海洋工程焊接技術(shù)現(xiàn)狀與分析

陳和興，易江龍

(廣州有色金屬研究院 中國-烏克蘭巴頓焊接研究院 廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510000)

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特約撰稿人麻彥龍

麻彥龍：男，1978年生。2011年1月于英國曼徹斯特大學(xué)獲博士學(xué)位，2011年8月受聘曼徹斯特大學(xué)博士后研究員，2014年12月入選重慶市高等學(xué)?！鞍陀鍖W(xué)者”特聘教授；現(xiàn)任重慶理工大學(xué)材料分析及測試中心主任。主要從事金屬材料的腐蝕與防護(hù)相關(guān)研究，尤其在第三代新型鋁鋰合金及其環(huán)保型陽極氧化表面處理技術(shù)方面開展了深入研究，在鋁合金的組織、特別是晶體取向?qū)︿X合金腐蝕及表面處理影響的研究方面取得了重要創(chuàng)新性成果。近5年以第一作者發(fā)表SCI論文15篇；先后主持或主研來自英國工程與自然科學(xué)研究委員會(EPSRC)、空中客車公司(Airbus)、薩帕集團(tuán)(Sapa Group)、國家自然科學(xué)基金委、教育部、重慶市科委/外專局等科研項目8項，獲得科研經(jīng)費累計100余萬元，2014年獲重慶市科技進(jìn)步一等獎(排名第5)。在包括歐洲腐蝕大會(EUROCORR 2010，俄羅斯)、鋁表面科學(xué)技術(shù)大會(ASST 2012，意大利；ASST 2015,葡萄牙)、2015新材料國際發(fā)展趨勢高層論壇等重要國際會議上多次作學(xué)術(shù)報告，并獲得第六屆世界鋁表面科學(xué)技術(shù)大會杰出貢獻(xiàn)獎。

特約撰稿人劉建軍

劉建軍：男，1973年生，研究員，博士生導(dǎo)師。2002年博士畢業(yè)于吉林大學(xué)理論化學(xué)研究所，2002年在德國馬普所做訪問學(xué)者，2003年1月赴美國Emory埃莫瑞大學(xué)的科學(xué)計算中心從事博士后研究工作，2005年先后在美國南伊利諾伊大學(xué)與密蘇里州立大學(xué)從事教學(xué)和研究工作，主要從事美國能源部資助的儲氫材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系計算研究。2011年11月獲得中國科學(xué)院百人計劃資助進(jìn)入中科院上海硅酸鹽研究所工作，主要研究方向：新型儲能材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系和微觀設(shè)計；異相催化反應(yīng)活性與納米結(jié)構(gòu)、組分、覆蓋率等關(guān)系的理論探索；光催化半導(dǎo)體材料負(fù)載納米結(jié)構(gòu)的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理研究。獲得國家自然科學(xué)基金委重點基金、中科院重點部署擇優(yōu)等項目資助。在化學(xué)與材料領(lǐng)域SCI收錄期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文60余篇。

第一作者：陳和興，男，1961年生，工學(xué)博士，教授，Email: 13500018529@163.com

海洋工程焊接技術(shù)現(xiàn)狀與分析

陳和興，易江龍

(廣州有色金屬研究院 中國-烏克蘭巴頓焊接研究院 廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510000)

陳和興

摘要：簡要匯總了中國-烏克蘭巴頓焊接研究院組織開展的“中國海洋工程中關(guān)鍵材料發(fā)展戰(zhàn)略研究”咨詢項目之焊接技術(shù)專項調(diào)研的階段成果，概述了海洋工程關(guān)鍵材料的焊接技術(shù)現(xiàn)狀，重點關(guān)注了艦船交通、海洋能源等領(lǐng)域已廣泛使用或具有良好發(fā)展前景的鋼鐵、鋁合金、鈦合金材料的焊接制造技術(shù)現(xiàn)狀及存在的主要問題，隨后從焊接材料、焊接工藝、焊接設(shè)備及生產(chǎn)3個方面梳理分析目前存在的主要技術(shù)壁壘，并指出未來的研發(fā)需求，希望能為海洋工程關(guān)鍵材料焊接技術(shù)研究與發(fā)展提供借鑒或參考。

關(guān)鍵詞：海洋工程；關(guān)鍵材料；焊接技術(shù)；技術(shù)壁壘；研發(fā)需求

1前言

海洋工程裝備制造業(yè)是國家“十二五”規(guī)劃中明確重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，也是高端裝備制造業(yè)的重要方向，是海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興的重要方向，尤其是海洋鉆井平臺業(yè)與船舶制造業(yè)[1]。

海洋工程裝備用材料的加工制造工藝主要以焊接為主，而我國新型海洋工程各種材料的焊接制造技術(shù)明顯落后于發(fā)達(dá)國家，差距較大，難以滿足國內(nèi)海洋開發(fā)和參與國際競爭的需要，因此優(yōu)質(zhì)、高效的焊接技術(shù)已成為海洋平臺裝備制造的關(guān)鍵技術(shù)，也是海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)長期戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素。

為了更好地通過調(diào)研總結(jié)和凝練海洋工程中關(guān)鍵材料存在的焊接技術(shù)共性問題和技術(shù)需求，根據(jù)中國工程院化工、冶金與材料工程學(xué)部的安排，由中國-烏克蘭巴頓焊接研究院(簡稱中烏院)為牽頭單位進(jìn)行“焊接技術(shù)調(diào)研”專項。針對海洋工程材料焊接技術(shù)現(xiàn)狀、存在技術(shù)壁壘和今后發(fā)展方向等進(jìn)行全面調(diào)研與分析。

2海洋工程關(guān)鍵材料焊接技術(shù)現(xiàn)狀

海洋工程材料通過裝備制造工業(yè)轉(zhuǎn)化為在海洋工業(yè)使用的大型裝備，是開發(fā)海洋資源的物質(zhì)前提。由海洋工程材料到具體裝備的制造過程中，離不開重要的傳統(tǒng)制造方法——焊接，它占海工裝備制造工作量的30～40%，不僅是海工裝備制造安裝的關(guān)鍵施工工藝，也是改造及維修的常用方法。焊接質(zhì)量是評價海洋工程裝備建造質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，合理的焊接方法能夠提高裝備制造效率，保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，提升裝備制造整體水平[2]。

我國海洋工程裝備制造使用多種性能各異的材料，涉及焊接技術(shù)種類繁多。本文重點關(guān)注艦船交通、海洋能源等領(lǐng)域已廣泛使用或具有良好發(fā)展前景的鋼鐵、鋁合金、鈦合金材料的焊接制造技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1鋼鐵材料的焊接技術(shù)

2.1.1焊接方法及工藝現(xiàn)狀

海洋工程用鋼鐵主要分為：海洋平臺、海底油氣管線、艦船制造、海洋風(fēng)力發(fā)電用鋼鐵材料等，如海洋平臺樁腿齒條鋼使用的Q690、海底油氣管線使用的X65/70鋼、艦船制造使用的EQ56/70鋼、LNG船使用的殷瓦鋼等[3]?，F(xiàn)階段，歐美、韓國、新加坡等海洋工程裝備制造強(qiáng)國已經(jīng)掌握鋼鐵材料的先進(jìn)焊接制造技術(shù)，也是世界范圍內(nèi)相關(guān)技術(shù)的引領(lǐng)者。國內(nèi)海洋工程裝備制造中的普通鋼結(jié)構(gòu)件焊接工藝已較為成熟，但重要結(jié)構(gòu)件的特殊鋼材的焊接工藝整體水平還有待提升。

國內(nèi)針對海洋工程裝備用鋼鐵材料的焊接方法依然以傳統(tǒng)焊接方法為主，包括手工電弧焊(SMAW)、藥芯焊絲電弧焊(FCW)、鎢極氬弧焊(GTAW)、埋弧自動焊(SAW)、氣電立焊(EGW)、焊劑銅襯墊單面焊(FCB)等，其中手工電弧焊、埋弧自動焊、藥芯焊絲電弧焊是現(xiàn)階段海工裝備制造企業(yè)廣泛使用的焊接方法[4]。

隨著海洋平臺用鋼材強(qiáng)度和厚度的增加，高強(qiáng)度鋼板在海洋工程裝備制造中的應(yīng)用比例逐漸升高。目前國內(nèi)大厚板高強(qiáng)鋼的焊接仍采用手工電弧焊或半自動藥芯焊絲電弧焊方法，如圖1所示，自升式平臺樁腿齒條板Q690鋼的焊接仍以手工電弧焊為主。因海工裝備制造用高強(qiáng)度鋼板均有一定厚度，手工電弧焊的工藝復(fù)雜，同時厚板的清根亦十分繁瑣，使得整體焊接效率不高。在勞動力成本高企不下的情況下，促使企業(yè)尋求更為高效的焊接方法和工藝。窄間隙焊接技術(shù)因其能顯著提高焊接效率，節(jié)省焊接材料，近年來成為海洋工程裝備大厚板焊接技術(shù)的熱點和發(fā)展趨勢。此外，復(fù)合焊接方法(激光電弧復(fù)合，等離子電弧復(fù)合等)因可集中利用各種焊接方法的優(yōu)點，提高海洋平臺用鋼的焊接效率，且隨著自動化程度的提高，也日益受到海洋平臺用鋼鐵材料焊接制造的青睞。

圖1　自升式平臺樁腿齒條板焊接現(xiàn)場Fig.1　On-site welding for the rack plate of the rack-up platform leg

要實現(xiàn)我國油氣開采從大陸架走向深海的跨越，除海洋平臺的油氣開采外，還必須有油氣儲存、運(yùn)輸和卸油系統(tǒng)的配套。目前國內(nèi)海洋工程企業(yè)已具備浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)、液化天然氣(LNG)液貨艙的生產(chǎn)能力，其中LNG船更是譽(yù)為世界造船工業(yè)“皇冠上的明珠”。FPSO船舶建造的關(guān)鍵仍是厚板高強(qiáng)鋼的焊接以及如何實現(xiàn)焊接接頭在低溫環(huán)境下保持高斷裂韌性。LNG船舶制造的難點是實現(xiàn)其關(guān)鍵材料殷瓦鋼的焊接。殷瓦鋼是一種鎳鐵合金，熱膨脹系數(shù)極低，在溫度變化時幾乎不變形，能適應(yīng)常溫至-163 ℃的溫度變化，是LNG船舶制造必不可少的材料，用于防止船體結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下冷裂。因其材質(zhì)極為嬌貴，汗?jié)n即能銹穿0.7 mm厚的殷瓦鋼，需最高級別的G級焊工使用手工氬弧焊完成，對焊接參數(shù)、工藝穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量要求極高，在LNG船液貨艙數(shù)百公里長的焊縫上即使一個焊點質(zhì)量不合格，就會造成船毀人亡的慘劇[3,5]。

針對海洋工程裝備的應(yīng)用環(huán)境，鋼鐵材料的水下焊接技術(shù)在國內(nèi)也一直受到重視和應(yīng)用。目前，水下焊接采用較多的焊接方法是水下濕法手工電弧焊，主要填充材料為實芯焊絲與藥芯焊絲。以藥芯焊絲為基礎(chǔ)的半自動或自動焊接是未來水下焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向，現(xiàn)階段我國水下焊接技術(shù)與國際先進(jìn)工業(yè)國家尚有一定差距，現(xiàn)有的水下焊接材料仍然以焊條為主，主要用于水下焊補(bǔ)等工作，還不能應(yīng)用于重要的海洋工程結(jié)構(gòu)的焊接工作[6-7]。

圖2為由烏克蘭國家科學(xué)院С.И.古丘克-亞岑科院士研發(fā)的水下管道閃光對焊工藝示意圖。該技術(shù)具有諸多優(yōu)勢:焊接效率高，焊接時間60～180 s(取決于管道尺寸)；焊接過程可實現(xiàn)自動化，所有的準(zhǔn)備及輔助操作都可借助遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)完成，無需潛水焊工；無需使用焊材即可完成焊接；焊前工件端面無需精細(xì)準(zhǔn)備，可以焊接異種金屬工件；焊接接頭無弧焊時產(chǎn)生的缺陷(夾渣、孔穴、空心、咬邊等)，廢品率低；焊接接頭質(zhì)量可以由焊接設(shè)備計算機(jī)檢測系統(tǒng)進(jìn)行評估，無需對接頭質(zhì)量進(jìn)行無損檢測。

圖2　水下管道維修焊接示意圖Fig.2　Schematic diagram of underwater pipe welding

2.1.2焊接材料現(xiàn)狀

海洋工程結(jié)構(gòu)對焊接材料的選用要求苛刻，不僅需取得相關(guān)船級社的認(rèn)可，還必須滿足海洋工程的特殊性能要求，在具有優(yōu)良的焊接操作工藝性能前提下，在大厚度板拘束度高的情況下，應(yīng)具有良好的抗裂性能，并保證焊縫金屬具有優(yōu)良的低溫韌性及斷裂韌性(CTOD)。

目前，國內(nèi)海工裝備普通結(jié)構(gòu)的焊接主要使用國產(chǎn)焊材，重要特殊結(jié)構(gòu)材料的焊材仍依賴進(jìn)口。如船體普通結(jié)構(gòu)件的EH36/DH/36等鋼的焊接主要使用國產(chǎn)焊材，40kg級以上船體結(jié)構(gòu)鋼、海洋平臺樁腿齒條鋼Q690、海工半潛船的E690鋼、LNG船的雙向不銹鋼、殷瓦鋼及焊劑銅襯墊埋弧自動單面焊(FCB)、氣電自動立焊等焊接均使用國外品牌焊材。主要是因為國產(chǎn)海工配套焊材整體質(zhì)量穩(wěn)定性不足，品種不齊全，更缺乏海工結(jié)構(gòu)所需要的接頭斷裂韌性、熱處理后的接頭性能和完整的焊接工藝參數(shù)[8]。

歐美、日韓等國在海洋工程建設(shè)方面起步早，鋼材、焊材等方面研發(fā)投入較深，因此產(chǎn)品線齊全，有各級別的配套焊材。海洋工程用鋼一般需要采用低氫焊材進(jìn)行焊接，因此采用無縫藥芯焊絲焊接是發(fā)展趨勢，其氫含量<5 mL/100 g，抗吸濕性好，即使長期存放在潮濕環(huán)境下，無需烘干即可使用，但目前國內(nèi)還很少生產(chǎn)無縫藥芯焊絲。

2.1.3存在主要問題

現(xiàn)階段國內(nèi)針對海洋工程裝備用鋼鐵材料的焊接方法依然以傳統(tǒng)焊接方法為主，針對新型鋼鐵材料開發(fā)的高效焊接方法仍比較欠缺，未能在實際制造中具體應(yīng)用，如船舶、艦艇新型鋼鐵材料的激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)，國外已經(jīng)實際應(yīng)用，但國內(nèi)還基本處于研究階段，急需縮短與國際先進(jìn)制造企業(yè)的差距。此外，目前海洋工程裝備焊接的自動化水平與國外相比尚存在一定的差距，無法滿足現(xiàn)階段裝備制造的需求。如海洋平臺樁腿的復(fù)雜節(jié)點TKY焊接，其主要為相貫線的焊接，由于接頭坡口角度小，導(dǎo)致槍頭無法伸入，只能通過自動化焊接系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。

另外，對大厚板高強(qiáng)度鋼的焊接工藝和機(jī)理方面仍有諸多方面需要探究，包括：需進(jìn)一步研究如何在不預(yù)熱條件下，焊接更高強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼而不產(chǎn)生裂紋；焊縫中針狀鐵素體形核和相變機(jī)制目前尚無定論；800 MPa級以上低合金高強(qiáng)鋼接頭區(qū)軟化、脆化及韌性下降問題，以及對于低合金高強(qiáng)鋼焊接出現(xiàn)的熱影響區(qū)軟化、脆化和冷裂紋等問題仍是高強(qiáng)鋼焊接研究的重點。

2.2鋁合金材料的焊接技術(shù)

2.2.1國內(nèi)外現(xiàn)狀

鋁合金材料因具有密度低、比強(qiáng)度高及耐腐蝕性優(yōu)良等特點，使其作為結(jié)構(gòu)材料在造船業(yè)日益受到重視，可以實現(xiàn)有效地減輕船舶的重量，提高穩(wěn)性和航速，增強(qiáng)艦艇的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能的目的。從最初的普通船舶用材到軍事船舶(驅(qū)逐艦、巡洋艦、航空母艦等)的翹板、甲板室、飛機(jī)發(fā)射架、升降舵等結(jié)構(gòu)用材和能源運(yùn)輸設(shè)備(LNG船，直升機(jī)平臺等)用材，同時由于鋁合金的良好導(dǎo)熱效率等特點逐漸被開發(fā)用于海水淡化、溫差發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)[9]。

美國、日本、英國和前蘇聯(lián)早已把鋁合金作為船舶結(jié)構(gòu)的主要材料之一。目前，日本已有一百多家公司正在建造鋁合金高速船、客輪和漁船，鋁合金船只總數(shù)已超過2 500艘；美國采用鋁合金建造的各種艦船有2 000多艘；北歐、法國、澳大利亞等國建造的鋁合金客船、科學(xué)考察船等約有1 000艘，并且鋁合金船日趨大型化。在國外，鋁合金焊接的研究相對比較成熟，率先研發(fā)出了鋁合金焊接新技術(shù)，如A-TIG焊接、雙面雙弧TIG焊接、脈沖MIG焊接(PMIG)、雙脈沖MIG焊接(DPMIG)、雙絲MIG焊接、攪拌摩擦焊等新工藝，對與之相配套的基本原理、設(shè)備設(shè)計、工藝特點等各方面也在不斷深入研究，應(yīng)用研究也日漸成熟。

我國從20世紀(jì)50年代就開始研制和建造鋁合金高速船，但是，至今除氣墊船可以小批量生產(chǎn)外，其它各類鋁合金船均處于研制或首制階段，而鋁質(zhì)氣墊船仍多采用落后的鉚接連接工藝。海洋工程裝備采用鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料越來越多，國內(nèi)也相繼開展了大量的鋁合金焊接工藝、焊接技術(shù)以及應(yīng)用研究，包括鎢極交流氬弧焊(TIG)、鎢極直流正接混合氣體保護(hù)焊、鎢極脈沖氬弧焊(TIG-P)和熔化極脈沖惰性氣體保護(hù)焊(MIG-P)等焊接工藝，如圖3所示，鋁合金船舶現(xiàn)場焊接采用鎢極交流氬弧焊[10]。現(xiàn)階段對鋁合金的攪拌摩擦焊與激光焊等焊接方法研究較為集中，但相關(guān)焊接技術(shù)主要是通過從俄羅斯、烏克蘭等歐洲國家引進(jìn)艦船等海工裝備的制造技術(shù)，在中國進(jìn)行消化吸收、創(chuàng)新，形成成套的焊接技術(shù)。

圖3　鋁合金船舶采用鎢極交流氬弧焊現(xiàn)場焊接圖Fig.3　On-site welding for Al alloy ships

2.2.2存在主要問題

國內(nèi)海洋工程裝備鋁合金材料焊接技術(shù)與國際先進(jìn)水平還存在較大差距，在實際制造過程中應(yīng)用極其有限。而對于國外沒有采用的鋁合金不敢輕易在艦船等裝備上進(jìn)行應(yīng)用，也不敢大幅度改用其他先進(jìn)焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。缺乏海工裝備鋁合金焊接技術(shù)的基礎(chǔ)性研究和高效的焊接制造技術(shù)。此外，對鋁合金焊接技術(shù)的基礎(chǔ)性研究相對較少，包括合金微量元素對第二相粒子形成的作用機(jī)理、不同焊接方法影響基體與第二相粒子分布、形態(tài)等，缺乏焊接工藝參數(shù)與基體和第二相粒子等的組織演變規(guī)律認(rèn)識、疲勞可靠性、安全壽命評估等。

2.3鈦合金材料的焊接技術(shù)

2.3.1國內(nèi)外現(xiàn)狀

鈦及鈦合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性良好，特別對海水和海洋大氣具有優(yōu)良的耐腐蝕性，是優(yōu)異的輕型結(jié)構(gòu)材料，被稱為“海洋金屬”。鈦及鈦合金在海洋工程中具有廣泛的用途，特別適用于做輕型海工裝備，對提高海洋工程裝備，尤其是武器裝備的作業(yè)、作戰(zhàn)能力、安全性、可靠性等方面具有十分重要的意義，是建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要戰(zhàn)略材料，鈦及鈦合金的焊接技術(shù)的先進(jìn)水平及焊接質(zhì)量是海工工程裝備及武器的重要保障[11-12]。

俄羅斯、美國等軍事發(fā)達(dá)國家在航母、核潛艇、常規(guī)潛艇、水面艦艇等海軍裝備中大量使用了鈦合金，并采用各種焊接方法焊接而成，比如TIG焊、MIG焊、等離子焊、激光焊、電子束焊及窄間隙焊等工藝。實踐證明沒有優(yōu)良的鈦合金焊接技術(shù)就不能保障鈦合金在以上海軍裝備中的良好應(yīng)用，更不能保障艦船等裝備的作戰(zhàn)技術(shù)性能。其中，俄羅斯在艦船及潛艇用鈦合金方面最先進(jìn)，率先研制出全鈦殼體核潛艇[13-14]。針對鈦合金的焊接，烏克蘭巴頓焊接研究所開發(fā)了厚板鈦合金磁控電弧窄間隙TIG焊接工藝及設(shè)備(如圖4所示)。該技術(shù)可解決窄間隙焊接中的側(cè)壁熔合不良問題，兼具 TIG 焊焊接方法加工精度高的優(yōu)點[15]。

圖4　厚板鈦合金磁控電弧窄間隙TIG焊設(shè)備照片F(xiàn)ig.4　Image of magnetic control arc narrow-gap TIG welding equipment for thick Ti alloy plate

中國從20世紀(jì)60年代末期開始效仿蘇聯(lián)的鈦合金及焊接工藝。目前已初步形成了具有我國特色，適合我國國情的船用鈦合金系列，能滿足水面艦艇、水下潛艇和深潛器用的不同強(qiáng)度級別及不同部位的要求[16]。中國艦船鈦合金的焊接工藝主要采用TIG，也有脈沖TIG以及MIG焊接工藝。

2.3.2存在主要問題

鈦合金材料在海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用及基礎(chǔ)研究在國內(nèi)還處于起步的初級發(fā)展階段，與國際差距明顯，主要表現(xiàn)在焊接技術(shù)研究方面，比如在艦船用鈦合金焊接方面如何控制氫和焊接應(yīng)力是關(guān)鍵技術(shù)問題，國內(nèi)外還鮮有資料報道。這是制約我國艦船等用高強(qiáng)鈦合金焊接的主要技術(shù)難題，亦是與國外的技術(shù)差異所在。目前我國海洋工程用鈦合金焊接的應(yīng)用技術(shù)研究嚴(yán)重滯后，缺乏高可靠、高效率的焊接制造技術(shù)和對鈦合金焊接技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，包括合金元素作用機(jī)理、服役可靠性、安全壽命評估等。

3存在技術(shù)壁壘

我國目前已經(jīng)形成系列海洋工程裝備制造技術(shù)，在高、中端產(chǎn)品建造方面已具備一定技術(shù)積累，海洋平臺及船舶鋼焊接技術(shù)較為成熟，最新數(shù)據(jù)顯示，中國企業(yè)已取代新加坡成為全球最大的自升式鉆井平臺制造商?？傮w來看，目前我國海洋工程裝備制造企業(yè)的焊接整體技術(shù)水平能滿足生產(chǎn)需要，但仍存在設(shè)備自動化、智能化水平較低，中高端焊材國產(chǎn)化率低，焊接質(zhì)量難以控制，缺乏對結(jié)構(gòu)安全評價等問題。從焊接材料、焊接工藝、焊接設(shè)備及生產(chǎn)3個方面進(jìn)行分析，梳理以下存在的主要技術(shù)壁壘。

3.1焊接材料

海洋工程用國產(chǎn)高端焊接材料缺乏，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性隨著國內(nèi)焊接材料的不斷發(fā)展，市場已有滿足海洋工程使用的普通焊接材料，但其在質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接操作工藝性能上與進(jìn)口焊接材料仍存在一定差距。此外，國產(chǎn)海工焊接材料還存著產(chǎn)品種類不全，高端焊接材料匱乏的問題，如缺乏與EQ47以上等級鋼材、特殊材料(殷瓦鋼、鋁合金、鈦合金等)相匹配的焊接材料。分析其原因，一方面是海洋工程在建造質(zhì)量的控制程序上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通船舶的建造，對焊接材料要求比普通船舶更為苛刻，使得國內(nèi)高端海工焊接材料研發(fā)難度較高；另一方面國內(nèi)焊材企業(yè)進(jìn)入海工領(lǐng)域時間不長，技術(shù)積累與產(chǎn)品知名度與國外大廠商有一定差距，導(dǎo)致國產(chǎn)焊接材料市場推廣應(yīng)用困難，阻礙產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提升。

國產(chǎn)高效焊接工藝配套用焊接材料發(fā)展相對滯后目前國內(nèi)海工裝備制造企業(yè)為提高焊接效率，已逐漸開始使用多種高效焊接工藝，如氣電自動立焊(單絲/雙絲)、FCB(焊劑銅襯墊)埋弧自動單面焊平面分段流水線、雙絲/多絲MAG(熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊)焊等，此類高效焊接設(shè)備多從國外引進(jìn)，其配套焊接材料亦使用進(jìn)口焊材。國產(chǎn)配套焊材廠商需在吸收和消化焊接工藝后，再進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，導(dǎo)致國產(chǎn)配套焊材發(fā)展相對滯后，無法及時滿足配套焊材國產(chǎn)化需求，阻礙高效焊接工藝在海工裝備制造中的大規(guī)模應(yīng)用。

鋁合金、鈦合金等有色金屬焊材缺乏隨著有色金屬材料在海洋工程領(lǐng)域的大量應(yīng)用，對有色金屬焊材的需求與日俱增，但國內(nèi)有色金屬焊材的研發(fā)還處于起步階段，尤其缺乏目前海工裝備制造急需的鋁合金、鈦合金焊材。如鋁合金船舶大量使用的5083鋁合金、在國內(nèi)潛艦、鉆井管等使用的TC4鈦合金焊接均需使用大量進(jìn)口焊材，價格昂貴，且國內(nèi)尚無替代性產(chǎn)品，制約高性能有色金屬在海工裝備制造中的推廣應(yīng)用。

3.2焊接工藝

高強(qiáng)鋼焊接工藝復(fù)雜，焊接效率較低海洋石油平臺高強(qiáng)鋼的焊接多采用手工電弧焊，尤其在管子節(jié)點等關(guān)鍵部件焊接上使用。此類節(jié)點多為拘束度大、應(yīng)力集中的重要結(jié)構(gòu)，因其構(gòu)件密集、狹小和焊接位置多樣化，導(dǎo)致焊接施工困難，焊接的機(jī)械化程度也受到一定限制。另一方面，高強(qiáng)鋼對焊接熱影響區(qū)的淬硬性和焊接裂縫敏感性較高，要求對預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入和焊后冷卻速度等進(jìn)行嚴(yán)格控制，使得高強(qiáng)鋼焊接工藝復(fù)雜，難以實現(xiàn)高效率的焊接自動化。

大厚度高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)件剛性大，焊后殘余應(yīng)力高，變形難以控制大厚度高強(qiáng)鋼焊接時采用手工電弧多層多道焊，其焊接熱輸入量大，且海洋工程焊接件的結(jié)構(gòu)尺寸大，使得焊后殘余應(yīng)力高，變形難以控制?；诤９ぱb備服役的特殊環(huán)境，其對焊接接頭性能要求較高，若結(jié)構(gòu)件尺寸變形較大，會導(dǎo)致不能滿足尺寸要求及裝配精度，增加復(fù)雜的后續(xù)加工，甚至致使整個結(jié)構(gòu)件報廢。此外，焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力峰值及分布情況將直接影響結(jié)構(gòu)件的性能及服役時間。

鋁合金焊接易產(chǎn)生氣孔，變形控制比鋼結(jié)構(gòu)難度大和鋼材相比，鋁合金在焊接過程中，凝固點的溶解度會急劇下降，且由于鋁的導(dǎo)熱性強(qiáng)，導(dǎo)致冷卻速度快，不利于氣泡的浮出，導(dǎo)致焊縫容易產(chǎn)生氣孔。此外，由于鋁合金的導(dǎo)熱率大，使得在焊接過程中工件熱量分布不均勻，易產(chǎn)生不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力(縱向內(nèi)應(yīng)力和橫向內(nèi)應(yīng)力)，致使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種變形，加大變形控制難度。

3.3焊接設(shè)備及生產(chǎn)

焊接自動化水平較低，機(jī)器人焊接設(shè)備匱乏目前海工裝備制造使用的焊接設(shè)備仍以手工電弧焊、CO2半自動焊和埋弧焊機(jī)為主，專用的機(jī)器人焊接設(shè)備缺乏，且對大厚板高強(qiáng)鋼的加工裝配能力欠缺，整體自動化水平較低。

缺乏對焊接設(shè)備與焊接質(zhì)量的信息化、智能化控制，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性不足普遍缺乏對生產(chǎn)線焊接設(shè)備信息化、智能化控制，各焊接部件信息量的傳遞十分有限，難以實現(xiàn)復(fù)雜的焊接工藝協(xié)調(diào)控制。且在焊接生產(chǎn)中主要對焊后的焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測，缺乏對焊接過程的在線質(zhì)量監(jiān)控，難以保證焊縫質(zhì)量的重現(xiàn)性，也無法實現(xiàn)在焊接過程中實時優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得最優(yōu)的焊縫質(zhì)量。

4未來研發(fā)需求

開展海洋工程用高端焊接材料國產(chǎn)化研究，包括高強(qiáng)度鋼(屈服強(qiáng)度560 MPa以上)用高斷裂韌性(CTOD)焊材、單面焊雙面成型埋弧焊材料(FCB焊材)、特殊位置高效焊接材料(立向上不用擺藥芯焊絲)、高品質(zhì)有色金屬用焊材(鋁合金、鎂合金、鈦合金等)。

推進(jìn)高效自動化焊接設(shè)備、先進(jìn)焊接工藝在海工裝備制造中的大規(guī)模應(yīng)用，包括自動橫焊、立焊、環(huán)形焊、角焊設(shè)備或機(jī)器人開發(fā)、 耐高溫、狹窄空間施焊機(jī)器人開發(fā)、FCB生產(chǎn)線國產(chǎn)化、中厚板高效自動化焊接裝備(窄間隙MAG、窄間隙埋弧焊等)、激光焊接在船體焊接的應(yīng)用、鋁合金的攪拌摩擦焊技術(shù)研發(fā)(平面和分段)。

提高焊接結(jié)構(gòu)安全評估及變形控制技術(shù)，包括船舶及海洋工程焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬技術(shù)研究、復(fù)雜/薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形控制設(shè)備/技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究、鋁合金復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)全壽命評估技術(shù)研究、半潛船60 mm厚甲板焊接變形控制、鋁合金薄板變形控制技術(shù)、在線焊縫跟蹤與質(zhì)量檢測技術(shù)。

5對策及建議

當(dāng)前，勞動力成本不斷上漲及緊缺現(xiàn)象已成為制約國內(nèi)海洋工程在船市低迷時期正常發(fā)展的主要因素。因此，需大力發(fā)展高效焊接技術(shù)，提升焊接自動化水平，以減少人為因素對海洋工程發(fā)展制約的影響。此外，通過加大力度培養(yǎng)綜合性焊接人才及與科研院所開展人才交流合作，以彌補(bǔ)企業(yè)焊接技術(shù)人才匱乏的窘?jīng)r。

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接已和電子技術(shù)、自動控制及信息化等多學(xué)科緊密結(jié)合。對未來海洋工程領(lǐng)域焊接技術(shù)的發(fā)展，主要應(yīng)集中在多學(xué)科協(xié)同合作的焊接智能化、自動化焊接系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)高效焊接工藝、高效焊接材料開發(fā)等方向。

6結(jié)語

本文基于中國-烏克蘭巴頓焊接研究院組織開展的“中國海洋工程中關(guān)鍵材料發(fā)展戰(zhàn)略研究”咨詢項目之焊接技術(shù)專項調(diào)研階段工作的匯報，結(jié)合近年來與烏克蘭國家科學(xué)院巴頓焊接研究所合作的研究項目，對海洋工程關(guān)鍵材料的焊接技術(shù)現(xiàn)狀、存在的技術(shù)壁壘、未來研發(fā)需求進(jìn)行初步梳理分析，希望為海洋工程關(guān)鍵材料的焊接技術(shù)研究與發(fā)展提供一些借鑒與參考。

致謝 感謝中國工程院的項目支持，感謝項目負(fù)責(zé)人周廉院士的鼓勵和支持。

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(編輯惠瓊)

The Current Situation Analysis of Welding Technologyof the Ocean Engineering

CHEN Hexing，YI Jianglong

(Guangzhou Research Institute of Non-Ferrous Metal，E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding,

Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Guangzhou 510000, China)

Abstract：This paper is considered as the staged achievement of the special investigation of the welding technology included in the consulting project of the strategy research of the development of the key materials in the Chinese ocean engineering. This consulting project is organized by the E.O. Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding. It summarizes the current situation of the welding technology for the key ocean engineering materials, especially focused on the current technical situation and existing problems of the steel, aluminum and titanium materials, which are widely used or have good prospects in the field of the ship traffic and ocean energy. It sorts out the current technical barriers and the future research demands by analyzing the welding materials, procedure and equipment of the key ocean engineering materials welding. Hoping this paper could provide a reference for the research and development of the welding technology of the key ocean engineering materials.

Key words：ocean engineering; key materials; welding technology; technical barriers; research demands

中圖分類號：TG47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)12-0938-06

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.12.12

基金項目：廣東省重點實驗室建設(shè)項目(2012A061400011)；國家國際科技合作項目(2014DFR50310)

收稿日期：2015-02-15