一、研究的背景與問題

船舶建造中，焊接工序占建造周期約30%，占制造成本約15%，焊接效率直接關系到船舶制造競爭力。以一艘1萬箱集裝箱船為例，我國建造工時是日本的3倍。高焊接性能鋼已成為制約我國鋼鐵、船舶發(fā)展的瓶頸，急需突破。

高焊接性能鋼，學術界稱之為“大熱輸入量鋼”，產(chǎn)業(yè)界通常稱“大線能量焊接鋼”，即可承受大線能量焊接、且焊接接頭性能滿足要求。根據(jù)許用焊接線能量大小，鋼板可粗略分為三類：①普通鋼板，可承受焊接線能量≤50kJ/cm；②大線能量焊接鋼板，可承受焊接線能量50-300kJ/cm；③超大線能量焊接鋼板，即可承受焊接線能量≥300kJ/cm，如圖1所示。

以60mm鋼板焊接為例，采用線能量500kJ/cm的氣電立焊，可單道次焊透，而采用線能量50kJ/cm以下的普通氣保焊或埋弧焊，約需30個道次。采用超大線能量技術、焊接效率可提升10倍以上，因此在船舶、海工等大型鋼結構制造領域應用潛力巨大。

圖1 鋼板分類

以日本制鐵、JFE、韓國浦項制鐵等為代表的國外企業(yè)已成功開發(fā)了超大線焊接線能量鋼板、許用線能量200-600kJ/cm，并獲產(chǎn)業(yè)化應用。國內(nèi)部分企業(yè)也先后加大研發(fā)力度，成功開發(fā)了耐大線能量焊接鋼板，但應用僅限于300kJ/cm線能量以下；對于焊接線能量300kJ/cm的超大線能量焊接板未見報道。此外，國外企業(yè)在開發(fā)鋼板的同時，同步開發(fā)了配套的焊接材料及焊接工藝，以確保焊接接頭質(zhì)量；而國內(nèi)，配套焊材和焊接工藝的研發(fā)基本處于空白。

當前滿足焊接線能量300kJ/cm以下的大線能量焊接鋼板及相關技術已實現(xiàn)國產(chǎn)化，可實現(xiàn)35mm鋼板的單道次焊透；但對于線能量300kJ/cm以上的超大線能量焊接鋼板，即40mm及以上鋼板可單道次焊透，當前國內(nèi)技術還不成熟。高技術船舶、海工裝備用超大線能量焊接技術及鋼板仍需依賴進口。

高端裝備用關鍵技術和材料不能自給、關系到國家的產(chǎn)業(yè)安全和經(jīng)濟安全。因此，本項目致力于解決焊接線能量300kJ/cm以上的技術瓶頸、開發(fā)出包括鋼板、焊絲和焊接工藝的成套技術和產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)替代進口。具體目標是，開發(fā)出40-80mm厚的低溫E級鋼板、及配套的焊絲和焊接工藝，可單道次制備出滿足性能要求的焊接接頭。

二、解決問題的思路與技術方案

隨著焊接線能量增大，焊接接頭（包括焊接熱影響區(qū)和焊縫）高溫停留時間變長，奧氏體晶粒會顯著長大、輔以較低的冷卻速度、在焊接后的冷卻過程中容易轉變成粗大晶界鐵素體、側板條鐵素體等組織，導致韌性惡化。

要整體提升焊接接頭韌性，需要從鋼板、焊材和焊接工藝分別入手，發(fā)揮三者協(xié)同耦合、同步提高焊縫和熱影響區(qū)的韌性。

經(jīng)過近十年攻關，由沙鋼牽頭、聯(lián)合江蘇科技大學、山東聚力焊材等單位組成的項目團隊另辟蹊徑、提出了“新一代氧化物冶金技術”概念（New route to improve Toughness of weld joint by synergetic use of Wire, Arc and Plate, NT-WAP，圖2）。NT-WAP技術思想包括：

1、從焊接接頭性能控制出發(fā)、創(chuàng)新性的提出了基于鋼板、焊絲、焊接工藝的三體協(xié)同技術路線，與過去沿用至今、單純依賴鋼板夾雜物調(diào)控的氧化物冶金概念存在本質(zhì)區(qū)別、拓展了新視野。

2、開發(fā)了富含活潑元素的焊絲，在改善焊縫性能的同時，利用其易于擴散的特性，可進一步提升焊接熱影響區(qū)的韌性；

3、發(fā)明了搖動電弧控制技術，通過焊接電弧調(diào)控和焊縫質(zhì)量在線監(jiān)控，提升了焊接接頭的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

圖2 “新一代氧化物冶金”NT-WAP技術示意圖

利用NT-WAP技術理念，形成了“鋼板+焊材+焊接工藝”的一體化技術解決方案（圖3）、攻克了600kJ/cm以上的超大焊接線能量的技術瓶頸、成功制備出40-80mm厚的E級鋼焊接接頭、填補國內(nèi)空白。應用本項目的技術和產(chǎn)品，實現(xiàn)了40-80mm厚度E級鋼板的單道次焊接，將現(xiàn)有E級鋼的許用焊接線能量提升至300-600kJ/cm。

圖3 三位協(xié)同的一體化同技術路線

三、主要創(chuàng)新性成果

提出了“鋼板+焊絲+焊接工藝”協(xié)同調(diào)控大線能量焊接接頭低溫韌性的新技術路線，發(fā)明了600kJ/cm級超大線能量可焊的低溫E級鋼、配套焊絲及焊接工藝新技術，解決了“卡脖子”關鍵技術問題，率先實現(xiàn)工業(yè)應用。

（1）發(fā)明了鋼板超大線能量焊接HAZ組織韌性調(diào)控技術。通過低C/Si/Nb組分與Mg/Ti氧化物協(xié)同調(diào)控，促進晶內(nèi)針狀鐵素體異質(zhì)形核，抑制M-A島生成和γ晶粒長大；揭示了Mg/Ti/Al的脫氧競爭規(guī)律，研制出專用包芯線；發(fā)明了新型電解法，精準提取出目標氧化物，形成Mg/Ti復合氧化物調(diào)控技術，解決了氧化物控制不穩(wěn)定的難題，實現(xiàn)600kJ/cm焊接HAZ的-20℃沖擊功>100J。

（2）發(fā)明了鋼板耐低溫組織軋制調(diào)控技術。通過示波沖擊試驗和斷口觀察，建立了鋼板有效晶粒尺寸數(shù)學模型，通過軋制工藝設計，同步制備了≤80mm厚鋼板內(nèi)/外層耐低溫針狀組織，芯部晶粒尺寸~4.98μm；揭示了金屬氧化物在軋制和焊接時的演變規(guī)律，闡明了金屬氧化物對接頭組織韌性轉變的影響規(guī)律，形成了基于有效晶粒尺寸調(diào)控的“氧化物有益化”軋制技術，鋼板-40℃沖擊功>300J。

（3）發(fā)明了超大線能量焊縫韌性的輕元素調(diào)控技術。發(fā)明了多絲埋弧焊縫韌性的輕元素調(diào)控技術，通過富B、適量N的焊絲設計，抑制晶界類粗大組織形成、促進BN/TiN析出，誘導針狀鐵素體生成，提高埋弧焊縫低溫韌性；發(fā)明了氣電立焊焊縫韌性的活潑金屬元素調(diào)控技術，通過藥芯中添加Mg/Ti/Mo，聯(lián)合B，改善焊縫成形、提高焊縫低溫韌性；研發(fā)了多絲埋弧焊絲鋼和氣電立焊焊絲，焊縫-40℃沖擊功>90J。

（4）發(fā)明了超大線能量焊接形性的搖動電弧超聲調(diào)控技術。通過電弧搖動調(diào)節(jié)窄坡口內(nèi)電弧熱力分布，細化焊縫晶粒，增大坡口側壁熔透，相同線能量時一次成形板厚提高34%以上；通過大線能量焊接電弧的超聲頻脈沖調(diào)制，激發(fā)大功率電弧及大體積熔池的超聲振動效應，細化焊接接頭組織，將鋼材許用焊接線能量再提升~100kJ/cm以上，適用板厚增加23%以上，解決了高效超大線能量焊接成形性調(diào)控難題。

四、應用情況與效果

項目技術和產(chǎn)品已成功應用于建造世界最大噸位的海上浮式生產(chǎn)儲卸油船（Fast4Ward型FPSO，排水量46萬噸，儲油量230萬桶），實物質(zhì)量優(yōu)于進口產(chǎn)品，實現(xiàn)國產(chǎn)替代進口，解決了國家重大工程急需。

2019-2021年期間，已累計向上海外高橋造船廠供應2萬余噸超大線能量船板鋼（含配套焊材和焊接工藝）。產(chǎn)品于2021年通過江蘇省工信廳組織的新產(chǎn)品鑒定，經(jīng)過質(zhì)詢和現(xiàn)場考察，專家組一致認定：項目產(chǎn)品達到“國際領先水平”。

項目已形成自主可控的產(chǎn)品和技術體系，可有效促進我國鋼鐵和高端裝備制造業(yè)的轉型升級，助力海洋強國和制造強國建設。

圖4 項目產(chǎn)品和技術

圖5 海上浮式生產(chǎn)儲卸油船