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，国内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
本项目从的用户需求出发，从材料与工艺两个角度提出切实可行的解决方案。本项目从微观组织控制、一体化制备工艺、配套焊接工艺、焊缝成形控制和焊接质量精准控制等多方位思考，全方位攻关，最终实现了海洋装备制造业焊接效率的大幅度提升。
图1 项目总体研究思路
三、主要创新性成果
1.超大线能量焊接用钢奥氏体晶粒长大控制和焊接热影响区微观组织调控技术
在超大线能量焊接条件下，焊接热影响区高温停留时间延长，奥氏体晶粒粗化严重，采用高温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晶粒长大过程及相变的规律，建立超大线能量焊接用钢奥氏体晶粒长大的模型，确定了热影响区组织转变的特征温度，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。
图2 奥氏体晶粒合并长大
图3 奥氏体晶粒晶界移动长大方式
为了控制高温下奥氏体晶粒的长大，需要有在高温下稳定存在的第二相粒子钉扎晶界。TiN是应用内最多的钉扎奥氏体晶粒的第二相粒子，可有效起到细化晶粒的作用。系统研究了Ti含量、N含量以及Ti/N比对焊接热影响区组织和性能的影响，确定了多元微合金化条件下合理Ti/N控制准则，形成了具有高强-耐低温-高效焊接等多种耦合的冶金全流程微观组织调控工艺技术。
2.完备的超大线能量焊接用钢一体化设计制造关键技术
以低碳复合Nb-Ti微合金化成分设计为基础，同时优化Cu、Cr、Ni等强化和提高韧性元素的配比，以保证超大线能量的焊接性能。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。
图4 经过经过热循环后不同Nb含量微合金钢的EBSD表征
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采用轻压下，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%。通过集成冶炼、连铸、轧制工艺调控的特厚板截面性能均匀性技术，形成完备的超大线能量焊接高强钢制造关键技术，解决低碳设计下强韧性匹配、组织均质化和性能稳定化问题。
3.超大线能量焊接用钢的焊接工艺技术
厚度大于70mm钢板横向熔宽可达40mm以上，而现有的气电立焊机只能进行纵向摆动，极易造成侧壁熔合不良。为此课题组进行了双丝气电立焊摆动机构的重新设计，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，开发出气电立焊工艺指导和接头性能评价系统，解决了大厚度双丝气电立焊的工艺瓶颈。
线能量是焊接工艺设计的基础，也是影响焊接接头性能的重要影响因素。气电立焊焊接线能量的控制是无法通过简单改变焊接工艺参数来调整的，经过大量的工艺试验，焊接线能量与坡口的截面积具有线性相关关系，其最大影响因素为板厚。通过坡口设计和工艺调整，使气电立焊可一次性焊接84mm钢板，实现厚板的单道焊接，获得高熔敷率和高质量的焊缝。
图5 工艺调整示例
4.高效窄间隙MAG全位置智能化焊接装置研发
针对坡口深度达到100-400mm时仍能实现稳定焊接的技术要求，以摆动电弧、双侧层流气体保护为核心的窄间隙双丝MAG焊炬研发，从机械设计层面解决侧壁熔合困难、气体保护不佳等焊接缺陷。
图6 窄间隙双丝MAG装备施焊过程
为了更好满足用户使用需求，对高效窄间隙MAG智能化焊接应用适应性要求，主要是针对用户提出的共性难点——坡口加工精度的问题，窄间隙坡口若出现凹凸变化，将无法保证整体接头的焊接质量。针对该问题，基于激光传感、焊接传热与填充特性耦合设计，实现了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。
5.高效窄间隙MAG焊接缺陷消除与成形调控技术
在窄间隙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。通过对熔滴过渡特征分析，建立电弧摆动条件下的熔滴过渡双模式协调联动机制，保证侧壁熔合和多位置熔池流淌的精准控制。
图7 摆动电弧窄间隙MAG焊示意图
因间隙过小无法后期修复的焊接难题，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是十分必要。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，再进行下一步实际焊接论证，确定适用于超大厚度窄间隙智能焊接工艺窗口。
图8 不同速度条件下的焊缝成形
窄间隙狭长的坡口对焊接变形量非常敏感，微弱的变形都可能造成间隙的变化，使得焊枪无法进入到坡口，对于异种钢焊接尤为明显，因此需进行应力应变控制技术的研究。借助坡口顶部间隙值的变化量来简单考察窄间隙MAG焊填充道数对坡口角变形的影响，明确顶部收缩量与填充道数的关系，保证焊接过程能够正常进行。
图9 （a）坡口未拘束；（b）焊接筋板拘束
图10 实焊件坡口顶部累计收缩量
除此之外，窄间隙MAG焊在应用到大厚壁结构的制造工艺中时，需要掌握大厚壁结构多层单道焊过程中坡口变形规律，避免不良现象出现。采用双面对称焊接型式、内嵌式钢块或引/收弧装置、锤击热处理等消应力处理等多种方法协同的方式控制焊接接头变形开裂。
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。
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，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）。
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；
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%。
