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liujb 2011-04-27 15:38

中国工程院院士关桥将出席本次论坛

关桥,焊接专家,“低应力无变形焊接”理论的创始人,中国工程院院士。他发明的“薄壁结构低应力无变形焊接方法及装置”是焊接变形控制领域中的重大突破。他又是航空焊接专业的学科带头人和中国飞行器制造工程中多项特种焊接技术的开拓者。他主持研究开发的一系列研究成果,填补了国内多项技术空白。在焊接力学与焊接结构完整性研究方面,也有重要建树。他领导的“焊接瞬态热应变云纹测试技术”研究成果,对推动焊接力学学科发展、丰富学科内容具有重要学术价值。

  在航空航天飞行器上,为减轻自身重量,大量采用薄壁焊接结构,以提高有效载荷系数。但是,用熔焊方法制造薄壁承力结构时,由于移动热源(无论是电弧、等离子弧还是电子束或激光束等)对金属构件的局部不均匀加热,在焊接熔池附近会产生极大的温度梯度,引起焊接应力和变形。在完成焊接后,热源离去,焊接瞬时的热应力和变形动态过程随即转化为在室温条件下的焊接残余状态的应力和变形。在薄壁焊接结构件上,焊接残余应力和变形的直观表现形态多为构件的失稳翘曲变形。这是在制造航空航天重要承力薄壁焊接构件时,造成产品质量不稳定、结构几何形状偏离设计技术要求的主要问题,并直接危及飞行器结构的安全和可靠性。因此,控制焊接应力和变形的产生、发展过程,不但是当代焊接力学研究领域中的前沿课题,而且也决定着在航空航天新型结构设计中,先进的焊接技术是否能得以合理应用的关键所在。
  60年代和70年代,关桥完成了多项飞行器特种焊接新技术研究和新型号机种研制的技术攻关任务。他从大量影响飞行器薄壁焊接结构安全性和可靠性的因素中,提炼出一个构思:必须从理论分析和实验研究两个方面同时着手,解决前人未曾攻克的难题——能动地、定量地控制焊接应力与变形,革除焊后矫形措施,使焊接结构具有低应力无变形的结构完整性,确保飞行器焊接结构的质量。
  70年代末,当关桥为探索飞行器薄壁焊接结构变形控制理论和实施方案时,曾对苏联Burak等人用温度场控制焊接变形的论述进行了实验验证。结果表明,在前人的工作中并没有解决薄壁构件(尤其是4mm以下的薄件,飞行器构件多属这类)在焊接过程中的瞬态失稳问题,从而导致给定的温差拉伸失效,这一点在理论和实践中均被忽略。在机理性分析与实验的基础上,关桥提出了“低应力无变形焊接法”的新构思:预置温度场只是实现低应力无变形(Low Stress NoDistortion)焊接的必要条件——在焊缝区有温差拉伸效应,它跟随焊接热源,并在熔池前后控制着焊接热应变和应力的产生和发展,直至焊后,在室温条件下达到残余状态;而有效地防止薄壁工件的瞬态面外失稳变形,避免温差拉伸效应减弱和内应力场势能降低,则是达到在焊后低应力无变形效果的充分条件。在工程应用中,双支点加压系统提供了所要求的拘束条件,杜绝了面外瞬态失稳。这样,在LSND焊接法中,既有必要条件又确保了充分条件,二者相辅相成,实现了控制薄壁焊接应力与变形中的新突破;在完成焊接后,工件保持完全无变形的状态,平整如初。这项新技术已获准中国发明专利,并成功地应用于航空航天型号的生产。用新技术与工艺装备对航空涡喷系列发动机薄壁机匣的生产车间实施了技术改造,解决了航空产品生产中长期存在的关键技术难题,提高了产品质量和生产效率,实用效果突出。当他了解到航天新重点型号“长征三号甲”运载火箭燃料贮箱的研制遇到焊接变形的难题时,主动请缨,渴望这项新技术有更大的用武之地。任务下达了,技术协议书签署得十分规范,条件也相当“苛刻”——控制焊接失稳变形必须在1‰以内。在3年多的现场调试与工艺研究中,关桥领导的课题组与“长征三号甲”研制攻关组通力合作,把无变形焊接新技术又成功地应用于航天运载火箭薄壳结构的制造上,解决了型号研制中的燃眉之急,提高了火箭箭体的整体质量与可靠性。1995年获国家发明二等奖。
  关桥把由预置温度场控制的低应力无变形焊接法定义为“静态控制”焊接不协调应变的方法;为了满足在工程应用中焊接操作的需要,他又向更高的层次攀登一一从“静态控制”推向“动态控制”,不再依赖于预置温度场,而是采用“热源—热沉多源系统”,直接在焊接热源所形成的温度场中利用跟随热源移动的急冷热沉形成温差拉伸效应来动态控制焊接过程中的不协调应变量。这样,在工程实践中,可赋予这项技术以更大的柔性,降低设备投资,简化工艺,扩大应用面。关桥作为第一发明人,这项成果又获国家发明专利权。

中国航空焊接工程领域的学科带头人

60年代中期,当国外熔化极脉冲氩弧焊新技术刚开始起步的时候,关桥就针对我国自行设计的新机种焊接结构,率先主持了“喷气发动机薄壁机匣熔化极脉冲氩弧焊工艺与设备的研究”课题,并把焊缝滚压技术应用于航空结构,为新型喷气发动机研制攻克难关提供了技术保障,填补了国内空白。同期,又为解决火箭炮CO2气体保护焊技术关键,满足战备急需,稳定批生产质量做出了贡献。70年代初,他指导开展了扩散焊研究,开辟了航空特种焊接技术的一个重要新领域。在新型发动机研制中,主持了“钨极脉冲氩弧焊与悬空焊工艺研究”,解决了材料焊接性差的技术关键,缩短了新机研制周期,并把这项新技术推广应用于有关航空工厂,完成了航空部下达的攻关任务。1978年获全国科学大会奖。作为我国航空焊接领域的学科带头人,关桥总是把目光瞄准国际科技前沿的发展水平。1980年,他考察了美国航空航天焊接技术的新发展之后,率先在国内指导了“超塑成形/扩散连接组合工艺”的应用研究与技术开发,开拓了我国飞行器制造工程中的又一个特种焊接新技术领域。1990-1993年间,关桥根据国际上高能束流加工技术呈现出的新趋势,向航空航天部与国防科工委建议并论证了建立国防科技高能束流加工技术重点实验室。实验室主要进行高能束流(激光束、电子束和等离子体)加工的工艺技术和加工设备的研究工作,包括基础研究、应用基础研究和探索性应用研究,能直接为武器装备新型号的设计与研制提供新的工艺技术支持。该实验室于1995年建成并通过验收,关桥任学术委员会主任,他正确把握了实验室的研究方向和课题规划,在开放课题、学术交流及人才培养等方面发挥了重要的指导作用,保证了实验室的主要研究领域与国外同步,在国内领先。着眼于航空航天技术的发展,关桥近几年又领导课题组开展具有战略意义的焊接新技术。真空电弧焊接技术经过“八五”期间的研究,获得成功,已进入工程应用阶段;焊接机器人、摩擦焊技术也已推广应用;活性焊剂焊接与搅拌摩擦焊接两项新技术的研究已经启动,实验结果业已展现出可喜的发展前景。

焊接学和焊接结构领域

早在60年代初,当钛合金焊接结构刚开始应用于飞行器结构时,关桥就在自己的研究论文中深入地阐明了传统理论分析中“平截面假设”的局限性,以及这种假设对钛合金这类具有特殊热物理性能的新结构材料的不适用性。他还论证了在特定的焊接温度场中的“内拘束度”概念,证明了焊缝中的残余应力峰值将取决于“内拘束度”判据。他正确地解释了钛合金、铝合金等新型飞行器结构材料焊接残余应力峰值低于材料屈服强度的内在机理。作为焊接力学的新论点,被国内外焊接专业教科书广为吸收。70年代,计算机技术与有限元分析方法的结合已经显示了对于焊接力学发展可能做出的贡献,焊接时十分复杂的非线性传热和非线性热弹塑性力学过程的定量分析已成为可能。关桥在国际学术交往中敏锐地指出了在焊接力学研究的热点和前沿领域中的片面性:过多地依赖于有限元计算而忽视真实物理过程模拟的验证。他主持并开拓了焊接力学研究领域中的一个新方向——理论计算模型与实验分析验证相结合。他和他的研究集体开展了焊接瞬态热应变云纹测试及云纹图像计算机处理技术的研究,成功地解决了焊接瞬态热应变云纹测试的难题,其中包括高温、瞬间、大梯度热应变的云纹图像显示,定时连续记录全应变场信息,并建立计算机云纹图像数据处理系统。


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