺制造的。 每一层金属的添加都会造成残余应力和变形的积累。如图1所示的巨大的变形对精密增材制造来说是一个难题。

图1 焊接氢致裂纹造成重大事故

图2 对压力容器的焊后热处理  

图3 金属增材制造技术引起的变形

本项目开发出的高性能焊材就是解决上述的不需要预热消除氢致裂纹和减小焊接与增材制造变形的两大问题。

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针对装甲车用的高强钢，我们设计了特殊的祖坟，使得焊接材料在冷却的过程中在低温区产生马氏体相变在控制残余应力和焊接变形，并在室温时形成弥散的奥氏体颗粒来控制扩散氢的含量。对我们设计的焊材我们也进行了充分的实验验证。结果证明我们设计的焊材同普通焊材相比，在焊缝区域会产生压应力（图4）。

图4 在装甲钢焊缝中纵向残余应力分布图 （a）普通焊接材料在焊缝区域产生最高

600 MPa的拉应力（b）新型焊接材料ORNL Wire在焊缝区域产生450 MPa压应力

在对汽车用的高强钢薄板焊接中，实验表明本团队设计的焊接材料变形远远小于普通材料（图5）。

图5 左：汽车用高强度钢板与商用焊接材料（LA-100）焊接后产生很大的变形。右：与采用本团队研发的LTPT填充材料（HV1766）焊接变形最小

除了控制残余应力之外，本团队的焊接材料还会通过抑制氢从焊接区域扩散到热影响区域（HAZ）来控制氢致裂纹。焊接热影响区域通常是最容易产生氢致裂纹的区域。由于奥氏体具有高的氢溶解度和低氢扩散性，所以它起着吸氢剂的作用以防止或大大减少从电弧焊接吸收的氢的扩散。我们的焊接材料对残余应力和氢扩散的有效控制在消除氢致裂纹方面取得了显着的结果。在使用传统高强度填充材料（ER100）焊接时，MIL-DTL-12560和MIL-DTL-46100两种装甲钢都必须分别预热至100℃和150℃，以避免氢致裂纹。通过采用我们创新的焊接材料（HV1764和HV1766），两种装甲钢在不需要预热的情况下焊接而不会产生裂纹。结果如图6所示。

图6（a-传统焊丝在不预热的情况下产生氢致裂纹（b-本项目新型焊丝不预热的情况下不产生裂纹

对于民用应用，本团队的焊接材料已成功用于焊接用于长距离油气输送管道钢X100，图七表示我们的创新焊接材料在不采用任何的预热和焊后热处理的情况下，不产生裂纹，同时多层焊的焊缝强度高于母材。而传统的ER120填充金属需要最低125℃的预热并且强度远远低于母材强度。在避免氢致裂纹的基础上，本团队的焊接材料在多道次焊接中显示出优异的显微组织和强度稳定性，传统焊接填充材料的强度往往显着降低。本团队的创新焊接材料可以应用于各种国防和民用的高强钢焊接当中。

图7 右图：本团队新的LTPT焊接材料在X100级高强度钢管道的多道焊接中表现出优异的微观结构稳定性和强度保持能力。为了比较，左边的传统ER120填充金属显示出明显的强度降低。

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