海工領(lǐng)域高強(qiáng)鋼的高效焊接技術(shù)與應(yīng)用

包志剛

海工領(lǐng)域高強(qiáng)鋼的高效焊接技術(shù)與應(yīng)用

包志剛

1. 高強(qiáng)鋼在海工領(lǐng)域的應(yīng)用與焊接難點(diǎn)

高強(qiáng)鋼在我公司主要項(xiàng)目中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：①液化石油氣運(yùn)輸船儲(chǔ)罐：由于液化石油氣運(yùn)輸船用儲(chǔ)罐儲(chǔ)存設(shè)計(jì)有半冷半壓式、全壓式及全冷凍式，若采用全壓式設(shè)計(jì)，S690高強(qiáng)鋼的使用變得尤為重要，可以使其結(jié)構(gòu)重量輕又能承受最大的壓力載荷。②海工吊車(chē)：海工吊車(chē)具有作業(yè)條件惡劣，具體起升高度大，作業(yè)范圍廣，起重量大及抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。臂架、吊臂及基座轉(zhuǎn)盤(pán)等受力部位使用S690高強(qiáng)鋼。③海工模塊：法國(guó)TOTAL MOHO NORD油田開(kāi)發(fā)的浮式生產(chǎn)裝置（FPU）模塊，主結(jié)構(gòu)包括立柱、斜撐及平臺(tái)等重要部分采用S420級(jí)別高強(qiáng)鋼，海上作業(yè)保證使用年限30年以上。④鋪管船導(dǎo)管架：意大利Saipem鋪管船導(dǎo)管架(STINGER)重要結(jié)構(gòu)均采用S460高強(qiáng)鋼，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接難度大。

高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)的軟化與脆化是影響焊接接頭性能的主要問(wèn)題，鋼板中一些細(xì)化晶粒的合金元素V、Ti、Al，在焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響，金屬發(fā)生熔化凝固過(guò)程中，各種元素會(huì)部分氣化損失，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的軟化。焊接熱輸入過(guò)大，層間溫度高，也會(huì)使細(xì)化合金元素在高溫區(qū)停留的時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致金屬元素氣化損失多，金屬凝固晶粒粗大，影響接頭的韌性，最終必然降低焊接接頭的綜合性能。

綜上所述，在焊接這些高強(qiáng)鋼時(shí)，為防止冷裂紋，必須根據(jù)材料強(qiáng)度等級(jí)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的不同，采取相應(yīng)的預(yù)熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料，并采用回火悍道技術(shù)以減少焊趾處應(yīng)力集中。為保證接頭性能，減少熱影響區(qū)脆化與軟化，應(yīng)控制焊接熱輸入，采用多層多道焊，減少高溫停留時(shí)間。

部分高強(qiáng)鋼焊接施工如圖1~圖3所示。

2. 高強(qiáng)鋼用焊接材料的發(fā)展

在行業(yè)洗牌大背景下，中國(guó)海工產(chǎn)業(yè)能否承受住技術(shù)、資金等方面的風(fēng)險(xiǎn)，才是關(guān)鍵。因此，海工領(lǐng)域的高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)尤為重要，產(chǎn)品焊接是否能高質(zhì)量、高效率的完成直接影響著生產(chǎn)周期及成本。對(duì)海工領(lǐng)域高強(qiáng)鋼焊接材料的工藝焊接性與使用焊接性的要求極高，尤其是焊接接頭的抗裂性與低溫韌性。

雖然國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼焊接材料的發(fā)展在我國(guó)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，也有很多企業(yè)推薦的焊接材料，但是由于產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用還不普遍，且存在焊接材料的含氫量尚不能有效控制及低溫韌性水平不高等問(wèn)題。所以目前還是以國(guó)外進(jìn)口焊接材料為

主，如伊薩、林肯、伯合樂(lè)、奧林康、沙福及日本神鋼等。

圖1 液罐高強(qiáng)鋼預(yù)熱

圖2 高強(qiáng)鋼退火焊道

圖3 吊車(chē)高強(qiáng)鋼TKY大拘束度接頭焊接

《中國(guó)制造2025》出臺(tái)，明確制造強(qiáng)國(guó)路線(xiàn)圖。工信部指出，《中國(guó)制造2025》把海洋工程裝備和高技術(shù)船舶作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一加快推進(jìn)，明確了今后10年的發(fā)展重點(diǎn)和目標(biāo)，為中國(guó)海工裝備和高技術(shù)船舶發(fā)展指明了方向。未來(lái)中國(guó)海工造勢(shì)指日可待，海工高強(qiáng)鋼的焊接材料需求定會(huì)日益增多，給國(guó)內(nèi)焊接材料廠(chǎng)家提供更多的機(jī)會(huì)與平臺(tái)，必須在原材料購(gòu)買(mǎi)、制作工藝等重要環(huán)節(jié)控制好質(zhì)量，確保生產(chǎn)出性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定的焊接材料供海工制造商放心使用，這樣我國(guó)海工制造行業(yè)才能走好焊接材料國(guó)產(chǎn)化的道路，使企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高盈利指數(shù)，強(qiáng)國(guó)強(qiáng)企。

3. 高強(qiáng)鋼自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用

目前在汽車(chē)、摩托車(chē)等薄板高強(qiáng)鋼焊接領(lǐng)域，由于產(chǎn)品制造技術(shù)是早期國(guó)外引進(jìn)，流水線(xiàn)作業(yè)最早得益國(guó)外成熟的焊接自動(dòng)化技術(shù)，而壓力容器、船舶、工程機(jī)械和重型機(jī)械等其他領(lǐng)域，中厚板的高強(qiáng)鋼自動(dòng)焊技術(shù)比率也在不斷提高，從工藝和設(shè)備上不斷突破，由單絲埋弧焊到多絲埋弧焊，簡(jiǎn)易半自動(dòng)到全自動(dòng)焊接機(jī)器人，又發(fā)展成套焊接設(shè)備、焊接機(jī)器人、焊接中心及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等，自動(dòng)化發(fā)展日益成熟。

但是在近幾年國(guó)內(nèi)火熱的海工領(lǐng)域、海工模塊及海工平臺(tái)的高強(qiáng)鋼自動(dòng)化焊接，由于受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、制作順序影響，所以目前只局限于埋弧焊的高效應(yīng)用，非重要結(jié)構(gòu)的角焊可借助自動(dòng)焊小車(chē)焊接。國(guó)內(nèi)海工企業(yè)也想在高強(qiáng)鋼管系自動(dòng)化焊接技術(shù)上尋求突破，采用TIG+MAG全自動(dòng)焊接設(shè)備，在試驗(yàn)室可勉強(qiáng)完成，但是受?chē)?guó)產(chǎn)管子材料的圓度、裝配精度、裝配方式的影響，在實(shí)際應(yīng)用中難度較大（見(jiàn)圖4、圖5）。

因此，未來(lái)對(duì)高強(qiáng)鋼的自動(dòng)化焊接技術(shù)，需要焊接材料生產(chǎn)商生產(chǎn)出更適合高效率應(yīng)用的焊接材料；焊接設(shè)備廠(chǎng)要根據(jù)不同區(qū)域，不同行業(yè)的焊接特點(diǎn)，與企業(yè)共同合作，研制適合實(shí)際生產(chǎn)需要的自動(dòng)焊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)真正意義上的高效率、高質(zhì)量、低成本的要求。

4. 高強(qiáng)鋼切割技術(shù)的應(yīng)用

由于高強(qiáng)鋼含合金元素多、強(qiáng)度硬度高、碳當(dāng)量高，使用火焰切割機(jī)切割這類(lèi)中厚板材料時(shí)，割縫處易產(chǎn)生淬硬組織或裂紋現(xiàn)象，所以在進(jìn)行切割作業(yè)前要進(jìn)行預(yù)熱，使之達(dá)到一定溫度后才能進(jìn)行切割。原始的鋼板整體使用加熱板預(yù)熱后切割，首先在切割前的預(yù)熱工作會(huì)占用0.5~1h，與此同時(shí)還會(huì)使產(chǎn)品部件因?yàn)槔鋮s收縮而導(dǎo)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，所以不適宜大規(guī)模推廣。一般是在常規(guī)切割方式的基礎(chǔ)上改裝切割小車(chē)，在切割噴嘴前端多加一把火焰噴嘴，并控制好火焰加熱溫度（見(jiàn)圖6）。切割小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，預(yù)熱和切割可同步進(jìn)行，切割后割縫的金屬組織差異不大，對(duì)焊接基本無(wú)太大影響，基本能完全滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)需求，但是預(yù)熱溫度不均勻。因?yàn)槲磥?lái)對(duì)切割設(shè)備的展望上，如果能將預(yù)熱的溫度和設(shè)備數(shù)字化、自動(dòng)化，這樣不但能保證切割的尺寸，還能保證高強(qiáng)鋼在切割后的性能不受影響。

圖4 全自動(dòng)TIG+GMAW焊管機(jī)

圖5 全自動(dòng)TIG+GMAW焊管機(jī)背部成形

而對(duì)于高強(qiáng)鋼超薄板的切割，等離子切割、激光切割及高

壓水切割等高效切割技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用，但是切割設(shè)備企業(yè)都依賴(lài)于國(guó)外進(jìn)口核心技術(shù)，自己開(kāi)發(fā)研究的相對(duì)較少。以噴嘴頭為例，屬于易消耗品，進(jìn)口價(jià)格高但是使用效果好，無(wú)論是切割尺寸的精確度還是耐用性，都是有目共睹的。但是部分企業(yè)為了節(jié)省眼前的成本，購(gòu)買(mǎi)國(guó)產(chǎn)噴嘴頭，使用周期短，切割效果不良，給生產(chǎn)帶來(lái)較多不便，最終又不一定能降低生產(chǎn)成本。所以，希望國(guó)內(nèi)切割設(shè)備相關(guān)企業(yè)，能吸收國(guó)外技術(shù)的精髓，制造出質(zhì)量更好的切割易消耗件，帶給企業(yè)生產(chǎn)更多福音。

圖6 切割小車(chē)改裝割嘴

包志剛，上海交通大學(xué)、南通太平洋海洋工程有限公司。