包志剛

海工領(lǐng)域高強(qiáng)鋼的高效焊接技術(shù)與應(yīng)用

包志剛

1. 高強(qiáng)鋼在海工領(lǐng)域的應(yīng)用與焊接難點

高強(qiáng)鋼在我公司主要項目中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：①液化石油氣運輸船儲罐：由于液化石油氣運輸船用儲罐儲存設(shè)計有半冷半壓式、全壓式及全冷凍式，若采用全壓式設(shè)計，S690高強(qiáng)鋼的使用變得尤為重要，可以使其結(jié)構(gòu)重量輕又能承受最大的壓力載荷。②海工吊車：海工吊車具有作業(yè)條件惡劣，具體起升高度大，作業(yè)范圍廣，起重量大及抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點。臂架、吊臂及基座轉(zhuǎn)盤等受力部位使用S690高強(qiáng)鋼。③海工模塊：法國TOTAL MOHO NORD油田開發(fā)的浮式生產(chǎn)裝置（FPU）模塊，主結(jié)構(gòu)包括立柱、斜撐及平臺等重要部分采用S420級別高強(qiáng)鋼，海上作業(yè)保證使用年限30年以上。④鋪管船導(dǎo)管架：意大利Saipem鋪管船導(dǎo)管架(STINGER)重要結(jié)構(gòu)均采用S460高強(qiáng)鋼，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接難度大。

高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)的軟化與脆化是影響焊接接頭性能的主要問題，鋼板中一些細(xì)化晶粒的合金元素V、Ti、Al，在焊接過程中，熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響，金屬發(fā)生熔化凝固過程中，各種元素會部分氣化損失，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的軟化。焊接熱輸入過大，層間溫度高，也會使細(xì)化合金元素在高溫區(qū)停留的時間長，導(dǎo)致金屬元素氣化損失多，金屬凝固晶粒粗大，影響接頭的韌性，最終必然降低焊接接頭的綜合性能。

綜上所述，在焊接這些高強(qiáng)鋼時，為防止冷裂紋，必須根據(jù)材料強(qiáng)度等級與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的不同，采取相應(yīng)的預(yù)熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料，并采用回火悍道技術(shù)以減少焊趾處應(yīng)力集中。為保證接頭性能，減少熱影響區(qū)脆化與軟化，應(yīng)控制焊接熱輸入，采用多層多道焊，減少高溫停留時間。

部分高強(qiáng)鋼焊接施工如圖1~圖3所示。

2. 高強(qiáng)鋼用焊接材料的發(fā)展

在行業(yè)洗牌大背景下，中國海工產(chǎn)業(yè)能否承受住技術(shù)、資金等方面的風(fēng)險，才是關(guān)鍵。因此，海工領(lǐng)域的高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)尤為重要，產(chǎn)品焊接是否能高質(zhì)量、高效率的完成直接影響著生產(chǎn)周期及成本。對海工領(lǐng)域高強(qiáng)鋼焊接材料的工藝焊接性與使用焊接性的要求極高，尤其是焊接接頭的抗裂性與低溫韌性。

雖然國內(nèi)高強(qiáng)鋼焊接材料的發(fā)展在我國取得了長足的進(jìn)步，也有很多企業(yè)推薦的焊接材料，但是由于產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定性，實際應(yīng)用還不普遍，且存在焊接材料的含氫量尚不能有效控制及低溫韌性水平不高等問題。所以目前還是以國外進(jìn)口焊接材料為

主，如伊薩、林肯、伯合樂、奧林康、沙福及日本神鋼等。

圖1 液罐高強(qiáng)鋼預(yù)熱

圖2 高強(qiáng)鋼退火焊道

圖3 吊車高強(qiáng)鋼TKY大拘束度接頭焊接

《中國制造2025》出臺，明確制造強(qiáng)國路線圖。工信部指出，《中國制造2025》把海洋工程裝備和高技術(shù)船舶作為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一加快推進(jìn)，明確了今后10年的發(fā)展重點和目標(biāo)，為中國海工裝備和高技術(shù)船舶發(fā)展指明了方向。未來中國海工造勢指日可待，海工高強(qiáng)鋼的焊接材料需求定會日益增多，給國內(nèi)焊接材料廠家提供更多的機(jī)會與平臺，必須在原材料購買、制作工藝等重要環(huán)節(jié)控制好質(zhì)量，確保生產(chǎn)出性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定的焊接材料供海工制造商放心使用，這樣我國海工制造行業(yè)才能走好焊接材料國產(chǎn)化的道路，使企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高盈利指數(shù)，強(qiáng)國強(qiáng)企。

3. 高強(qiáng)鋼自動化焊接技術(shù)的應(yīng)用

目前在汽車、摩托車等薄板高強(qiáng)鋼焊接領(lǐng)域，由于產(chǎn)品制造技術(shù)是早期國外引進(jìn)，流水線作業(yè)最早得益國外成熟的焊接自動化技術(shù)，而壓力容器、船舶、工程機(jī)械和重型機(jī)械等其他領(lǐng)域，中厚板的高強(qiáng)鋼自動焊技術(shù)比率也在不斷提高，從工藝和設(shè)備上不斷突破，由單絲埋弧焊到多絲埋弧焊，簡易半自動到全自動焊接機(jī)器人，又發(fā)展成套焊接設(shè)備、焊接機(jī)器人、焊接中心及計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)等，自動化發(fā)展日益成熟。

但是在近幾年國內(nèi)火熱的海工領(lǐng)域、海工模塊及海工平臺的高強(qiáng)鋼自動化焊接，由于受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、制作順序影響，所以目前只局限于埋弧焊的高效應(yīng)用，非重要結(jié)構(gòu)的角焊可借助自動焊小車焊接。國內(nèi)海工企業(yè)也想在高強(qiáng)鋼管系自動化焊接技術(shù)上尋求突破，采用TIG+MAG全自動焊接設(shè)備，在試驗室可勉強(qiáng)完成，但是受國產(chǎn)管子材料的圓度、裝配精度、裝配方式的影響，在實際應(yīng)用中難度較大（見圖4、圖5）。

因此，未來對高強(qiáng)鋼的自動化焊接技術(shù)，需要焊接材料生產(chǎn)商生產(chǎn)出更適合高效率應(yīng)用的焊接材料；焊接設(shè)備廠要根據(jù)不同區(qū)域，不同行業(yè)的焊接特點，與企業(yè)共同合作，研制適合實際生產(chǎn)需要的自動焊設(shè)備，實現(xiàn)真正意義上的高效率、高質(zhì)量、低成本的要求。

4. 高強(qiáng)鋼切割技術(shù)的應(yīng)用

由于高強(qiáng)鋼含合金元素多、強(qiáng)度硬度高、碳當(dāng)量高，使用火焰切割機(jī)切割這類中厚板材料時，割縫處易產(chǎn)生淬硬組織或裂紋現(xiàn)象，所以在進(jìn)行切割作業(yè)前要進(jìn)行預(yù)熱，使之達(dá)到一定溫度后才能進(jìn)行切割。原始的鋼板整體使用加熱板預(yù)熱后切割，首先在切割前的預(yù)熱工作會占用0.5~1h，與此同時還會使產(chǎn)品部件因為冷卻收縮而導(dǎo)致尺寸偏差。由于火焰切割效率低，能源消耗多，又不易控制切割尺寸，所以不適宜大規(guī)模推廣。一般是在常規(guī)切割方式的基礎(chǔ)上改裝切割小車，在切割噴嘴前端多加一把火焰噴嘴，并控制好火焰加熱溫度（見圖6）。切割小車運行過程中，預(yù)熱和切割可同步進(jìn)行，切割后割縫的金屬組織差異不大，對焊接基本無太大影響，基本能完全滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，但是預(yù)熱溫度不均勻。因為未來對切割設(shè)備的展望上，如果能將預(yù)熱的溫度和設(shè)備數(shù)字化、自動化，這樣不但能保證切割的尺寸，還能保證高強(qiáng)鋼在切割后的性能不受影響。

圖4 全自動TIG+GMAW焊管機(jī)

圖5 全自動TIG+GMAW焊管機(jī)背部成形

而對于高強(qiáng)鋼超薄板的切割，等離子切割、激光切割及高

壓水切割等高效切割技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是切割設(shè)備企業(yè)都依賴于國外進(jìn)口核心技術(shù)，自己開發(fā)研究的相對較少。以噴嘴頭為例，屬于易消耗品，進(jìn)口價格高但是使用效果好，無論是切割尺寸的精確度還是耐用性，都是有目共睹的。但是部分企業(yè)為了節(jié)省眼前的成本，購買國產(chǎn)噴嘴頭，使用周期短，切割效果不良，給生產(chǎn)帶來較多不便，最終又不一定能降低生產(chǎn)成本。所以，希望國內(nèi)切割設(shè)備相關(guān)企業(yè)，能吸收國外技術(shù)的精髓，制造出質(zhì)量更好的切割易消耗件，帶給企業(yè)生產(chǎn)更多福音。

圖6 切割小車改裝割嘴

包志剛，上海交通大學(xué)、南通太平洋海洋工程有限公司。