问题船舶建造中的钢板分类与问题

1 研究背景及问题

在船舶建造中，焊接工艺约占建造周期的30%，约占制造成本的15%。 焊接效率直接关系到船舶制造的竞争力。 以万吨级集装箱船为例，我国的建造时间是日本的三倍。 高焊接性钢材已成为制约我国钢铁和船舶工业发展的瓶颈，亟待突破。

高焊接性能钢在学术界被称为“高线能量焊接钢”，在工业界被称为“高线能量焊接钢”。 可承受高线能量焊接，焊接接头性能满足要求。 根据允许的焊缝能量，钢板大致可分为三类：①普通钢板，可承受焊缝能量≤50kJ/cm； ②大线能量焊接钢板，可承受焊接线能量50-300kJ/cm； ③特大线能量焊接钢板可承受焊接线能量≥300kJ/cm，如图1所示。

以60mm钢板焊接为例，线性能量为500kJ/cm的气电立焊可单道焊透，而线性能量小于50kJ/cm的普通气体保护焊或埋弧焊大约需要30次通行证。 。 采用超大线性能量技术，焊接效率可提高10倍以上，因此在船舶、海洋工程等大型钢结构制造中具有巨大的应用潜力。

图1 钢板分类

以新日铁、JFE、韩国浦项制铁等为代表的国外企业已成功开发许用线能量200-600kJ/cm的超大型线焊线能量钢板，并已实现产业化。 国内一些企业也加大了研发力度，成功研发出高线能量焊接钢板，但其应用仅限于线能量300kJ/cm以下； 焊缝线能量为300kJ/cm的超大线能量焊板尚未见报道。 此外，国外企业在开发钢板的同时，也开发了配套的焊接材料和焊接工艺，以保证焊接接头的质量。 但国内，配套焊接材料和焊接工艺的研发基本空白。

目前，满足300kJ/cm以下焊接线性能量的大型线性能量焊接钢板及相关技术已国产化，可实现35mm钢板的单道焊接； 但对于线能量300kJ/cm以上的超大线能量焊接钢板，即40mm及以上的钢板，可一次焊透，但目前国内技术尚不成熟。 超大型线性能量焊接技术和高技术船舶及海洋工程装备用钢板仍需依赖进口。

高端装备关键技术和材料不能自给自足，关系到国家产业安全和经济安全。 因此，该项目致力于解决300kJ/cm以上焊线能量的技术瓶颈，开发钢板、焊丝、焊接工艺等成套技术和产品，实现国产替代进口。 具体目标是开发40-80mm厚的低温E级钢板，配套焊丝和焊接工艺，使一次焊道即可制备出满足性​​能要求的焊接接头。

2、解决问题的思路和技术方案

随着焊接线能量的增加，焊接接头（包括焊接热影响区和焊缝）的高温停留时间变长，奥氏体晶粒会显着长大，辅以较低的冷却速度，冷却过程焊后易转变为粗晶界铁素体、侧面板条铁素体等组织，导致韧性变差。

要从整体上提高焊接接头的韧性，需要分别从钢板、焊材和焊接工艺入手，充分发挥三者的协调耦合作用，同时提高焊缝的韧性和热塑性。受影响的区域。

经过近十年的研究，由沙钢牵头，由江苏科技大学、山东巨力焊材等单位组成的项目组另辟蹊径，提出了“新一代氧化物冶金技术”的概念（Newroute）通过线材、电弧和板材的协同使用来提高焊接接头的韧性，NT-WAP，图 2）。 NT-WAP的技术思想包括：

1、从焊接接头的性能控制出发，基于钢板、焊丝、焊接工艺的创新三体协同技术路线，与以往单纯依靠氧化物冶金理念有着本质区别钢板夹杂物的控制。 它拓展了新视野。

2、开发出富含活性元素的焊丝。 在提高焊缝性能的同时，其易扩散的特性可以进一步提高焊接热影响区的韧性；

3、摇摆电弧控制技术的发明，通过焊接电弧控制和焊缝质量在线监测，提高了焊接接头的质量和稳定性。

图2“新一代氧化物冶金”NT-WAP技术示意图

采用NT-WAP技术理念，形成“​​钢板+焊接材料+焊接工艺”一体化技术解决方案（图3），攻克了600kJ/cm以上超大焊缝线能量的技术瓶颈，成功实现制备40-80mm厚E级钢焊接接头填补国内空白。 应用本项目技术和产品，实现了40-80mm厚E级钢板的单道焊接，将现有E级钢的许用焊接线能量提高到300-600kJ/cm。

图3 三人协同集成且技术路线相同

三、主要创新成果

提出“钢板+焊丝+焊接工艺”协调控制大线能量焊接接头低温韧性的新技术路线，发明可焊接600kJ的低温E级钢新技术/cm超大线能量，配套焊丝和焊接工艺解决“卡脖子”关键技术难题，率先实现产业化应用。

（1）发明了钢板超大线性能量焊接HAZ组织韧性控制技术。 通过低C/Si/Nb成分与Mg/Ti氧化物的协同调控，促进晶内针状铁素体异质形核，抑制MA岛的生成和γ晶粒的长大； 揭示了 Mg/Ti/Al 的特性。 根据脱氧竞争规律，研制出特种包芯线； 发明了一种新的电解方法，精确提取目标氧化物，形成Mg/Ti复合氧化物控制技术，解决了氧化物控制不稳定的问题，实现了600kJ/cm焊接HAZ，-20℃冲击能量>100J。

（2）发明了耐低温钢板轧制控制技术。 通过示波器冲击试验和断口观察，建立了钢板有效晶粒尺寸的数学模型。 通过轧制工艺设计，≤80mm厚钢板的内外层同时制备出耐低温针状结构，芯部晶粒尺寸~4.98μm。 ; 揭示了轧制和焊接过程中金属氧化物的演化规律，阐明了金属氧化物对接头组织韧性转变的影响，形成了基于有效晶粒尺寸控制、钢板-40℃冲击功率的“氧化物有益”轧制技术> 300J。

(3)发明了超大线性能量焊缝韧性轻元素控制技术。 发明了多丝埋弧焊韧性轻元素控制技术。 通过富B和适量N的焊丝设计，抑制晶界状粗大组织的形成，促进BN/TiN析出，诱导针状铁素体生成，埋弧焊性能良好。改善了。 焊缝的低温韧性； 发明了气电立焊焊缝韧性活性金属元素控制技术。 通过在药芯中添加Mg/Ti/Mo，与B结合，改善焊缝成型和焊缝低温韧性； 开发的多丝埋弧焊丝钢和气电立焊丝，-40℃时焊缝冲击功>90J。

(4)发明了超大线性能量焊接成型的摇摆电弧超声波控制技术。 通过摇弧调整窄坡口内电弧热分布，细化焊缝晶粒，提高坡口侧壁熔深，一次成型板材厚度增加34%以上相同的线性能量； 采用高线能量焊接电弧的超声波脉冲调制，激发大功率电弧和大体积熔池的超声波振动作用，细化焊接接头组织，使钢材的许用焊缝线能量提高到～以上100kJ/cm，增加适用板厚23%以上，解决高效超大型线路能量焊接成型性控制问题。

四、应用及效果

项目技术和产品已成功应用于建造全球最大的海上浮式生产储油卸油船（Fast4Ward FPSO，排水量46万吨，储油量230万桶）。 物理质量优于进口产品，实现国产替代进口。 解决国家重大工程的燃眉之急。

2019年至2021年，累计向上海外高桥造船厂供应超大型干线能源船板钢（含配套焊接材料及焊接工艺）2万余吨。 该产品通过了江苏省工业和信息化厅组织的2021年新产品鉴定，专家组经过询问和现场检查，一致认定该项目产品达到“国际领先水平”。

该项目形成了自主可控的产品和技术体系，可有效推动我国钢铁和高端装备制造业转型升级，助力建设海洋强国和制造强国。

图4 项目产品及技术

图5 海上浮式生产储油卸油船