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摘要：随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。因此，全面提升海洋工程制造能力及科技自主创新能力非常重要。文中笔者结合自身多年工作经验对海洋工程制造的关键焊接技术进行了综合性分析，并对未来海洋工程焊接技术的发展进行了展望。
关键词：海洋工程制造业、关键焊接技术、焊接
中图分类号：E271文献标识码： A
一、前言
随着高新技术产品的焊接工艺、焊接材料及焊接设备不断涌现，海洋工程制造业中的关键焊接技术也随着有了很大的发展，文中主要对高强钢的焊接技术、复杂节点的焊接技术、焊接变形及焊接残余应力的控制技术、海洋工程制造中的高压管线焊接技术、大厚度钢板的切割技术、海洋工程焊工技能与素质的培训等六个方面进行了分析。
二、海工装备制造中关键焊接技术的分析与研究
1、高强钢的焊接技术
海洋工程装备结构材料大多采用低合金高强钢，其焊接接头有一个非常重要的质量性能指标，就是韧性。所谓韧性是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂缝扩展的能力，也就是材料在断裂前经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合体现。海洋工程装备结构和大型船舶的焊接创新，必须保证焊接接头具有足够的韧性，这是前提。有些材料如EQ70鋼等，其焊接往往容易出现焊接冷裂缝的问题，这是由于焊接过程的快速加热和快速冷却导致焊缝金属以及热影响区(HAZ)具有较高的强度、较低的塑性以及较低的韧性。当焊接过程呈现低的冷却速度时，会导致焊缝金属及HAZ具有较低强度、较大的塑性以及较高的韧性。因此，当焊接过程呈现冷却速度为两种极端情况之间的某一合适状态时，焊缝金属及HAZ的强度、塑性和韧性将达到最佳平衡点。也就是说，在材料已经确定的情况下，热输入决定焊缝的性能，要得到性能优异的焊缝，就要寻求最合适的热输入，即最佳平衡点。可见，企业在制造海洋工程装备时必须要按照国际有关规范和标准所提出的热输入评定，即焊接工艺规程(WPS)的途径，通过试验进行评定而获得有效的焊接工艺。同时，在掌握高强钢的焊接技术中还要开展以下几个方面的研究和试验：焊接接头的设计，焊接方法、焊接材料和焊接设备的选用；焊接时的预热、后热、层间温度的控制；焊接接头冷裂纹的控制；大厚度十字接头和T型接头焊接层状撕裂的控制；焊接接头的断裂韧性(CTOD)研究和试验。
2、复杂节点的焊接技术
海洋工程装备的结构大都是采用绗架和管子及立柱结构，焊接接头较为复杂，尤其在一些主要受力构件，如水平横撑与立柱结构、立柱与上下船体结构、克令吊基座、推进器基座等复杂结构的焊接过程中，必须要严格控制好以下环节：结构的安装顺序，接头的坡口角度及加工方法，焊接方法的准确选用，焊前预热、焊时层间温度的控制、焊后热处理，焊接前的准备(包括持证的合格焊工、焊材的发放和储存、管理、焊接设备、焊接环境)，焊接顺序的编制和实施。
3、焊接变形及焊接残余应力的控制技术
目前可以通过数值模拟计算并结合试验验证的方法，较好地控制局部重要结构的焊接残余应力，还可以采用超声波冲击、焊趾重熔、控制焊接线能量、焊后焊趾打磨、焊前预热和焊后热处理等方法来降低焊接残余应力。
4、高压管线的焊接技术
在海洋工程装备制造中通常采用的高压管材料均为低合金高强度钢，因此在焊接中必须要严格按照高强度钢的焊接技术要求进行工艺评定，从而确定焊接工艺措施并在实船平台高压管线上进行焊接。
5、大厚度钢板的切割技术
在海洋工程装备制造中常常会采用大厚度的低合金高强度钢，比如，作为平台升降齿条钢，Dillimax690E钢板经切割后可直接应用于升降齿条而不需要再加工。该齿条有C146、JU200E两种规格，对切割技术提出了极高的要求。首先，切割的火焰必须要长达2～3米，切割嘴的风线要高速、高压，这样才能切割出光洁的断面；在切割中还要防止钢板的变形，可以采用双头对称的切割技术。大厚度钢板切割时要预先考虑增大进气管直径，选用专用减压器割具，采用大罐的液氧作为助燃和切割气体。在选用丙烷和氧气切割时要适当地降低切割速度，最好在切割前对大厚度钢板进行预热以便清除钢板表面水分，进一步提高切割质量。切割的中心焰要将切割氧的压力调节在0.6兆帕，丙烷压力取其1/10。
6、自动焊接技术
随着海底管道铺设工程量的增加，能提高铺设效率的双炬管道铺设焊接机器人得到了发展。在海管铺设施工作业时，每个焊接工作站配备两套双炬焊接机器人，以管道为轴心分左右舷对称放置，以“0”点位置开始起弧，按照顺时针及逆时针方向完成下向焊接。每个焊接机器人可独立控制也可协同操作，双头双炬焊接机器人系统能提高焊接效率，并且后焊炬对前焊炬的焊道有回火作用，能改善前焊炬焊道的韧性并降低接头硬度。
对于铺设直径≥24寸的近海油气管线，法国Serimax公司开发了四头双炬全自动焊接系统,该系统驱动四个焊头同时工作，全部焊头以管道顶点为起点分布在左右两侧，焊接时左侧与右侧的两个焊炬进行向下焊作业。四头焊炬同时焊接在程序控制上需要解决协同问题，工艺上则同一层之间要考虑各个机头之间的时间错开、不同层之间要考虑引弧位置错开。同时打底焊采用了带铜衬垫的内对口器背面强制成形技术，使整套设备具备很好的柔性。
7、海洋工程装备焊工技能与素质的培养
在海洋工程装备制造中经常采用导管架平台，即用钢管相贯焊接而成的空间构架，其主要焊接结构是大型管子相交的节点(K、T、Y节点)，由于管壁较厚，焊接工作量大，而且该部位极容易产生疲劳破坏，因而对焊接质量要求特别严格。依据设计计算出的K、T、Y节点应承载受力，其焊接又分为全焊透、部分焊透和角焊缝三类。美国焊接协会钢结构焊接规范标准AWSD1.1(2008)第四章对K、T、Y节点施焊的焊工和焊接操作者的资格有明确规定，施焊人员必须具备6GR资质的焊工证书。当主管与支管斜交角度小于30度时，根部区更是难以施焊，因此，焊工还必须要具有小角度焊工资质证书才能施焊。6GR是指焊工焊接的位置包含了空间的平、横、立、仰的全位置，以及管斜45度带限制圈的固定焊。在焊工资格评定中，6GR是焊接级别最高、难度最大的科目。6GR焊接操作的难点主要有三个方面：
（1）焊缝坡口面位置随着管的弧度而发生变化，在焊接过程中熔化的铁水受到重力影响向下流动，难以控制熔池形状，容易出现未熔合、夹渣等缺陷。
（2）由于有限制圈的阻碍作用，在焊接过程中，焊工必须要时刻注意观察焊接熔池的变化，注意熔孔尺寸，每个焊点与前一个焊点重合面积的大小，熔池中液态金属与熔渣的分离等，同时运条的手也不能被限制，这对于焊工而言，是极其不适应的状态。
（3）层间清理有难度，清理不顺畅容易造成清理失误而形成夹渣。
总之，要培养一名熟练的6GR焊工必须要按照逐级的培训方法，先练习板对接的3G位置，再培训管对接水平固定5度位置，直至管对接斜45度固定6GR位置。掌握这些不同位置的操作方法和技巧大约需要70天。
三、海洋工程钢结构焊接的发展策略
深海油气资源丰富，在未来的一段时间内，开发深海油气资源的前景还会不断的扩大。我国在海洋工程和平台的建造技术逐年有所提高，而海洋工程钢结构的焊接技术也会得到快速的发展。焊条电弧焊工艺技术和应用能力，都可以达到海洋平台钢的焊接要求。但焊条电弧焊的生产效率低，而且工作环境恶劣，对环境污染严重，不能够保证海洋平台的建造周期。药芯焊丝气体保护焊的焊接原理是将气体保护焊热输入集中，不但效率高，而且很容易取得实现。这是目前是船厂主要使用的焊接方法。而随着时代的变化，海洋平台用钢也需要不断的增加厚度。新型的埋弧焊技术和气电立焊技术不但可以提高生产率，而且能够有效的改变海洋平台用钢目前的焊接现状。海洋平台用钢多为大厚度钢板的焊接方式，而窄间隙的焊接办法可以集中能量，减少处理钢坡口的程序，这是海洋平台未来的主要钢焊接发展方向。复合焊接技术能够组合集中于所有各类的焊接办法的独特优点，有效的提高海洋工程钢结构的焊接效率。而船厂不断的普及自动化设备，一些新技术也可以利用于海洋工程钢结构的焊接，例如机器人焊接、激光焊接等。
四、结语
综上所述，海洋工程装备的设计及制造中仍旧存在很多不足：一些高端制造水平不高、自主创新意识不够等问题。因此，作为海洋工程制造中关键技术之一的焊接技术一定要紧紧抓住国家大力发展海洋工程制造业的这个契机，重视科技创新能力，可科技为动力推动着船舶工业的转型升级。
参考文献：
[1] 陈式亮.水下焊接技术的现状和展望[J].海洋技术，1982(2)：37-47.
[2] 蒋力培，王中辉，焦向东，等．水下焊接高压空气环境下GTAW 电弧特性[J]. 焊接学报，2007，28(6)：1-4．
[3] 叶建雄，尹 懿，张晨曙. 湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展[J].焊接技术，2009，38(6)：1-4.
关键词：海洋工程制造业、关键焊接技术、焊接
中图分类号：E271文献标识码： A
一、前言
随着高新技术产品的焊接工艺、焊接材料及焊接设备不断涌现，海洋工程制造业中的关键焊接技术也随着有了很大的发展，文中主要对高强钢的焊接技术、复杂节点的焊接技术、焊接变形及焊接残余应力的控制技术、海洋工程制造中的高压管线焊接技术、大厚度钢板的切割技术、海洋工程焊工技能与素质的培训等六个方面进行了分析。
二、海工装备制造中关键焊接技术的分析与研究
1、高强钢的焊接技术
海洋工程装备结构材料大多采用低合金高强钢，其焊接接头有一个非常重要的质量性能指标，就是韧性。所谓韧性是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂缝扩展的能力，也就是材料在断裂前经历的弹塑性变形过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合体现。海洋工程装备结构和大型船舶的焊接创新，必须保证焊接接头具有足够的韧性，这是前提。有些材料如EQ70鋼等，其焊接往往容易出现焊接冷裂缝的问题，这是由于焊接过程的快速加热和快速冷却导致焊缝金属以及热影响区(HAZ)具有较高的强度、较低的塑性以及较低的韧性。当焊接过程呈现低的冷却速度时，会导致焊缝金属及HAZ具有较低强度、较大的塑性以及较高的韧性。因此，当焊接过程呈现冷却速度为两种极端情况之间的某一合适状态时，焊缝金属及HAZ的强度、塑性和韧性将达到最佳平衡点。也就是说，在材料已经确定的情况下，热输入决定焊缝的性能，要得到性能优异的焊缝，就要寻求最合适的热输入，即最佳平衡点。可见，企业在制造海洋工程装备时必须要按照国际有关规范和标准所提出的热输入评定，即焊接工艺规程(WPS)的途径，通过试验进行评定而获得有效的焊接工艺。同时，在掌握高强钢的焊接技术中还要开展以下几个方面的研究和试验：焊接接头的设计，焊接方法、焊接材料和焊接设备的选用；焊接时的预热、后热、层间温度的控制；焊接接头冷裂纹的控制；大厚度十字接头和T型接头焊接层状撕裂的控制；焊接接头的断裂韧性(CTOD)研究和试验。
2、复杂节点的焊接技术
海洋工程装备的结构大都是采用绗架和管子及立柱结构，焊接接头较为复杂，尤其在一些主要受力构件，如水平横撑与立柱结构、立柱与上下船体结构、克令吊基座、推进器基座等复杂结构的焊接过程中，必须要严格控制好以下环节：结构的安装顺序，接头的坡口角度及加工方法，焊接方法的准确选用，焊前预热、焊时层间温度的控制、焊后热处理，焊接前的准备(包括持证的合格焊工、焊材的发放和储存、管理、焊接设备、焊接环境)，焊接顺序的编制和实施。
3、焊接变形及焊接残余应力的控制技术
目前可以通过数值模拟计算并结合试验验证的方法，较好地控制局部重要结构的焊接残余应力，还可以采用超声波冲击、焊趾重熔、控制焊接线能量、焊后焊趾打磨、焊前预热和焊后热处理等方法来降低焊接残余应力。
4、高压管线的焊接技术
在海洋工程装备制造中通常采用的高压管材料均为低合金高强度钢，因此在焊接中必须要严格按照高强度钢的焊接技术要求进行工艺评定，从而确定焊接工艺措施并在实船平台高压管线上进行焊接。
5、大厚度钢板的切割技术
在海洋工程装备制造中常常会采用大厚度的低合金高强度钢，比如，作为平台升降齿条钢，Dillimax690E钢板经切割后可直接应用于升降齿条而不需要再加工。该齿条有C146、JU200E两种规格，对切割技术提出了极高的要求。首先，切割的火焰必须要长达2～3米，切割嘴的风线要高速、高压，这样才能切割出光洁的断面；在切割中还要防止钢板的变形，可以采用双头对称的切割技术。大厚度钢板切割时要预先考虑增大进气管直径，选用专用减压器割具，采用大罐的液氧作为助燃和切割气体。在选用丙烷和氧气切割时要适当地降低切割速度，最好在切割前对大厚度钢板进行预热以便清除钢板表面水分，进一步提高切割质量。切割的中心焰要将切割氧的压力调节在0.6兆帕，丙烷压力取其1/10。
6、自动焊接技术
随着海底管道铺设工程量的增加，能提高铺设效率的双炬管道铺设焊接机器人得到了发展。在海管铺设施工作业时，每个焊接工作站配备两套双炬焊接机器人，以管道为轴心分左右舷对称放置，以“0”点位置开始起弧，按照顺时针及逆时针方向完成下向焊接。每个焊接机器人可独立控制也可协同操作，双头双炬焊接机器人系统能提高焊接效率，并且后焊炬对前焊炬的焊道有回火作用，能改善前焊炬焊道的韧性并降低接头硬度。
对于铺设直径≥24寸的近海油气管线，法国Serimax公司开发了四头双炬全自动焊接系统,该系统驱动四个焊头同时工作，全部焊头以管道顶点为起点分布在左右两侧，焊接时左侧与右侧的两个焊炬进行向下焊作业。四头焊炬同时焊接在程序控制上需要解决协同问题，工艺上则同一层之间要考虑各个机头之间的时间错开、不同层之间要考虑引弧位置错开。同时打底焊采用了带铜衬垫的内对口器背面强制成形技术，使整套设备具备很好的柔性。
7、海洋工程装备焊工技能与素质的培养
在海洋工程装备制造中经常采用导管架平台，即用钢管相贯焊接而成的空间构架，其主要焊接结构是大型管子相交的节点(K、T、Y节点)，由于管壁较厚，焊接工作量大，而且该部位极容易产生疲劳破坏，因而对焊接质量要求特别严格。依据设计计算出的K、T、Y节点应承载受力，其焊接又分为全焊透、部分焊透和角焊缝三类。美国焊接协会钢结构焊接规范标准AWSD1.1(2008)第四章对K、T、Y节点施焊的焊工和焊接操作者的资格有明确规定，施焊人员必须具备6GR资质的焊工证书。当主管与支管斜交角度小于30度时，根部区更是难以施焊，因此，焊工还必须要具有小角度焊工资质证书才能施焊。6GR是指焊工焊接的位置包含了空间的平、横、立、仰的全位置，以及管斜45度带限制圈的固定焊。在焊工资格评定中，6GR是焊接级别最高、难度最大的科目。6GR焊接操作的难点主要有三个方面：
（1）焊缝坡口面位置随着管的弧度而发生变化，在焊接过程中熔化的铁水受到重力影响向下流动，难以控制熔池形状，容易出现未熔合、夹渣等缺陷。
（2）由于有限制圈的阻碍作用，在焊接过程中，焊工必须要时刻注意观察焊接熔池的变化，注意熔孔尺寸，每个焊点与前一个焊点重合面积的大小，熔池中液态金属与熔渣的分离等，同时运条的手也不能被限制，这对于焊工而言，是极其不适应的状态。
（3）层间清理有难度，清理不顺畅容易造成清理失误而形成夹渣。
总之，要培养一名熟练的6GR焊工必须要按照逐级的培训方法，先练习板对接的3G位置，再培训管对接水平固定5度位置，直至管对接斜45度固定6GR位置。掌握这些不同位置的操作方法和技巧大约需要70天。
三、海洋工程钢结构焊接的发展策略
深海油气资源丰富，在未来的一段时间内，开发深海油气资源的前景还会不断的扩大。我国在海洋工程和平台的建造技术逐年有所提高，而海洋工程钢结构的焊接技术也会得到快速的发展。焊条电弧焊工艺技术和应用能力，都可以达到海洋平台钢的焊接要求。但焊条电弧焊的生产效率低，而且工作环境恶劣，对环境污染严重，不能够保证海洋平台的建造周期。药芯焊丝气体保护焊的焊接原理是将气体保护焊热输入集中，不但效率高，而且很容易取得实现。这是目前是船厂主要使用的焊接方法。而随着时代的变化，海洋平台用钢也需要不断的增加厚度。新型的埋弧焊技术和气电立焊技术不但可以提高生产率，而且能够有效的改变海洋平台用钢目前的焊接现状。海洋平台用钢多为大厚度钢板的焊接方式，而窄间隙的焊接办法可以集中能量，减少处理钢坡口的程序，这是海洋平台未来的主要钢焊接发展方向。复合焊接技术能够组合集中于所有各类的焊接办法的独特优点，有效的提高海洋工程钢结构的焊接效率。而船厂不断的普及自动化设备，一些新技术也可以利用于海洋工程钢结构的焊接，例如机器人焊接、激光焊接等。
四、结语
综上所述，海洋工程装备的设计及制造中仍旧存在很多不足：一些高端制造水平不高、自主创新意识不够等问题。因此，作为海洋工程制造中关键技术之一的焊接技术一定要紧紧抓住国家大力发展海洋工程制造业的这个契机，重视科技创新能力，可科技为动力推动着船舶工业的转型升级。
参考文献：
[1] 陈式亮.水下焊接技术的现状和展望[J].海洋技术，1982(2)：37-47.
[2] 蒋力培，王中辉，焦向东，等．水下焊接高压空气环境下GTAW 电弧特性[J]. 焊接学报，2007，28(6)：1-4．
[3] 叶建雄，尹 懿，张晨曙. 湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展[J].焊接技术，2009，38(6)：1-4.