極端條件下焊接技術的研究進展

龍偉民，井培堯，秦 建

1. 鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

2. 中機智能裝備創(chuàng)新研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700

0 前言

焊接是結構材料進行有效連接的重要方式，是現(xiàn)代工業(yè)中應用最廣泛的連接技術之一，其在汽車制造、機械制造、橋梁工程、建筑工程、海洋船舶、能源等領域都扮演著重要的角色[1-2]。但在實際應用中，焊接結構往往需要承受各種極端條件的考驗，例如高溫、低溫、腐蝕、磨損、真空等服役或制備環(huán)境，以及大型件、薄壁件等極端材料尺寸。這些極端條件會直接影響焊接結構的性能和壽命。為了保證焊接結構的性能和質(zhì)量，已有大量研究人員對極端條件下的焊接工藝、焊接結構性能、后處理方法等進行了深入探討。

本文旨在對近年來極端條件下鋼鐵材料焊接技術的研究情況進行梳理，主要圍繞極端服役環(huán)境、焊接環(huán)境、材料結構等方面進行探討。首先，介紹了極端服役環(huán)境對鋼鐵材料焊接的影響，包括環(huán)境溫度、腐蝕、磨損、真空等方面；其次，探討了極端材料結構尺寸對焊接技術的影響，包括大型結構件和薄壁件的焊接技術；總結現(xiàn)有研究成果，探討未來的研究方向和發(fā)展趨勢。通過對文獻的歸納和分析，可以更好地了解當前焊接技術面臨的挑戰(zhàn)和機遇，并為相關領域的研究提供一定參考和借鑒。

1 極端服役環(huán)境對焊接的影響

1.1 環(huán)境溫度對焊接結構的影響

極端低溫會導致金屬的延展性喪失和脆化，其臨界點稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在低溫條件下，金屬材料通常更易產(chǎn)生由沖擊帶來的斷裂，但機械拉伸強度會有一定增強。極端高溫條件下金屬材料會出現(xiàn)蠕變和弛豫的現(xiàn)象，蠕變是指，即使低于材料的屈服強度，材料由于持續(xù)的機械應力而緩慢且永久地變形；弛豫是指，即使最初負載在其屈服強度以下，當材料暴露于固定應變時，通過將部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃味尫艖?。因此，任何金屬材料在服役階段涉及極端低溫或高溫時，都必須在設計階段考慮以特定的金屬或組合方式來削弱極端環(huán)境溫度帶來的負面影響。焊接結構也不例外，其內(nèi)部應力以及焊縫中的裂紋缺陷在極端環(huán)境溫度下會產(chǎn)生更顯著的負面效應。

1.1.1 低溫環(huán)境對焊接結構的影響

交通基礎設施的快速發(fā)展促使中國寒區(qū)和重寒地區(qū)越來越多地建設焊接鋼橋。其低溫環(huán)境對焊接疲勞細節(jié)提出了額外的挑戰(zhàn)[3]。當在低溫條件下進行焊接時，由于環(huán)境溫度較低，焊接熱影響區(qū)與母材之間的溫度梯度會增大，這會導致熱影響區(qū)冷卻速度加快[4]。如果冷卻速度過快，焊縫和熱影響區(qū)就會出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織、內(nèi)部應力和焊接裂縫，這些問題都會影響焊接接頭的質(zhì)量，不僅會影響焊縫相變過程，還會影響焊縫的力學性能。通常溫度降低會提高結構鋼的屈服率和極限抗拉強度，增強其抗疲勞裂紋擴展能力，但降低其沖擊韌性和斷裂韌性[5-6]。

針對上述現(xiàn)象，許多學者已經(jīng)進行了相應的研究。Stephens[7]等研究表明，焊接接頭的低溫疲勞性能對應力集中更加敏感。廖小偉[8]等研究了低溫環(huán)境下鋼橋焊接細節(jié)的疲勞行為和性能，結果表明，十字形非傳力角焊縫接頭提升了鋼材抵抗疲勞裂紋的能力，在室溫和-60 °C條件下該細節(jié)的試驗SN疲勞壽命沒有表現(xiàn)出明顯區(qū)別。Shul'ginov[9]等研究證明，低溫條件下，低合金鋼對接焊接頭正弦載荷下疲勞強度增大，沖擊載荷下疲勞強度減小。Liao[10]等對Q345qD橋梁鋼基材及其對接焊縫進行了低溫疲勞裂紋擴展研究，實驗結果如圖1所示，隨著環(huán)境溫度的降低，基體中的裂紋擴展速率減小，而對接焊縫中的裂紋擴展速率增大?；w的疲勞裂紋擴展閾值隨溫度的降低而增加?；w材料疲勞時的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于斷裂時的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而焊縫金屬表現(xiàn)出相反的趨勢。但也提出假設，在進一步降低溫度，特別是提高應力比的條件下，焊縫金屬的抗疲勞裂紋擴展能力可能會不如母材。Jeong[11]等研究表明，F(xiàn)e15Mn鋼對接焊接頭在-163 ℃條件下比在室溫條件下表現(xiàn)出更強的抗疲勞性能。基于上述有限的研究，對于低溫條件下的焊接接頭，特別是橋梁鋼對接焊接頭的疲勞行為存在爭議。

圖1 不同溫度下母材與焊縫金屬疲勞裂紋擴展速率的比較[10]Fig.1 Comparison of fatigue crack growth rate of base metal and weld metal at different temperatures[10]

1.1.2 高溫環(huán)境對焊接結構的影響

眾所周知，金屬材料在高溫服役條件下的力學性能惡化，會對剛性結構的安全構成嚴重威脅。這在航空航天、能源和交通等行業(yè)是一個重要問題，這些行業(yè)的材料必須承受極端的熱負荷[12-13]。焊接接頭是剛性結構中的重要組成部分，其機械性能直接關系到整個結構的強度和穩(wěn)定性[14]。然而，在高溫服役環(huán)境下，由于材料的熱膨脹和高溫氧化等因素，焊接接頭的力學性能會發(fā)生退化，如強度降低、韌性下降等，嚴重威脅剛體結構的安全性[15]。因此，在高溫環(huán)境下焊接接頭的研究和評估是一個非常重要的課題。

近年來，研究人員通過理論計算、實驗測試等多種方法探究了高溫焊接接頭的機械性能變化規(guī)律，并提出了一系列提高接頭高溫力學性能的方法[16-17]。Guo[18-19]等通過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境溫度會對焊縫金相組織的形成和焊接接頭的承載能力產(chǎn)生重要影響。具體而言，隨著溫度的升高，對接焊縫的抗拉強度、屈服強度和彈性模量整體上逐漸降低。尤其是在400 ℃以上時，焊縫的彈性模量和極限強度急劇下降，到800 ℃時，對接焊縫的屈服強度、彈性模量和極限強度不到常溫時的10%。如圖2 所示，在20～300 ℃時，對接焊縫的破壞主要發(fā)生在母材段；而在400～700 ℃時，斷裂位置由母材區(qū)向焊接熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移，高溫下熱影響區(qū)的力學性能劣化比母材更為嚴重。張玉波[20]等對Q345鋼焊接結構高溫環(huán)境下的拉伸形變進行了表征，發(fā)現(xiàn)高溫下焊接材料強度有所降低而塑性增強，高溫下拉伸的應力應變曲線硬化階段出現(xiàn)同屈服階段類似的鋸齒波動。賈興志[21]等人發(fā)現(xiàn)，試驗溫度大于300 ℃后焊縫中的斷裂位置向熱影響區(qū)移動，HAZ對高溫較為敏感，500 ℃左右該區(qū)域金相組織開始發(fā)生相變，更加容易發(fā)生斷裂，在工程應用中應引起重視。費江河[22]通過對HR3C鋼在高溫環(huán)境下的焊接工藝方法進行優(yōu)化改進，顯著消除了因環(huán)境溫度、管材溫度造成焊接接頭根部接頭的氧化缺陷問題，大大提高了產(chǎn)品的合格率。

圖2 不同溫度下焊縫的失效模式[18]Fig.2 Failure modes of welds at different temperatures[18]

焊接接頭高溫材性退化是由于焊縫及熱影響區(qū)金相組織及化學成分發(fā)生變化[23]。賈興志[24]研究發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下焊接接頭熱影響區(qū)的部分區(qū)域出現(xiàn)了魏氏組織，并且晶界析出相的數(shù)量逐漸增多，同時尺寸也變得更大。如圖3所示，隨著溫度的升高，焊縫的微觀組織發(fā)生了變化。在室溫和較低溫度下，焊縫區(qū)由鐵素體和索氏體組成，但隨著溫度的升高，馬氏體開始出現(xiàn)，并在800 ℃下轉(zhuǎn)化為奧氏體。此外，伴隨析出物的數(shù)量增加，基體的碎化程度也變得更加嚴重。李新梅[25]等發(fā)現(xiàn)經(jīng)長期高溫運行后，X20CrMoV12.1 鋼焊縫金屬的微觀組織仍然呈現(xiàn)出板條狀馬氏體結構。但是，焊縫組織出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象，馬氏體也因分解而碎化，析出相的數(shù)量增加并且尺寸增大。綜上所述，在高溫環(huán)境下，焊接區(qū)域的力學性能與母材存在顯著差異。因此，在進行實際工程應用中，必須合理地考慮焊縫區(qū)域的力學性能降低程度，以確保設計和評估結果的有效性。

圖3 不同溫度影響下對接焊縫熱影響區(qū)及焊縫金相組織[24]Fig.3 Metallographic structure of HAZ and FZ of butt welds subjected to different temperatures[24]

1.2 腐蝕對焊接結構的影響

鋼材的力學性能與結構的耐久性以及安全性密切相關。然而，鋼材遭受腐蝕后，其力學性能將顯著降低，引發(fā)多種次生效應，從而對結構的耐久性和安全性造成嚴重危害[26]。因此，保護鋼材免受腐蝕的侵害，成為維護結構長期穩(wěn)定運行的重要手段。但鋼材的腐蝕效應并不是均勻發(fā)生的，由于服役環(huán)境的多變與復雜性，隨機伴生的蝕坑會導致應力集中，劣化結構的腐蝕疲勞性能[27-28]。焊接是鋼結構連接的主要方式之一，已有研究表明，腐蝕環(huán)境可導致焊接節(jié)點初始缺陷加劇、疲勞極限降低，并加速裂紋萌生與擴展，同時裂紋萌生與擴展也將破壞既有銹層的穩(wěn)定性，削弱其腐蝕遲滯效應[29-30]。焊接接頭的耐腐蝕性與多種因素相關，主要包括鋼的化學成分、焊接工藝以及焊后熱處理三部分。

1.2.1 鋼的化學成分

鋼的化學成分對焊接接頭的耐蝕性具有重要影響。譚華[31]發(fā)現(xiàn)Creq/Nieq值是雙相不銹鋼焊接性能的決定性因素。當Creq/Nieq值較小時，HT-HAZ的鐵素體比例降低，CPT 值下降程度減小，焊接前后母材的CPT值變化幅度減小，從而使得雙相不銹鋼的耐點蝕性能降低程度減小。Song[32]等研究了不同合金成分的低合金高強鋼（HSAL）焊縫金屬在大氣和海洋環(huán)境下的耐腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)980 MPa 的HSAL 焊縫金屬的腐蝕和自腐蝕電流最低，在兩種腐蝕環(huán)境下均表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

1.2.2 焊接方法

焊接方法對焊接接頭的腐蝕性能有顯著影響。以HAZ 鐵素體相比例為例，王治宇[33]等研究發(fā)現(xiàn)，焊條電弧焊（SMAW）、保護氣電弧焊（TIG）和埋弧焊（SAW）焊接接頭中HAZ鐵素體相比例相似，均為55%～60%。然而，由于TIG 焊縫累積熱輸入較大，導致鐵素體平均晶粒尺寸比SAW 焊縫大。此外，TIG 和SAW 接頭的耐點腐蝕能力相當，但SMAW接頭因氧含量較高而表現(xiàn)較差。近年來，為了提高焊接效率和保證質(zhì)量，大量研究者開展了特種焊接技術的研究，如攪拌摩擦焊（FSW）、激光焊（LBW）、電子束焊（EBW）和等離子弧焊（PAW）等[34]。這些技術具有很多優(yōu)點，例如FSW具有能耗低、污染小、焊接質(zhì)量好等特點，可以避免傳統(tǒng)熔化焊易使焊接接頭出現(xiàn)焊縫區(qū)組織粗大和HAZ 鐵素體含量高等問題[35]。LBW的熱輸入非常小，焊縫狹窄且鐵素體含量極高，沒有明顯的HAZ，因此具有較高的耐均勻腐蝕性能，但耐點蝕性能相對較差[36]。Zhang[37]等人的研究發(fā)現(xiàn)，2205 鋼EBW 焊縫的奧氏體含量不到5%，但含有大量Cr2N沿鐵素體晶界析出，導致焊接接頭的耐點蝕性能顯著低于母材。PAW 的焊縫較寬，HAZ 范圍大，HAZ 寬度超過600 μm，且鐵素體含量也較高，其耐點蝕性能較差，熔合線附近HAZ的鐵素體是易發(fā)生點蝕的部位[31]。

1.2.3 焊后熱處理

焊后熱處理是提高鋼鐵材料耐腐蝕性能的重要手段，其中包括固溶處理和時效處理兩種方法。固溶處理通過元素擴散和鐵素體奧氏體之間的相轉(zhuǎn)變，可以改善元素分布和相比例，從而提高鋼鐵材料的耐腐蝕性能。以2205 鋼半自動TIG 焊接頭為例，Kim[38]等的研究表明，在1 050 ℃的固溶處理條件下，可以使熱影響區(qū)中的σ相重新溶解并消除，從而恢復相比例并提高鈍化膜的穩(wěn)定性。另外，石巨巖[39]等的研究表明，在1 020～1 070 ℃的固溶溫度下，2205鋼焊縫的兩相比例約為1∶1；而在920 ℃和970 ℃的固溶溫度下，則會有σ 相析出。雖然固溶處理可以提高接頭的耐腐蝕性能，但對于大型構件的焊接接頭如何進行固溶處理仍然是需要研究的問題。因此，需要深入研究固溶處理的影響因素和條件，以便為工程構件的固溶處理提供更加準確、實用的方法和建議。

時效處理主要用于消除焊接殘余應力以改善接頭的力學性能。Zhang[40]等研究了不同溫度下焊后熱處理焊接結構組織演變和抗點蝕性能的影響。如圖4所示，熱處理促進了奧氏體的形成和Cr2N的溶解，消除了樹枝晶偏析，從而提高了焊接接頭的耐腐蝕性能。最佳溫度范圍為1 050～1 110 ℃。當前的研究主要關注時效處理對接頭耐蝕性的影響，特別是在析出相方面，而較少有關于低溫時效對接頭耐蝕性的報道。除組織結構外，焊接應力也是影響焊接接頭耐腐蝕性的重要因素[41]。為提高接頭的抗腐蝕性能，采用適當?shù)牡蜏貢r效處理方法可以消除或部分消除焊接應力，而不改變接頭組織結構。

圖4 Cr2N引起α/α晶界晶間腐蝕（IGC）和點蝕的形貌[42]Fig.4 IGC morphology caused by the intergranular Cr2N at α/α boundary and the pitting corrosion morphology caused by the intergranular Cr2N[42]

1.3 磨損對焊接結構的影響

在長期的使用過程中，焊接結構的材料表面會因摩擦、磨損和腐蝕等因素而逐漸發(fā)生變化[43]，這些變化可能會對焊接的質(zhì)量和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此了解磨損對焊接的影響具有重要的工程意義。磨損會導致焊接接頭表面的形狀和粗糙度發(fā)生變化，從而影響焊接接頭的密封性和承載能力[44]。同時，磨損還會對焊接接頭的化學成分和組織結構產(chǎn)生影響，可能導致焊縫的脆性增加或強度降低。因此，研究磨損對焊接的影響是金屬材料焊接工藝研究中一個重要方向，也是提高接頭質(zhì)量和延長使用壽命的必要措施。

張軍[45]等在TC4 鈦合金基體上釬焊了WC 耐磨層，其磨損形式為磨粒磨損與黏著磨損。王嘉羽[46]對熱處理后焊接接頭進行了硬度檢測與摩擦磨損試驗，結果表明硬度與耐磨性均有顯著提高。尤家玉[47]等針對鋁青銅材料展開濕法激光焊接試驗，并對焊縫進行了摩擦磨損試驗，焊縫摩擦磨損失效機制為磨粒磨損和輕微粘著磨損，并伴隨氧化磨損，整體而言其耐磨性優(yōu)于基體。李利[48]通過調(diào)整Creq和Nieq研制了三種組成成分的藥芯焊絲用于異種鋼焊接，接頭力學性能研究結果表明，在相同測試條件下，超聲沖擊后接頭的拉伸性能、表面顯微硬度及摩擦磨損性能均得到了明顯提高，相應的磨損機制也發(fā)生了變化。超聲沖擊異種鋼接頭性能強化的原因與接頭表層形成的納米晶結構和形變誘發(fā)馬氏體a'-Fe 等因素有關。向鵬程[49]等旨在分析焊接接頭在淬火和正火處理后，不同區(qū)域的硬度和微觀組織。結果表明，焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織存在明顯差異。母材區(qū)的微觀組織呈現(xiàn)片層狀珠光體，焊縫區(qū)為珠光體與先共析鐵素體，且正火處理后鐵素體含量較高。熱影響區(qū)淬火處理后呈現(xiàn)粒狀珠光體，而正火處理后存在少量片層狀珠光體。在焊接接頭不同區(qū)域的硬度測試中，母材區(qū)的硬度值最高，其次是淬火焊縫區(qū)，正火焊縫區(qū)和正火熱影響區(qū)的硬度值相對較低，淬火熱影響區(qū)的硬度最低。為了進一步優(yōu)化焊接接頭的質(zhì)量和性能，未來的研究可以探究不同處理方式對焊接接頭材料性能的影響，以及如何選擇合適的處理方法及外場輔助方式來提高其力學性能。

1.4 真空環(huán)境下焊接對材料的影響

真空環(huán)境下的焊接是近年來備受關注的焊接技術之一。真空焊接技術包括真空激光焊、真空釬焊和真空擴散焊等，通過在真空環(huán)境下進行焊接，可以有效地減少氧化、夾雜等焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量和可靠性，具有廣泛的應用前景。

為了提高高功率激光焊接的質(zhì)量，國內(nèi)外學者已經(jīng)研究了很多解決方法，如使用外場輔助、擺動光束焊接、優(yōu)化保護氣體，以及采用激光-電弧復合等方法。然而，這些方法的效果都有限。真空環(huán)境能夠抑制羽輝，提高激光能量利用率，增加焊縫熔深，增強焊接過程的穩(wěn)定性，改善焊縫成形，減少工藝氣孔等缺陷[50-53]。此外，真空環(huán)境還能提高焊縫的保護效果。因此，真空激光焊接是解決高功率激光焊接應用瓶頸的有效手段。此外，真空激光焊接對真空度的要求較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)局部負壓焊接，在一定程度上擺脫了真空度和真空倉對焊接過程的限制。孟圣昊[54]等在大氣與真空環(huán)境下對TC4鈦合金進行了激光焊接，結果表明，二者的焊縫組織特征差別不大，但真空環(huán)境下的焊縫成形更加良好，熱影響區(qū)明顯減小。張國濱[55]等發(fā)現(xiàn)降低環(huán)境壓力可顯著增加激光焊接熔透深度，因此焊接相同熔透深度時，真空環(huán)境下激光焊接所需熱輸入量較低，焊后殘余應力的峰值和變形程度均顯著小于大氣環(huán)境。Jiang[56]等發(fā)現(xiàn)壓力對激光焊接熔池形狀、熔池大小和焊縫流動模式有顯著影響。如圖5 所示，在真空條件下，等離子體羽輝抑制和沸點降低引起的換熱變化導致焊孔變深、熔池變薄，進而導致后熔池流體向上流動。而在這種向上流動的幫助下，氣泡更加容易從焊池中逸出，從而減少了真空激光焊接中的氣孔缺陷。

圖5 不同環(huán)境壓力下焊接鋁合金試樣的氣孔分布的三維透明重建[56]Fig.5 3D reconstructed transparent images of porosity distribution in all the aluminum alloy samples welded under various ambient pressures[56]

真空釬焊技術從20 世紀40 年代開始至今，已成為一種極有發(fā)展前途的焊接技術。Liu[57]等研究了真空釬焊下釬焊溫度和時間對釬焊接頭組織和抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)提高釬焊溫度和時間有利于消除降低釬焊接頭性能的金屬間化合物。釬焊接頭的抗剪強度隨釬焊溫度的升高先增大后減小，隨保溫時間的延長而增大。楊浩哲[58]等成功實現(xiàn)了TA2 商業(yè)純鈦的真空釬焊連接，并測試了其力學性能。結果表明，釬焊接頭室溫抗剪強度為322 MPa。此外，硬度值隨著距離釬縫中心的距離增大而增大，釬縫中心共析組織的硬度值為307 HV，比母材的硬度值高出2倍以上。Gao[59]等研究了多種表面預處理方法對AlSi50 合金真空釬焊接頭性能的影響。經(jīng)鍍鎳預處理后，釬焊接頭的力學性能最佳，這是因為AlSi50表面的鎳板能與釬料相互作用，提高了釬焊接頭的力學性能。

真空擴散焊是一種高精度的現(xiàn)代化焊接技術。該技術在高溫和高壓條件下，使兩種表面潔凈的金屬焊接表面相互接觸，然后通過一定時間的加熱和保溫使得接觸點之間的距離達到原子間距，從而使原子和分子在界面上相互擴散并形成化學鍵，最終實現(xiàn)金屬的連接[60]。值得一提的是，該焊接技術不會導致待焊金屬發(fā)生宏觀塑性變形。Liu[61]等采用無夾層真空擴散鍵合方法連接TC4 鈦合金與Ni80Cr20 合金。由于Ni 的擴散速率高于Ti，導致Ni 元素在界面上偏析，在Ni80Cr20 側附近形成貧Ni 區(qū)，并產(chǎn)生一些柯肯達爾空洞，累積的柯肯達爾空洞是微裂紋沿界面萌生和擴展的源。Yan[62]等研究了焊接溫度對擴散焊接頭組織及相應力學性能的影響，當加工溫度為1 050 ℃時，接頭的平均抗拉強度最高可達241 MPa，斷裂模式為韌性脆性。

2 極端材料結構對焊接技術的影響

2.1 大型結構件的焊接技術

大型結構件的自重和尺寸都很大，其焊縫分布非常復雜，這使得焊接變形是一個極其復雜的過程[63-64]。范興海[65]等通過引進自動焊接設備，制訂焊接新工藝，完成了雙行車吊運的焊接工作，結果達到相應等級標準。Jiang[66]等提出了一種針對大型壓力容器的獨特溫度調(diào)節(jié)方法，用于消除帶鋼復合焊焊后的殘余應力，發(fā)現(xiàn)堆焊層的拉應力可以降低為壓應力，堆焊層的抗應力腐蝕開裂能力大大提高。

大型焊接結構在工程機械、海洋船舶、橋梁工程、軌道交通等領域都得到了廣泛應用，但其存在的疲勞可靠性問題對于裝備的安全運行以及人民的生命安全都具有重要影響。（1）工程機械領域。挖掘機、起重機、裝載機、推土機等較為普遍的機械，其工作裝置為大型鋼板焊接結構，在服役時會受到復雜的沖擊載荷導致焊接接頭的趾部和喉部破壞。賈法勇[67]使用名義應力法對龍門起重機進行了疲勞壽命評估，從疲勞壽命分布圖得出疲勞薄弱點位于柔性腿上部。龐利葉[68]等采用熱點應力法對液壓挖掘機的斗桿結構進行了疲勞壽命評估，得出的疲勞薄弱點與臺架試驗基本一致。（2）熱點應力法常用于研究海洋船舶領域的焊接結構疲勞問題。王甲畏[69]等采用熱點應力法對海洋平臺的局部焊接結構進行了疲勞壽命評估，計算結果雖然與試驗值接近，但數(shù)據(jù)量較少存在一定偶然性。朱海山[70]等在綜合考慮了焊接方法、接頭類型、應力、板厚等多個因素的情況下，對海洋平臺進行了疲勞壽命預測，預測結果的平均誤差不超過5%。（3）橋梁工程的焊接結構十分復雜，常見的焊接結構有鋼管混凝土焊接管節(jié)點和用于大跨度橋梁的鑄鋼環(huán)形對接焊接接頭。吳慶雄[71]等研究了鋼管混凝土K形節(jié)點足尺模型的疲勞性能，其得到的S-N曲線具有一定的精度，為該類的疲勞節(jié)點提供了一定依據(jù)。衛(wèi)澤眾[72]等基于外推缺口應力法，研究了鑄鋼焊接接頭內(nèi)環(huán)對接焊縫的疲勞壽命評估，結果表明，外推缺口應力法可以有效簡化有效缺口應力的計算過程，準確評估鑄鋼焊接接頭環(huán)面對接焊縫的疲勞壽命。（4）軌道交通領域焊接結構疲勞問題的研究主要集中在兩個方面，一是轉(zhuǎn)向架焊接構架的疲勞問題；二是軌道機車車體焊接結構的疲勞問題。楊孟珂[73]等和王峰[74]等分別對上述兩種焊接結構進行了疲勞預測，并通過試驗驗證了計算結果的準確性。

2.2 薄壁結構的焊接技術

薄壁是復雜功能件中較為常見的結構之一，但近年來為滿足航天航空、汽車制造以及生物醫(yī)學領域應用而設計的輕質(zhì)薄壁件常常具有較為極端的尺寸，通常其厚度為1～10 mm 甚至更小，壁厚與輪廓尺寸比小于1∶20[75]。薄壁結構在焊接過程中易產(chǎn)生變形應力，從而影響焊接質(zhì)量。為了克服這些困難，需要采用特殊的焊接方法和工藝控制，以確保焊接質(zhì)量和性能的達標。（1）在焊接方法方面。周陸琪[76]等采用CMT 電弧增材制造了鋁合金單道多層薄壁件，發(fā)現(xiàn)隨著電流升高，薄壁構件力學性能逐漸降低。郎旭杰[77]等同樣采用CMT 電弧增材制造了鋁合金單道多層薄壁件，并通過超聲輔助對其進行了優(yōu)化。結果發(fā)現(xiàn)，超聲輔助后薄壁體的晶粒尺寸細化了46.2%，x和z方向抗拉強度均有所提高。李寧[78]等采用脈沖鎢極氬弧焊（P-TIG）對壁厚2 mm 的0Cr18Ni9 薄壁鋼管進行焊接，得到了最佳的焊接工藝參數(shù)。陳勇[79]等采用TIG 和激光焊兩種方式對壁厚1 mm 的304 不銹鋼薄壁管件實施縱縫焊接，對比發(fā)現(xiàn)激光焊接試樣的變形程度更低，綜合性能更好。Li[80]等對鈦合金薄板進行了激光焊接試驗和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)薄板厚度對焊縫偏差的影響最大，薄板引起的較低冷卻速率使其的溫度梯度增大，從而顯著增加激光束吸收率，熔池向較薄板傾斜。數(shù)值模擬溫度梯度與試驗結果充分匹配。（2）在應力變形方面，常用有限元分析預測其數(shù)值。趙海燕[81]等應用局部-整體法對3 種不同焊接方案下的薄壁變形量進行了對比分析，并確認環(huán)縫四段焊為最優(yōu)焊接方案。董文超[82]等計算了大型薄壁鋼板結構的焊接變形，通過改變結構件焊接順序，結構件的最大變形量減小75%。Dhingra[83]等提出了一種連續(xù)耦合熱應力分析方法，用于模擬薄壁焊接結構的溫度和變形分布。對于3 mm 和3.35 mm厚的薄壁件，其變形預測值和實驗溫度分布與畸變值之間有很好的相關性；但對于1.5 mm 厚的板，變形預測值和實驗值之間不存在相關性?？梢钥闯?，焊接結構與外部約束的耦合效應都極大地影響結構的最終變形狀態(tài)。

3 總結與展望

隨著工程應用對材料之間連接的要求不斷提升，在各類極端條件下的焊接技術成為當前焊接領域的重點研究方向之一。文中從多個部分綜述了各類極端條件下焊接技術的發(fā)展情況以及面臨的技術難題。同時，對研究重點作以下幾點展望：

（1）環(huán)境溫度會顯著改變焊接結構的性能與使用壽命。低溫環(huán)境下金屬會發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，在金屬材料低溫應力疲勞壽命和裂紋擴展行為中起到了關鍵作用，但有關的研究成果太少，有待進一步的研究探討。高溫環(huán)境的影響機制更為復雜，對焊接頭的要求更為苛刻，目前研究人員對于如何通過調(diào)整焊接工藝或材料成分消除高溫環(huán)境下各類焊縫力學性能變壞情況的負面影響做出了一定的研究成果，但將來會有更高溫度范圍的使用條件，其對焊接提出了更高的要求，需要繼續(xù)研發(fā)新的焊接方法和工藝。

（2）在很多焊接情況下熱影響區(qū)與焊縫的組織成分是有明顯區(qū)別的，但在焊接接頭耐蝕性研究及測試評價中，很少有研究將熱影響區(qū)與焊縫分開測試評估；同時自然環(huán)境下的焊接接頭腐蝕情況數(shù)據(jù)較少，有待進一步的研究整理。

（3）研究各類外場輔助對焊接時熔池的影響機制，以及焊后接頭耐腐蝕、耐磨等性能的影響情況。

（4）對于真空環(huán)境下熔池的流動機制缺乏深入的研究。同時局部真空設備的設計與研究，可以為未來大型構件真空焊接提供十分重要的焊接思路。

（5）通過建立評價體系，評定大型構件和薄壁件焊接殘余應力和殘余變形的影響情況，為工程結構的設計提供參考和焊接施工方案的優(yōu)劣提供判據(jù)。同時，焊接殘余應力對節(jié)點的性能及極限承載力的影響等問題都值得進一步深入研究。