海工領域高強鋼的高效焊接技術與應用

包志剛

海工領域高強鋼的高效焊接技術與應用

包志剛

1. 高強鋼在海工領域的應用與焊接難點

高強鋼在我公司主要項目中的應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計有半冷半壓式、全壓式及全冷凍式，若采用全壓式設計，S690高強鋼的使用變得尤為重要，可以使其結構重量輕又能承受最大的壓力載荷。②海工吊車：海工吊車具有作業條件惡劣，具體起升高度大，作業范圍廣，起重量大及抗風能力強等特點。臂架、吊臂及基座轉盤等受力部位使用S690高強鋼。③海工模塊：法國TOTAL MOHO NORD油田開發的浮式生產裝置（FPU）模塊，主結構包括立柱、斜撐及平臺等重要部分采用S420級別高強鋼，海上作業保證使用年限30年以上。④鋪管船導管架：意大利Saipem鋪管船導管架(STINGER)重要結構均采用S460高強鋼，結構復雜，焊接難度大。

高強鋼熱影響區的軟化與脆化是影響焊接接頭性能的主要問題，鋼板中一些細化晶粒的合金元素V、Ti、Al，在焊接過程中，熱影響區受焊接熱循環的影響，金屬發生熔化凝固過程中，各種元素會部分氣化損失，導致接頭強度的軟化。焊接熱輸入過大，層間溫度高，也會使細化合金元素在高溫區停留的時間長，導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，在焊接這些高強鋼時，為防止冷裂紋，必須根據材料強度等級與產品結構形式的不同，采取相應的預熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料，并采用回火悍道技術以減少焊趾處應力集中。為保證接頭性能，減少熱影響區脆化與軟化，應控制焊接熱輸入，采用多層多道焊，減少高溫停留時間。

部分高強鋼焊接施工如圖1~圖3所示。

2. 高強鋼用焊接材料的發展

在行業洗牌大背景下，中國海工產業能否承受住技術、資金等方面的風險，才是關鍵。因此，海工領域的高強鋼焊接技術尤為重要，產品焊接是否能高質量、高效率的完成直接影響著生產周期及成本。對海工領域高強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。

雖然國內高強鋼焊接材料的發展在我國取得了長足的進步，也有很多企業推薦的焊接材料，但是由于產品質量的不穩定性，實際應用還不普遍，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 液罐高強鋼預熱

圖2 高強鋼退火焊道

圖3 吊車高強鋼TKY大拘束度接頭焊接

《中國制造2025》出臺，明確制造強國路線圖。工信部指出，《中國制造2025》把海洋工程裝備和高技術船舶作為十大重點發展領域之一加快推進，明確了今后10年的發展重點和目標，為中國海工裝備和高技術船舶發展指明了方向。未來中國海工造勢指日可待，海工高強鋼的焊接材料需求定會日益增多，給國內焊接材料廠家提供更多的機會與平臺，必須在原材料購買、制作工藝等重要環節控制好質量，確保生產出性能可靠、質量穩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才能走好焊接材料國產化的道路，使企業降低生產成本，提高盈利指數，強國強企。

3. 高強鋼自動化焊接技術的應用

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

但是在近幾年國內火熱的海工領域、海工模塊及海工平臺的高強鋼自動化焊接，由于受產品結構復雜度、制作順序影響，所以目前只局限于埋弧焊的高效應用，非重要結構的角焊可借助自動焊小車焊接。國內海工企業也想在高強鋼管系自動化焊接技術上尋求突破，采用TIG+MAG全自動焊接設備，在試驗室可勉強完成，但是受國產管子材料的圓度、裝配精度、裝配方式的影響，在實際應用中難度較大（見圖4、圖5）。

因此，未來對高強鋼的自動化焊接技術，需要焊接材料生產商生產出更適合高效率應用的焊接材料；焊接設備廠要根據不同區域，不同行業的焊接特點，與企業共同合作，研制適合實際生產需要的自動焊設備，實現真正意義上的高效率、高質量、低成本的要求。

4. 高強鋼切割技術的應用

由于高強鋼含合金元素多、強度硬度高、碳當量高，使用火焰切割機切割這類中厚板材料時，割縫處易產生淬硬組織或裂紋現象，所以在進行切割作業前要進行預熱，使之達到一定溫度后才能進行切割。原始的鋼板整體使用加熱板預熱后切割，首先在切割前的預熱工作會占用0.5~1h，與此同時還會使產品部件因為冷卻收縮而導致尺寸偏差。由于火焰切割效率低，能源消耗多，又不易控制切割尺寸，所以不適宜大規模推廣。一般是在常規切割方式的基礎上改裝切割小車，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，預熱和切割可同步進行，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生產需求，但是預熱溫度不均勻。因為未來對切割設備的展望上，如果能將預熱的溫度和設備數字化、自動化，這樣不但能保證切割的尺寸，還能保證高強鋼在切割后的性能不受影響。

圖4 全自動TIG+GMAW焊管機

圖5 全自動TIG+GMAW焊管機背部成形

而對于高強鋼超薄板的切割，等離子切割、激光切割及高

壓水切割等高效切割技術已經在各個領域有所應用，但是切割設備企業都依賴于國外進口核心技術，自己開發研究的相對較少。以噴嘴頭為例，屬于易消耗品，進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。但是部分企業為了節省眼前的成本，購買國產噴嘴頭，使用周期短，切割效果不良，給生產帶來較多不便，最終又不一定能降低生產成本。所以，希望國內切割設備相關企業，能吸收國外技術的精髓，制造出質量更好的切割易消耗件，帶給企業生產更多福音。

圖6 切割小車改裝割嘴

包志剛，上海交通大學、南通太平洋海洋工程有限公司。