盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部与国防部（The U.S. Departments of Energy and Defense）合作研发了一系列焊接填充材料，可以显著改善对汽车、桥梁以及管道中高强度钢材的修复。此类新型焊丝能够帮助振兴美国老化的基础设施，在2021年，美国土木工程师协会（American Society of Civil Engineers）对此类基础设施的评级为C级。

研究人员在焊接室操控焊接工具（图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室）

美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）与美国陆军的该项发明能够让现场焊接不再需要成本高昂且费力的热处理过程，该过程通常用于减少残余应力与材料变形。该发明解决了钢焊接的一个主要问题，即当氢原子在焊接过程中进入金属时，会降低金属的延展性、韧性以及强度。随后，高拉伸残余应力会导致金属开裂。

ORNL荣誉退休研究员Stan David表示：“美国约80%的焊接结构由钢制成，因此我们创新研制的填充金属应用十分广泛。修补结构比替换结构更便宜，我们的填充材料提供高质量的焊接接头，让焊接结构在严苛的环境中延长使用寿命。该项发明能够每年为美国工业节省数亿至数十亿美元。”

如果采用更坚固的钢材来制造焊接结构，那么在材料制造和车辆操作过程中需要的钢材更少，从而可减轻重量、节省能源、降低二氧化碳排放，最终可以制成更省油的汽车、更轻的战斗车和支援车以及更耐用的燃料管道。不过，强钢特别容易发生因氢导致的开裂。

为了克服该挑战，ORNL和国防部前美国陆军坦克汽车研究、开发与工程中心（现为地面车辆系统中心）的科学家合作研发了一种具有独特化学成分的合金，能够连接强钢的同时减少残余应力。

该合金因一种在焊接中发生的新型相变，具备抵抗因氢导致的材料开裂的能力。当焊缝冷却时，该填充材料能够对抗拉应力，或“坏应力”，此种应力能够拉扯钢的晶体微结构，使其变长、断裂。此种相变会引入压应力，或“好应力”，以补偿焊缝冷却时产生的“坏应力”。

在焊接结构中，焊接区域承受的应力比其他任何部位都多，因为该区域的金属被加热、扩张，然后被冷却、收缩。在热膨胀和热收缩完成后很长一段时间后，应力仍然保留在材料中，让其变形，也造成了该结构中最薄弱的一环。

焊接填充物至少要跟与其连接的钢板一样坚固。为了研发此种应力补偿填充物的化学成分，ORNL研究人员在高性能计算机上运行了一个理论模型。通过更加高效的算法，该计算代码的运行速度比类似的商业代码快1000倍，能够在一天内就发现问题，而类似的商业代码则需要近三年。

发明者利用该工艺研发了一种填充物，其适用于不同强度和合金成分的结构钢。在能源部科学办公室用户设施高通量同位素反应堆（High Flux Isotope Reactor）和散裂中子源（Spallation Neutron Source）中，研究人员用中子衍射对焊接材料进行了表征，结果显示其残余应力得到显著降低。

此次的成功始于2011年，当时能源部能源效率与可再生能源车辆技术办公室（DOE’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy’s Vehicle Technologies Office）资助了ORNL科学家与跨国钢铁制造商安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）的联合研发项目。汽车制造商已经开始采用更强的钢材制造薄钢板，以减轻汽车重量。不过，钢板更薄也意味着焊点上的应力增加。汽车制造商们很快发现，强钢焊接需要增强抗疲劳能力以对抗增加的应力。ORNL的新型焊丝则为他们提供了所需的解决方案。

2018年，陆军与ORNL再度合作，探索下一代钢的焊接技术。他们正努力改进和完善他们此前为未来的超强、轻型装甲研发的焊丝合金。

最近，陆军与ORNL又一次合作，将焊丝合作扩展至大面积金属增材制造。该焊丝可能可以为大结构提供高强度与高韧性，同时还能够显著减少材料变形及降低残余应力。

该焊丝的化学成分最初被用于修理汽车，后来经过升级，被用于修理坦克，后又经过改进被用于修补管道和其他关键基础设施。

研究人员还在进一步改进用于管道钢的焊丝，与汽车和军用坦克用钢相比，管道钢具有不同的化学成分和强度。2019年，美国能源部化石能源与碳管理办公室（DOE’s Fossil Energy and Carbon Management Office）开始研究用此种新型焊丝延长数百万英里老化石油和天然气管道的寿命，通过各种维修，最大限度地减少氢致开裂，并省去昂贵而费时的预热和焊后热处理过程。

此外，此种新型焊丝也有可能用于增材制造或3D打印中，此种技术采用局部熔化一次叠加一层材料，会在制成的部件中制造很深的应力。陆军与ORNL再一次合作，探索创新材料的能力，以避免材料变形并增加打印钢部件的强度。

目前，研究人员已经为此种新型焊丝申请了专利。