一、研究的背景與問題

高效焊接技術(shù)是高端海洋工程裝備制造企業(yè)制造能力的體現(xiàn)，特別是超大線能量特厚板及智能高效焊接技術(shù)更是高效焊接技術(shù)中的“皇冠”，對(duì)提升海工特厚板的焊接效率，降低建造成本縮短海工裝備交付周期具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)船舶海工企業(yè)仍主要采用小線能量的多層多道焊接工藝，存在焊接效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、成本高等問題，國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)長(zhǎng)期重視大線能量焊接用特厚板及高效焊接技術(shù)研究，特別是新日鐵住金、JFE、浦項(xiàng)制鐵等鋼鐵企業(yè)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)跑地位，國(guó)內(nèi)一段時(shí)間內(nèi)仍處于跟跑階段，主要面臨以下三大難題：

1.隨著船舶和海洋工程裝備向大型化發(fā)展，對(duì)大厚度、高強(qiáng)韌、最大可適應(yīng)線能量的要求不斷提高，但是超大線能量海洋工程用特厚板和配套焊接工藝研制難度極大。在超大線能量條件下，如何提高焊接熱影響區(qū)低溫韌性是超大線能量鋼板開發(fā)的核心難點(diǎn)。此外，目前配套的氣電立焊工藝也不適合70mm以上鋼板。

2.隨著鋼板厚度規(guī)格的增加，受連鑄坯和壓縮比的限制，如何解決特厚板截面組織和力學(xué)性能均勻性問題成為開發(fā)超大線能量焊接用海工特厚板的技術(shù)瓶頸。

3.窄間隙MAG焊是提高特厚板焊接效率一種有效途徑，然而窄間隙MAG焊接技術(shù)在我國(guó)的船舶和海洋工程裝備建造領(lǐng)域應(yīng)用幾乎處于空白階段。另外，窄間隙MAG焊接仍存在以下技術(shù)難點(diǎn)尚未突破，主要體現(xiàn)在窄間隙焊接成形要求高、易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合缺陷、焊接工藝窗口較窄、坡口加工精度要求高等。

針對(duì)上述問題，鞍鋼等六家單位充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，通過“基礎(chǔ)研究+關(guān)鍵技術(shù)+焊接裝備及配套焊接工藝+應(yīng)用”幾個(gè)層次開展攻關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)超大線能量海工鋼研制和智能高效焊接技術(shù)創(chuàng)新示范應(yīng)用，保證該項(xiàng)目整體水平達(dá)國(guó)際領(lǐng)先，有力支撐我國(guó)船舶海工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)一步提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目從的用戶需求出發(fā)，從材料與工藝兩個(gè)角度提出切實(shí)可行的解決方案。本項(xiàng)目從微觀組織控制、一體化制備工藝、配套焊接工藝、焊縫成形控制和焊接質(zhì)量精準(zhǔn)控制等多方位思考，全方位攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)了海洋裝備制造業(yè)焊接效率的大幅度提升。

圖1 項(xiàng)目總體研究思路

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1.超大線能量焊接用鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大控制和焊接熱影響區(qū)微觀組織調(diào)控技術(shù)

在超大線能量焊接條件下，焊接熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶粒粗化嚴(yán)重，采用高溫共聚焦顯微鏡原位觀察方法研究了超大線能量焊接用鋼在模擬焊接熱循環(huán)作用下焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大過程及相變的規(guī)律，建立超大線能量焊接用鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的模型，確定了熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變的特征溫度，闡明了微合金元素和工藝因素對(duì)熱影響區(qū)組織及M-A組元數(shù)量和尺寸的影響。

圖2 奧氏體晶粒合并長(zhǎng)大

圖3 奧氏體晶粒晶界移動(dòng)長(zhǎng)大方式

為了控制高溫下奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，需要有在高溫下穩(wěn)定存在的第二相粒子釘扎晶界。TiN是應(yīng)用內(nèi)最多的釘扎奧氏體晶粒的第二相粒子，可有效起到細(xì)化晶粒的作用。系統(tǒng)研究了Ti含量、N含量以及Ti/N比對(duì)焊接熱影響區(qū)組織和性能的影響，確定了多元微合金化條件下合理Ti/N控制準(zhǔn)則，形成了具有高強(qiáng)-耐低溫-高效焊接等多種耦合的冶金全流程微觀組織調(diào)控工藝技術(shù)。

2.完備的超大線能量焊接用鋼一體化設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)

以低碳復(fù)合Nb-Ti微合金化成分設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，同時(shí)優(yōu)化Cu、Cr、Ni等強(qiáng)化和提高韌性元素的配比，以保證超大線能量的焊接性能。形成大線能量系列用鋼的成分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,保證母材和熱影響區(qū)均具有良好的強(qiáng)韌性配合。

 圖4 經(jīng)過經(jīng)過熱循環(huán)后不同Nb含量微合金鋼的EBSD表征

通過轉(zhuǎn)爐進(jìn)行合金成分粗調(diào)，在LF精煉處對(duì)各元素進(jìn)行精確調(diào)整，重點(diǎn)在RH精煉處完成鈦微合金化及定量吹氮等一系列工藝措施使產(chǎn)品的性能得到保證，攻克Ti、N和Ti/N三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的綜合調(diào)控難題，連鑄工序全程保護(hù)澆注并采用輕壓下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效穩(wěn)定生產(chǎn)。在軋制階段，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及精確低溫加熱技術(shù)，抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，減少氧化鐵皮，保證鋼坯表面質(zhì)量，在超大線能量焊接用厚板的軋制中，再結(jié)晶階段采用盡可能少的壓下道次和盡可能多的單道次壓下量，這樣才能使變形深入到中心位置，破碎板坯中心鑄態(tài)組織。超大線能量焊接用船板的軋制應(yīng)保證足夠的累積變形量，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的軋制總變形量不低于50%。通過集成冶煉、連鑄、軋制工藝調(diào)控的特厚板截面性能均勻性技術(shù)，形成完備的超大線能量焊接高強(qiáng)鋼制造關(guān)鍵技術(shù)，解決低碳設(shè)計(jì)下強(qiáng)韌性匹配、組織均質(zhì)化和性能穩(wěn)定化問題。

3.超大線能量焊接用鋼的焊接工藝技術(shù)

厚度大于70mm鋼板橫向熔寬可達(dá)40mm以上，而現(xiàn)有的氣電立焊機(jī)只能進(jìn)行縱向擺動(dòng)，極易造成側(cè)壁熔合不良。為此課題組進(jìn)行了雙絲氣電立焊擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新提出“十字?jǐn)[動(dòng)”方式的雙絲氣電立焊工藝技術(shù)和裝備集成，開發(fā)出氣電立焊工藝指導(dǎo)和接頭性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，解決了大厚度雙絲氣電立焊的工藝瓶頸。

線能量是焊接工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是影響焊接接頭性能的重要影響因素。氣電立焊焊接線能量的控制是無法通過簡(jiǎn)單改變焊接工藝參數(shù)來調(diào)整的，經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)，焊接線能量與坡口的截面積具有線性相關(guān)關(guān)系，其最大影響因素為板厚。通過坡口設(shè)計(jì)和工藝調(diào)整，使氣電立焊可一次性焊接84mm鋼板，實(shí)現(xiàn)厚板的單道焊接，獲得高熔敷率和高質(zhì)量的焊縫。

圖5 工藝調(diào)整示例

4.高效窄間隙MAG全位置智能化焊接裝置研發(fā)

針對(duì)坡口深度達(dá)到100-400mm時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接的技術(shù)要求，以擺動(dòng)電弧、雙側(cè)層流氣體保護(hù)為核心的窄間隙雙絲MAG焊炬研發(fā)，從機(jī)械設(shè)計(jì)層面解決側(cè)壁熔合困難、氣體保護(hù)不佳等焊接缺陷。

圖6 窄間隙雙絲MAG裝備施焊過程

為了更好滿足用戶使用需求，對(duì)高效窄間隙MAG智能化焊接應(yīng)用適應(yīng)性要求，主要是針對(duì)用戶提出的共性難點(diǎn)——坡口加工精度的問題，窄間隙坡口若出現(xiàn)凹凸變化，將無法保證整體接頭的焊接質(zhì)量。針對(duì)該問題，基于激光傳感、焊接傳熱與填充特性耦合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大深寬比窄間隙坡口的焊縫特征識(shí)別和自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)，保證坡口加工質(zhì)量較差時(shí)，焊縫成形的一致性和質(zhì)量控制的精準(zhǔn)性。

5.高效窄間隙MAG焊接缺陷消除與成形調(diào)控技術(shù)

在窄間隙MAG焊接中焊絲在坡口空間位置的改變會(huì)導(dǎo)致電弧形態(tài)、焊接電流等發(fā)生變化，最終影響熔滴過渡。通過對(duì)熔滴過渡特征分析，建立電弧擺動(dòng)條件下的熔滴過渡雙模式協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，保證側(cè)壁熔合和多位置熔池流淌的精準(zhǔn)控制。

圖7 擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊示意圖

因間隙過小無法后期修復(fù)的焊接難題，明確全套超大厚度高強(qiáng)度全位置海洋用鋼窄間隙MAG焊接的工藝窗口，建立工藝參數(shù)-焊縫成形-組織演變-焊縫缺陷的內(nèi)在聯(lián)系是十分必要。通過溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)有限元模型，研究焊接工藝、坡口形式及焊道次序等對(duì)側(cè)壁熔深、下凹參數(shù)、焊縫高度影響規(guī)律。通過三維模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，確定相對(duì)合理的焊接參數(shù)，再進(jìn)行下一步實(shí)際焊接論證，確定適用于超大厚度窄間隙智能焊接工藝窗口。

圖8 不同速度條件下的焊縫成形

窄間隙狹長(zhǎng)的坡口對(duì)焊接變形量非常敏感，微弱的變形都可能造成間隙的變化，使得焊槍無法進(jìn)入到坡口，對(duì)于異種鋼焊接尤為明顯，因此需進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變控制技術(shù)的研究。借助坡口頂部間隙值的變化量來簡(jiǎn)單考察窄間隙MAG焊填充道數(shù)對(duì)坡口角變形的影響，明確頂部收縮量與填充道數(shù)的關(guān)系，保證焊接過程能夠正常進(jìn)行。

圖9 （a）坡口未拘束；（b）焊接筋板拘束

圖10 實(shí)焊件坡口頂部累計(jì)收縮量

除此之外，窄間隙MAG焊在應(yīng)用到大厚壁結(jié)構(gòu)的制造工藝中時(shí)，需要掌握大厚壁結(jié)構(gòu)多層單道焊過程中坡口變形規(guī)律，避免不良現(xiàn)象出現(xiàn)。采用雙面對(duì)稱焊接型式、內(nèi)嵌式鋼塊或引/收弧裝置、錘擊熱處理等消應(yīng)力處理等多種方法協(xié)同的方式控制焊接接頭變形開裂。

四、應(yīng)用情況與效果

本項(xiàng)目從服務(wù)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和海洋工程裝備高效化建造需求出發(fā)，鞍鋼聯(lián)合鋼鐵研究總院等單位歷時(shí)6年，從材料與工藝兩個(gè)角度提出全流程技術(shù)方案，完成適應(yīng)超大線能量焊接的系列鋼鐵產(chǎn)品及配套焊接工藝協(xié)同開發(fā)和厚板窄間隙MAG焊接工藝及智能裝備開發(fā)。

設(shè)計(jì)適合超大線能量焊接的高性能鋼鐵材料，研制出EH40以下級(jí)別全系列大線能量焊接海洋用鋼板，完成厚EH40-W700船級(jí)社認(rèn)證,并批量供貨，鞍鋼成為全球首家生產(chǎn)適合于700kJ/cm焊接線能量海洋用鋼的鋼鐵企業(yè)。具體性能如下：鋼板達(dá)到高強(qiáng)度（屈服390MPa以上）、高韌性（-40℃沖擊55J以上）、特厚（最大規(guī)格84mm）、具有厚度方向性能（滿足Z35要求）、焊接性能良好（可不預(yù)熱焊接）、尤其是大線能量焊接適應(yīng)性優(yōu)異（可滿足700kJ/cm以上線能量焊接）。并在鲅魚圈厚板部、中厚板事業(yè)部完成批量穩(wěn)定化生產(chǎn)，厚度規(guī)格可達(dá)84mm厚。

在鞍鋼研究院焊接實(shí)驗(yàn)室完成全系列同/異種超大厚度窄間隙MAG裝備及工藝研發(fā)，具體指標(biāo)如下：鋼板達(dá)到高強(qiáng)度（最高屈服可達(dá)1000MPa以上）、高韌性（-40℃沖擊69J以上）、特厚（最大規(guī)格400mm）、具有厚度方向性能（滿足Z35要求）、焊接性能良好（可不預(yù)熱焊接）、提高焊接效率（較傳統(tǒng)手工焊接提高1-30倍，板厚越厚效率越高）、降低生產(chǎn)成本（較傳統(tǒng)手工焊接成本下降20-70%，板厚越厚成本越低）。

2017年，68mm與84mm厚EH40-W600經(jīng)過滬東中華造船有限公司評(píng)定，焊接性能優(yōu)異，滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，并國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)實(shí)船應(yīng)用；2018年，與大連船舶重工有限公司簽訂窄間隙MAG焊接技術(shù)輸出協(xié)議，輸出EH40以下級(jí)別窄間隙焊接工藝，形成焊接工藝指導(dǎo)手冊(cè)，焊接性能滿足船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)要求，該技術(shù)輸出是鞍鋼高效焊接技術(shù)的第一次輸出，表明該技術(shù)擁有很大的技術(shù)貿(mào)易應(yīng)用前景；2019年，向中船重工716所進(jìn)行技術(shù)輸出，完成窄間隙MAG焊接工藝評(píng)定，效果良好；2020年，在渤海造船廠有限公司和中船廣西船舶及海洋工程有限公司兩家公司進(jìn)行技術(shù)輸出，完成窄間隙MAG焊接工藝評(píng)定，效果良好，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新示范；2020年起，針對(duì)中集海洋工程研究院150mm以上超大厚度齒條鋼窄間隙工藝研究需求，自主研發(fā)雙U窄間隙應(yīng)力控制與工藝，并成功向中集進(jìn)行技術(shù)輸出，并通過技術(shù)評(píng)定；

2022年起，六個(gè)鋼級(jí)大線能量焊接用鋼板，完成國(guó)際船級(jí)社認(rèn)證，并批量供貨大連船舶重工有限公司，助力16000TEU大型集裝箱船關(guān)鍵周期較目標(biāo)壓縮18%。