一、研究的背景与问题

高效焊接技术是高端海洋工程装备制造企业制造能力的体现，特别是超大线能量特厚板及智能高效焊接技术更是高效焊接技术中的“皇冠”，对提升海工特厚板的焊接效率，降低建造成本，缩短海工装备交付周期具有重要意义。目前，国内船舶海工企业仍主要采用小线能量的多层多道焊接工艺，存在焊接效率低、环境污染严重、成本高等问题，国外钢铁企业长期重视大线能量焊接用特厚板及高效焊接技术研究，特别是新日铁住金、JFE、浦项制铁等钢铁企业在该领域处于领跑地位，国内一段时间内仍处于跟跑阶段，主要面临以下三大难题：

1、随着船舶和海洋工程装备向大型化发展，对大厚度、高强韧、最大可适应线能量的要求不断提高，但是超大线能量海洋工程用特厚板和配套焊接工艺研制难度极大。在超大线能量条件下，如何提高焊接热影响区低温韧性是超大线能量钢板开发的核心难点。此外，目前配套的气电立焊工艺也不适合70mm以上钢板。

2、随着钢板厚度规格的增加，受连铸坯和压缩比的限制，如何解决特厚板截面组织和力学性能均匀性问题成为开发超大线能量焊接用海工特厚板的技术瓶颈。

3、窄间隙MAG焊是提高特厚板焊接效率一种有效途径，然而窄间隙MAG焊接技术在我国的船舶和海洋工程装备建造领域应用几乎处于空白阶段。另外，窄间隙MAG焊接仍存在以下技术难点尚未突破，主要体现在窄间隙焊接成形要求高、易产生侧壁未熔合缺陷、焊接工艺窗口较窄、坡口加工精度要求高等。

针对上述问题，鞍钢等六家单位从2017年开始，历时6年时间，充分发挥自身优势，通过“基础研究+关键技术+焊接装备及配套焊接工艺+应用”几个层次开展攻关工作，实现超大线能量海工钢研制和智能高效焊接技术创新示范应用，保证该项目整体水平达国际领先，有力支撑我国船舶海工行业高质量发展，进一步提升企业核心竞争力。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目从船舶和海洋装备的焊接应用高效化的用户需求出发，从材料与工艺两个角度提出全流程技术方案，解决钢铁材料力学性能、焊接质量、焊接效率三者的矛盾，推动船舶与海洋工程装备自动化、智能化的创新发展。本项目通过建立具有高强-耐低温-高效焊接等多种耦合关键特性的冶金全流程微观组织调控新理论，国内率先形成超大线能量焊接用钢全流程关键制造集成技术和配套焊接工艺技术，建立海洋用钢全系列高效窄间隙气体保护焊（MAG）智能化焊接体系，从而实现“系统制造+技术服务”的一体化焊接效率提升解决方案。

图1 项目总体研究思路

三、主要创新性成果

1、建立超大线能量焊接用钢奥氏体晶界移动和晶粒长大的模型，阐明了微合金元素和工艺因素对热影响区组织及M-A组元数量和尺寸的影响，确定了多元微合金化条件下合理Ti/N控制手段和作用效果。研究结果对深入认识焊接接头强韧性匹配设计和开发低成本超大线能量焊接用高强钢奠定理论基础。

图2 奥氏体晶粒长大及相变发生特征温度汇总

本项目通过采用激光共聚焦显微镜原位观察方法研究了超大线能量焊接用钢在模拟焊接热循环作用下焊接热影响区(HAZ)晶粒长大过程及相变的规律。经研究热循环过程中加热温度升高至1100℃时，奥氏体晶粒开始有明显长大的趋势，1300-1400℃时，晶粒以合并长大方式迅速长大；冷却过程中660-580℃时，发生奥氏体迅速向贝氏体转变，焊接HAZ主要由贝氏体与铁素体组成，贝氏体的尺寸是由奥氏体晶粒大小决定的。根据上述研究，对奥氏体晶粒长大及相变发生的特征温度进行汇总，为超大线能量焊接用钢控制原始奥氏体晶粒尺寸奠定理论基础。

进一步，建立并完善第二相粒子TiN的钉扎作用。TiN是应用最多的钉扎奥氏体晶粒的第二相粒子，可有效地起到细化晶粒的作用。经过大量实验得到以下结论：（1）TiN粒子会显著阻碍奥氏体晶粒的长大，Ti/N较低时，钉扎晶界的作用较强，可以显著细化组织，提高CGHAZ的韧性；然而，当Ti/N较高时，会在凝固前析出粗大的TiN颗粒，弱化钉扎效果，恶化CGHAZ的韧性；

2、焊接热影响区的韧性不仅取决于TiN含量，还取决于固溶态的Ti、N含量以及Ti/N比；当含N和Ti含量达到一定量的时候，继续增加含量不会带来TiN含量的显著改变，反而会恶化CGHAZ的韧性。上述研究工作，为焊接热影响区第二相粒子钉扎晶界和促进铁素体转变奠定理论基础。

图3 不同Ti/N比试验钢CGHAZ微观组织构成比例

图4 不同Ti/N比试验钢CGHAZ的晶粒取向图

超大线能量焊接热影响区中的上贝氏体具有平行生长的铁素体板条，这些铁素体板条间分布着M-A组元。板条间的M-A组元具有很高的碳浓度，变形能力很差，在冲击载荷作用下是极易产生裂纹，M-A组元的高长宽比为裂纹扩展提供了顺畅的通道。这是大线能量焊接条件下CGHAZ性能恶化的深层次原因。经研究发现，M-A组元的产生形成跟碳化物的形成有很大关系。Nb和Ti都可形成第二相粒子。不同的是，Ti主要形成的是TiN，形成温度高，可以起到钉扎奥氏体晶界作用。在低于理想Ti/N的条件下，没有多余的Ti可以形成TiC，对低温转变的影响较小。高于理想的Ti/N，引起M-A组元的增加。Nb是强碳化物形成元素，二相粒子为Nb(C,N)，形成温度低。提高Nb含量，M-A组元的数量增加明显。上述研究工作，为超大线能量焊接用钢成分设计奠定基础。

图5 不同铌含量对M-A组元的影响

图6 不同钛含量对M-A组元的影响

2、基于低碳和Nb-Ti复合微合金化设计准则，集成高精度低杂质冶炼连铸和精细化多阶段轧制工艺技术，解决强韧性匹配、组织均质化和性能稳定化问题，国内率先生产出超大线能量焊接（700kJ/cm）的高性能海洋装备用钢并批量供货，产品综合性能远超国内外同类产品。创新提出“十字摆动”方式的双丝气电立焊工艺技术和装备集成，搭建了工艺指导和接头性能预测系统，解决了大厚度双丝气电立焊的工艺瓶颈。

基于创新点1中材料设计理念，形成大线能量系列用钢的成分设计准则,保证母材和热影响区均具有良好的强韧性配合。

通过转炉进行合金成分粗调，在LF精炼处对各元素进行精确调整，重点在RH精炼处完成钛微合金化及定量吹氮等一系列工艺措施使产品的性能得到保证，攻克Ti、N和Ti/N三个关键指标的综合调控难题，连铸工序全程保护浇注并投入轻压下，实现产品高效稳定生产。

在轧制阶段，采用计算机模拟技术及精确低温加热技术，抑制奥氏体晶粒长大，减少氧化铁皮，保证钢坯表面质量，在超大线能量焊接用厚板的轧制中，再结晶阶段采用尽可能少的压下道次和尽可能多的单道次压下量，这样才能使变形深入到中心位置，破碎板坯中心铸态组织。超大线能量焊接用船板的轧制应保证足够的累积变形量，在奥氏体未再结晶区的轧制总变形量不低于50%。

表1 超大线能量钢板及接头力学性能

创新提出“十字摆动”双丝气电立焊工艺技术和装备集成，针对气电立焊机只能进行纵向摆动，以致造成侧壁熔合不良的弊端，对摆动机构的重新设计为横、纵两个方向协调摆动，完美解决了大厚度双丝气电立焊在宽度方向熔合不良的工艺瓶颈。搭建了具有独立知识产权的气电立焊工艺指导和接头性能预测系统，可根据输入的板厚等参数推理得到适用的焊接工艺参数并用文字形式提供给用户，实现了焊接过程的高效化管理和预测。

图7 超大线能量钢板及接头力学性能

表2 大线能量海洋装备用钢及配套工艺国内外对比

3、针对传统窄间隙焊侧壁熔合不良，坡口加工不适合海工行业的技术难题，构建以摆动电弧为设计核心的焊炬和以激光传感、焊接传热与填充特性耦合设计的坡口自适应系统协调联动的窄间隙焊接智能装备，匹配电弧摆动条件下的熔滴过渡双模式协调联动机制，形成适合于超大厚度超高强度免预热窄间隙焊接缺陷消除与成形调控技术。

针对坡口深度达到100-400mm时仍能解决侧壁熔合并实现稳定焊接的难题，本项目设计了一种喷嘴内置式摆动电弧窄间隙MAG焊炬，使得电弧充分在侧壁燃烧的同时，保证层间底部熔深。为解决该装备推广使用过程中因坡口加工精度难控制，从而影响了接头焊接质量，创新地提出基于激光传感、焊接传热与填充特性耦合设计的焊接自适应控制系统，实现大深宽比窄间隙坡口的焊缝特征识别和自适应反馈调节，保证了坡口加工质量较差时焊缝成形的一致性和质量控制的精准性。通过理论计算建立自适应模型，编写了焊接参数自适应控制模块，并集成于焊缝跟踪软件中，实现参数的实时调节，该系统传感器识别坡口深度>150mm，水平识别精度<+/-0.05mm，垂直识别精度<+/-0.05mm。

图8 窄间隙焊接智能装备

窄间隙MAG焊接中焊丝在坡口空间位置的改变会导致电弧形态、焊接电流等发生变化，最终影响熔滴过渡。通过熔滴过渡高速摄像的方式，确定一个摆动周期内，熔滴直径和过渡频率随时间的变化趋势。通过熔滴过渡特征分析，建立电弧摆动条件下的熔滴过渡双模式协调联动机制，使更多的电弧热量和填充金属被分配到坡口侧壁，降低坡口中间区域的能量输入和填充金属量，精准控制侧壁熔合和多位置熔池流淌。

图9 窄间隙焊的一个摆动周期内熔滴尺寸及过渡频率

采用模拟与实验得到的熔合线对比的方式来验证MAG焊熔池模型的可靠性和合适性,给出了模拟得到的焊缝横截面、表面形貌和实验得到的焊缝横截面。模拟结果与实验得到的焊缝截面形状基本吻合。

图10 模拟熔池的横截面与实际焊缝的横截面对比

通过温度场及应力场有限元模型，研究焊接工艺、坡口形式及焊道次序等对侧壁熔深、下凹参数、焊缝高度影响规律。通过三维模拟数据进行分析整理，确定相对合理的焊接参数后再进行实际焊接论证，明确全套超大厚度高强度全位置海洋用钢窄间隙MAG焊接的工艺窗口，建立工艺参数-焊缝成形-组织演变-焊缝缺陷的内在联系，形成适合于超大厚度（400mm）、超高强度(1000MPa)免预热窄间隙焊接缺陷消除与成形调控技术。

图11 摆动角度和侧壁停留时间对侧壁熔深的交互作用

采用窄间隙MAG对海工钢EH40、EH690和E1100进行焊接和性能检验，力学性能如下表。同时，在高效海洋用钢窄间隙MAG智能化焊接工艺开发与集成方面，对本项目研究成果与现有技术进行了对比，其先进性远优于现有技术。

表3 窄间隙技术对比

四、应用情况与效果

本项目从服务国家海洋强国战略和海洋工程装备高效化建造需求出发，鞍钢联合钢铁研究总院等单位历时6年，从材料与工艺两个角度提出全流程技术方案，完成适应超大线能量焊接的系列钢铁产品及配套焊接工艺协同开发和厚板窄间隙MAG焊接工艺及智能装备开发。

（1）完成单位内部应用

设计适合超大线能量焊接的高性能钢铁材料，研制出EH40以下级别全系列大线能量焊接海洋用钢板，完成厚EH40-W700船级社认证,并批量供货，鞍钢成为全球首家生产适合于700kJ/cm焊接线能量海洋用钢的钢铁企业。具体性能如下：钢板达到高强度（屈服390MPa以上）、高韧性（-40℃冲击55J以上）、特厚（最大规格84mm）、具有厚度方向性能（满足Z35要求）、焊接性能良好（可不预热焊接）、尤其是大线能量焊接适应性优异（可满足700kJ/cm以上线能量焊接）。并在鲅鱼圈厚板部、中厚板事业部完成批量稳定化生产，累积供货60余万吨，厚度规格可达84mm厚。

在鞍钢研究院焊接实验室完成全系列同/异种超大厚度窄间隙MAG装备及工艺研发，具体指标如下：钢板达到高强度（最高屈服可达1000MPa以上）、高韧性（-40℃冲击69J以上）、特厚（最大规格400mm）、具有厚度方向性能（满足Z35要求）、焊接性能良好（可不预热焊接）、提高焊接效率（较传统手工焊接提高1-30倍，板厚越厚效率越高）、降低生产成本（较传统手工焊接成本下降20%-70%，板厚越厚成本越低）。

（2）完成单位外部应用

2017年，68mm与84mm厚EH40-W600经过沪东中华造船有限公司评定，焊接性能优异，满足相关技术指标要求，并国内首次实现实船应用；

2018年，与大连船舶重工有限公司签订窄间隙MAG焊接技术输出协议，输出EH40以下级别窄间隙焊接工艺，形成焊接工艺指导手册，焊接性能满足船级社标准要求，该技术输出是鞍钢高效焊接技术的第一次输出，表明该技术拥有很大的技术贸易应用前景；

2019年，向中船重工716所进行技术输出，完成窄间隙MAG焊接工艺评定，效果良好；

2020年，在渤海造船厂有限公司和中船广西船舶及海洋工程有限公司两家公司进行技术输出，完成窄间隙MAG焊接工艺评定，效果良好，实现创新示范；

2020年起，针对中集海洋工程研究院150mm以上超大厚度齿条钢窄间隙工艺研究需求，自主研发双U窄间隙应力控制与工艺，并成功向中集进行技术输出，并通过技术评定，助力用户创效千万元；

2022年起，六个钢级大线能量焊接用钢板，完成国际船级社认证，并批量供货大连船舶重工有限公司，助力16000TEU大型集装箱船关键周期较目标压缩18%。

信息来源：鞍钢股份有限公司