科技新进展：海洋领域高效、智能、绿色、低成本焊接技术集成及创新示范
科技新进展：海洋领域高效、智能、绿色、低成本焊接技术集成及创新示范
在海洋工程装备制造业中，焊接技术是决定产品质量和生产效率的关键环节。近年来，鞍钢等单位在超大线能量焊接用钢及智能高效焊接技术方面取得了一系列重要突破，不仅提升了我国船舶海工行业的制造能力，也为全球海洋工程装备制造业的发展做出了重要贡献。
研究背景与挑战
高效焊接技术是高端海洋工程装备制造企业制造能力的重要体现，特别是超大线能量特厚板及智能高效焊接技术更是该领域的核心技术。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。此外，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，这给超大线能量海洋工程用特厚板和配套焊接工艺的研制带来了巨大挑战。
创新解决方案
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，实现了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。
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。研究团队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，建立了超大线能量焊接用钢奥氏体晶粒长大的模型。
图1：奥氏体晶粒合并长大
图2：奥氏体晶粒晶界移动长大方式
完备的超大线能量焊接用钢一体化设计制造关键技术
研究团队以低碳复合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，形成大线能量系列用钢的成分设计准则。通过转炉、LF精炼、RH精炼等工序的优化，攻克Ti、N和Ti/N三个关键指标的综合调控难题，实现了产品高效稳定生产。
图3：经过热循环后不同Nb含量微合金钢的EBSD表征
超大线能量焊接用钢的焊接工艺技术
研究团队创新提出“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。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。
图4：工艺调整示例
高效窄间隙MAG全位置智能化焊接装置研发
研究团队研发了以摆动电弧、双侧层流气体保护为核心的窄间隙双丝MAG焊炬，解决了侧壁熔合困难、气体保护不佳等焊接缺陷。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。
图5：窄间隙双丝MAG装备施焊过程
高效窄间隙MAG焊接缺陷消除与成形调控技术
研究团队建立了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。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，确定适用于超大厚度窄间隙智能焊接工艺窗口。
图6：不同速度条件下的焊缝成形
图7：（a）坡口未拘束；（b）焊接筋板拘束
图8：实焊件坡口顶部累计收缩量
应用效果与展望
鞍钢联合钢铁研究总院等单位历时6年，完成了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。具体成果包括：
- 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。
- 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年起，相关技术成果陆续在沪东中华造船有限公司、大连船舶重工有限公司等多家企业实现应用，助力16000TEU大型集装箱船关键周期较目标压缩18%。
这些创新成果不仅提升了我国船舶海工行业的制造能力，也为全球海洋工程装备制造业的发展做出了重要贡献。