海工领域高强钢的高效焊接技术与应用

包志刚

海工领域高强钢的高效焊接技术与应用

包志刚

1. 高强钢在海工领域的应用与焊接难点

高强钢在我公司主要项目中的应用主要有以下几个方面：①液化石油气运输船储罐：由于液化石油气运输船用储罐储存设计有半冷半压式、全压式及全冷冻式，若采用全压式设计，S690高强钢的使用变得尤为重要，可以使其结构重量轻又能承受最大的压力载荷。②海工吊车：海工吊车具有作业条件恶劣，具体起升高度大，作业范围广，起重量大及抗风能力强等特点。臂架、吊臂及基座转盘等受力部位使用S690高强钢。③海工模块：法国TOTAL MOHO NORD油田开发的浮式生产装置（FPU）模块，主结构包括立柱、斜撑及平台等重要部分采用S420级别高强钢，海上作业保证使用年限30年以上。④铺管船导管架：意大利Saipem铺管船导管架(STINGER)重要结构均采用S460高强钢，结构复杂，焊接难度大。

高强钢热影响区的软化与脆化是影响焊接接头性能的主要问题，钢板中一些细化晶粒的合金元素V、Ti、Al，在焊接过程中，热影响区受焊接热循环的影响，金属发生熔化凝固过程中，各种元素会部分气化损失，导致接头强度的软化。焊接热输入过大，层间温度高，也会使细化合金元素在高温区停留的时间长，导致金属元素气化损失多，金属凝固晶粒粗大，影响接头的韧性，最终必然降低焊接接头的综合性能。

综上所述，在焊接这些高强钢时，为防止冷裂纹，必须根据材料强度等级与产品结构形式的不同，采取相应的预热和后热措施，选用低氢型和超低氢型焊接材料，并采用回火悍道技术以减少焊趾处应力集中。为保证接头性能，减少热影响区脆化与软化，应控制焊接热输入，采用多层多道焊，减少高温停留时间。

部分高强钢焊接施工如图1~图3所示。

2. 高强钢用焊接材料的发展

在行业洗牌大背景下，中国海工产业能否承受住技术、资金等方面的风险，才是关键。因此，海工领域的高强钢焊接技术尤为重要，产品焊接是否能高质量、高效率的完成直接影响着生产周期及成本。对海工领域高强钢焊接材料的工艺焊接性与使用焊接性的要求极高，尤其是焊接接头的抗裂性与低温韧性。

虽然国内高强钢焊接材料的发展在我国取得了长足的进步，也有很多企业推荐的焊接材料，但是由于产品质量的不稳定性，实际应用还不普遍，且存在焊接材料的含氢量尚不能有效控制及低温韧性水平不高等问题。所以目前还是以国外进口焊接材料为

主，如伊萨、林肯、伯合乐、奥林康、沙福及日本神钢等。

图1 液罐高强钢预热

图2 高强钢退火焊道

图3 吊车高强钢TKY大拘束度接头焊接

《中国制造2025》出台，明确制造强国路线图。工信部指出，《中国制造2025》把海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一加快推进，明确了今后10年的发展重点和目标，为中国海工装备和高技术船舶发展指明了方向。未来中国海工造势指日可待，海工高强钢的焊接材料需求定会日益增多，给国内焊接材料厂家提供更多的机会与平台，必须在原材料购买、制作工艺等重要环节控制好质量，确保生产出性能可靠、质量稳定的焊接材料供海工制造商放心使用，这样我国海工制造行业才能走好焊接材料国产化的道路，使企业降低生产成本，提高盈利指数，强国强企。

3. 高强钢自动化焊接技术的应用

目前在汽车、摩托车等薄板高强钢焊接领域，由于产品制造技术是早期国外引进，流水线作业最早得益国外成熟的焊接自动化技术，而压力容器、船舶、工程机械和重型机械等其他领域，中厚板的高强钢自动焊技术比率也在不断提高，从工艺和设备上不断突破，由单丝埋弧焊到多丝埋弧焊，简易半自动到全自动焊接机器人，又发展成套焊接设备、焊接机器人、焊接中心及计算机辅助设计与制造技术等，自动化发展日益成熟。

但是在近几年国内火热的海工领域、海工模块及海工平台的高强钢自动化焊接，由于受产品结构复杂度、制作顺序影响，所以目前只局限于埋弧焊的高效应用，非重要结构的角焊可借助自动焊小车焊接。国内海工企业也想在高强钢管系自动化焊接技术上寻求突破，采用TIG+MAG全自动焊接设备，在试验室可勉强完成，但是受国产管子材料的圆度、装配精度、装配方式的影响，在实际应用中难度较大（见图4、图5）。

因此，未来对高强钢的自动化焊接技术，需要焊接材料生产商生产出更适合高效率应用的焊接材料；焊接设备厂要根据不同区域，不同行业的焊接特点，与企业共同合作，研制适合实际生产需要的自动焊设备，实现真正意义上的高效率、高质量、低成本的要求。

4. 高强钢切割技术的应用

由于高强钢含合金元素多、强度硬度高、碳当量高，使用火焰切割机切割这类中厚板材料时，割缝处易产生淬硬组织或裂纹现象，所以在进行切割作业前要进行预热，使之达到一定温度后才能进行切割。原始的钢板整体使用加热板预热后切割，首先在切割前的预热工作会占用0.5~1h，与此同时还会使产品部件因为冷却收缩而导致尺寸偏差。由于火焰切割效率低，能源消耗多，又不易控制切割尺寸，所以不适宜大规模推广。一般是在常规切割方式的基础上改装切割小车，在切割喷嘴前端多加一把火焰喷嘴，并控制好火焰加热温度（见图6）。切割小车运行过程中，预热和切割可同步进行，切割后割缝的金属组织差异不大，对焊接基本无太大影响，基本能完全满足企业生产需求，但是预热温度不均匀。因为未来对切割设备的展望上，如果能将预热的温度和设备数字化、自动化，这样不但能保证切割的尺寸，还能保证高强钢在切割后的性能不受影响。

图4 全自动TIG+GMAW焊管机

图5 全自动TIG+GMAW焊管机背部成形

而对于高强钢超薄板的切割，等离子切割、激光切割及高

压水切割等高效切割技术已经在各个领域有所应用，但是切割设备企业都依赖于国外进口核心技术，自己开发研究的相对较少。以喷嘴头为例，属于易消耗品，进口价格高但是使用效果好，无论是切割尺寸的精确度还是耐用性，都是有目共睹的。但是部分企业为了节省眼前的成本，购买国产喷嘴头，使用周期短，切割效果不良，给生产带来较多不便，最终又不一定能降低生产成本。所以，希望国内切割设备相关企业，能吸收国外技术的精髓，制造出质量更好的切割易消耗件，带给企业生产更多福音。

图6 切割小车改装割嘴

包志刚，上海交通大学、南通太平洋海洋工程有限公司。