【CJME论文推荐】东南大学倪中华、孙桂芳教授团队：船用金属材料的水下激光焊接/熔覆高性能修复研究进展|力学|孙桂芳|材料|金属

引用论文

Sun, G., Wang, Z., Lu, Y. et al. Underwater Laser Welding/Cladding for High-performance Repair of Marine Metal Materials: A Review. Chin. J. Mech. Eng. 35, 5 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00674-0

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研究背景及目的

海洋工程设备经常遭受表面损伤和开裂的影响，如海水腐蚀、磨损和表面疲劳裂纹等。这些表面损伤很可能会诱发海洋结构发生难以预料到的损坏。将损坏的海洋设备搬到陆地上进行维修，往往需要付出很大的代价。因此，非常有必要研究水下现场修复技术以恢复受损部件的性能。当前广泛使用的水下修复技术包括水下电弧焊技术和水下激光焊接技术。其中，水下电弧焊技术由水下干法焊接、水下湿法焊接和水下局部干法焊接组成。水下激光焊接/沉积技术由于其精确的热输入和高焊接质量，近年来得到了迅速发展。当前已有众多学者研究水下修复技术，但是尚未有公开文献对多种水下修复技术尤其是近些年来出现的水下激光焊接/沉积技术进行梳理总结。因此本综述主要归纳总结当前各种技术的特点，尤其对水下激光焊接/沉积技术进行重点概述，并给出水下激光焊接/沉积技术未来发展建议和方向。

图1 气帘喷嘴示意图(a)德国GKSS公司研制， (b)日本东芝公司研制

试验方法

在本篇综述中，我们首先总结了水下激光焊接/沉积过程中使用的排水喷嘴的发展和应用，重点归纳了美国、日本、德国等国家开发的排水喷嘴的特点以及水下修复的应用现状。然后，系统总结了水下激光焊接/沉积工艺与修复的海洋金属材料的微观结构-机械性能之间的关系，阐明水下工艺过程对金属结构件组织和力学性能的影响机理。随后，我们提出本课题研发的水下激光增材再制造技术，介绍水下激光增材再制造技术主要特点，并对水下激光增材制造技术的水下冶金过程和典型金属件修复的应用进行了总结。最后，本文提出了水下激光焊接/沉积技术的面临的问题、挑战和进一步发展方向。本项工作总结了先进水下激光焊接/沉积技术的特点。

图2 (a) Ti-6Al-4V块体的ULDMD形态，(b)空气中的DMD，(c) ULDMD的热边界条件(不同颜色的箭头表示传热方式)

结果

（1）当前水下排水喷嘴的主要排水方法为气帘法、水帘法以及水气复合法，本文系统总结了不同国家开发的排水罩的特点，并归纳了排水喷嘴在水下测试过程中的表现，概述了不同排水罩所能实现的排水深度。研究报道指出：气帘法能够在3米水深内实现稳定水下干区，水帘法能够在30米的水深范围内实现稳定干区，而水气复合法被认为能够在更大的水深内形成局部干区。

（2）水下激光焊接/沉积技术能够对水下金属构件进行高质量修复，同时修附件表面没有肉眼可见的缺陷，内部没有明显的气孔和裂纹，修附件的力学性能如拉伸和弯曲性能能够达到陆上修复件的水平。

（3）详细介绍了作者课题组研发的水下激光增材再制造技术，并对其技术特点、水下冶金过程、水下修复的金属构件的力学性能及氢含量进行了研究报道。

结论

（1）使用不同排水方法的排水喷嘴的排水深度不同。

（2）当水下局部干区内存在的水膜层厚度低于3mm时，该水膜层对激光穿透的遮蔽作用较弱。当水膜层的厚度达到7mm时，水膜层对激光有强烈的遮蔽作用，影响水下激光加工过程。

（3）作者课题组提出一种送粉式水下激光增材再制造技术，该技术已成功应用于316L、HSLA-100高强钢、Ti-6Al-4V钛合金等金属材料的修复，修复件的力学性能与空气中修复件的力学性能相当。

（4）水下湿法焊接接头内的氢含量远高于IIW国际焊接学会的标准（5 ml/100g），而水下激光焊接/沉积修复的构件的氢含量远低于IIW国际焊接学会的标准，这主要是归因于水下加工时，形成了局部干区。

前景与应用

水下激光焊接/沉积技术可以获得更高的几何精度和更好的表面质量。此外，水下激光沉积技术所用的金属粉末的元素成分可以调控，从而来调节和优化成型件的性能。水下激光焊接/沉积技术在水下修复过程中，具有更少的时间消耗、更高的效率、更低的成本和更优越的机械性能，因此该技术在海洋工程装备的修复领域有着广阔的应用前景，能够服务于国家的“海洋强国”战略。

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团队带头人介绍

倪中华, 教授, 博士生导师, 东南大学机械工程学院院长，江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室副主任，长期从事先进制造理论及相关使能技术的集成和应用，以及微纳医疗器械设计与制造的共性基础科学问题和关键技术的研究。先后主持完成或承担国家973课题、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国防科工局基础科研重点项目、国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国家自然科学基金面上项目、国家863项目、江苏省重大科技成果转化项目等30余项科研课题。在Lab on a Chip(IF=6.774)、Analytical Chemistry (IF=6.785)、Sensors & Actuators: B. Chemical (IF=7.100)等国际核心期刊上发表SCI论文300余篇。系列研究成果授权发明专利94项，申请PCT国际专利3项。先后获得国家自然科学二等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、江苏省科技进步一等奖2项，二等奖2项。先后入选教育部“新世纪优秀人才”、江苏省“333”科技领军人才（第二层次）、江苏省“六大高峰”人才（A）、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人等人才计划。2016年当选中国工业设计协会副会长。

孙桂芳教授在激光绿色再制造理论与技术方面潜心研究近20年。在国防基础科研重点项目、军委科科技委前沿科技创新特区项目、军委科技委基础加强计划技术领域基金、装备预研教育部联合基金、国家青年基金、江苏省自然科学基金面上项目、江苏省产学研前瞻项目等资助下，重点突破了失效构件激光表面再制造强化提升机理、水下激光再制造技术及极端环境冶金理论、应力/缺陷在线监测方法及调控机制，形成了一套失效构件现场原位高质高效修复的理论及技术体系。在行业期刊上发表SCI检索论文72篇（其中第一作者或通讯作者60余篇），EI检索论文10篇。论文发表在Acta Mater., Addit. Manuf., Scripta Mater., Mater. Sci. Eng. A, Mater. Des., Appl. Surf. Sci., Metall. Mater. Trans. A, Surf. Coat. Technol., J. Manuf. Process., Measurement 等机械、材料、冶金、仪器等相关领域的知名期刊上。授权国家发明专利26项，实审发明专利18项。

团队研究方向

大气中/水下激光增材制造；激光焊接；激光表面工程；海工装备再制造

近年课题组发表文章

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作者：孙桂芳

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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