大量鋼結(jié)構(gòu)工程采用厚鋼板,，促進(jìn)了厚鋼板焊接技術(shù)的發(fā)展,，同時也擴(kuò)大了厚鋼板的應(yīng)用范圍。厚鋼板焊接時,，填充焊材熔敷金屬量大,，焊接時間長，熱輸入總量高,，焊后應(yīng)力和變形大,。焊接過程中，易產(chǎn)生裂紋,。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)皲摪搴附硬恳蟮男阅懿煌?，因此,，采用的焊接技術(shù)也不同,。下面對厚鋼板的4種焊接施工技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1 窄坡口焊接技術(shù)

為了大幅度減少厚度大于50mm鋼板的焊接坡口面積,，采用I形窄坡口是有效方法。從1980年代開始,，開發(fā)并采用了許多窄坡口焊接方法,。采用窄坡口焊接，大幅度減少了焊接熔敷量,。鋼板越厚，焊接時間縮短的越多,。并且由于減少了焊接熱輸入量，而具有變形小和提高韌性的效果,。因此,，窄坡口焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種大型鋼結(jié)構(gòu)的制作。

窄坡口焊接工藝種類很多,。最初開發(fā)的窄坡口焊接工藝是氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）窄坡口焊接,。后來相繼開發(fā)出埋弧焊（SAW）、鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊（TIG）等焊接工藝的窄坡口焊接技術(shù),。焊接位置,，也由最初的平焊，發(fā)展到橫焊和立焊,。使用最多的GMAW平焊窄坡口焊接主要方法列于表1,。主要方法有使用彎曲焊絲，使電弧在窄坡口內(nèi)搖動的方法和導(dǎo)電嘴偏心,、轉(zhuǎn)動電極,，使電弧在窄坡口內(nèi)搖動的方法,。特別是高速旋轉(zhuǎn)電弧法，由于具有電弧搖動頻率大和電弧傳感器坡口自動仿形功能,，并且電弧高速旋轉(zhuǎn)使熱量和壓力分散,，可獲得形狀良好的焊道和坡口側(cè)壁熔深。電弧高速旋轉(zhuǎn)窄坡口焊接法,，可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，例如活塞缸,、箱形柱,、鐵路鋼軌、輸氣管線等,。

為了防止I型窄坡口焊接缺陷,，要求較嚴(yán)格的I型窄坡口加工精度。此外,，由于焊接飛濺會附著在坡口內(nèi),，所以通常的焊接方法是使用保護(hù)氣體Ar-20%CO2的噴射過渡熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）。但另一方面,，從坡口精度和成本考慮,，要求采用氣割制作坡口進(jìn)行CO2氣保焊。為此,，開發(fā)出100%CO2的極低飛濺電弧焊方法,。該方法是將稀土金屬（REM）作為電弧穩(wěn)定劑添加到焊絲中，并將該稀土焊絲作為正極的CO2氣保焊接法（圖1）,。該方法是在CO2氣保焊接時,，形成穩(wěn)定的圓錐形電弧，并實現(xiàn)微細(xì)連續(xù)噴射過渡的唯一方法,。由于其很強的電弧指向性,，可獲得大熔深并產(chǎn)生極小的焊接飛濺。圖2是利用該技術(shù)焊接厚度100mm鋼板的焊接接頭的低倍照片,。

2 大線能量焊接技術(shù)

大線能量焊接技術(shù)是許多制造業(yè)采用的焊接技術(shù),。特別是造船業(yè)和建筑業(yè)使用厚度大于50mm的鋼板，所以要求高效率的焊接方法,。造船業(yè)過去廣泛采用CO2氣保多層焊接方法,。集裝箱運輸船的倉口圍板厚鋼板采用氣電立焊（EGW）方法焊接。此外,，兩電極EGW法,，可以一道次完成80mm厚鋼板的焊接。但是,，現(xiàn)在海工結(jié)構(gòu)和各種能源產(chǎn)業(yè)要求使用厚度100mm以上的鋼板,。為此,，對電子束焊接和激光焊接等利用高能密度束的焊接方法進(jìn)行了研究開發(fā)。

特厚鋼板多層焊接的焊接道次多,，不僅增加施工時間,，而且容易產(chǎn)生卷渣等缺陷。如前所述,，一道次立焊的EGW法,，在造船業(yè)焊接厚度為80-90mm的厚鋼板時，采用兩電極EGW法,。為了高效率焊接厚度為100-200mm的厚鋼板,，開發(fā)出四電極EGW法。圖3是四電極EGW的模式圖,。分別用兩個電極進(jìn)行鋼板上下面各一半厚度的焊接,。選用適宜的根部間隙和鈍邊，使板厚中央部位形成熔融焊縫金屬通路,，可以防止焊縫熔融不良,。圖4是100mm厚和200mm厚鋼板的四電極EGW焊接接頭斷面的低倍組織。即使一道次焊接200mm厚鋼板,，適當(dāng)控制熱輸入,，也可獲得良好的焊接接頭。由于這種焊接是從鋼板的上下兩面進(jìn)行的,，所以,，該方法不適用于不能從兩側(cè)打通通路的接頭焊接。

為此,，進(jìn)行了激光熱絲焊接的研究,。圖5示出了激光熱絲焊厚鋼板立焊技術(shù)。激光熱絲焊接是將激光熱源與熱焊絲技術(shù)結(jié)合的新型低熱輸入立焊方法,，可替代CO2氣保電弧焊等厚鋼板大線能量立焊方法,。激光熱絲焊接的主熱源是大功率半導(dǎo)體激光，激光焦點略大于坡口,。激光在熱焊絲法形成的熔池表面反射,，反射激光對坡口壁進(jìn)行熔融。激光熱絲焊接法可使焊接實現(xiàn)低熱輸入,、低稀釋,、低變形，獲得高質(zhì)量焊接頭,，以及高焊接效率和降低焊接成本,。目前，激光熱絲焊接在焊接穩(wěn)定性和施工便利性方面存在一定問題,。

此外,，有研究報告提出了利用傳統(tǒng)電弧焊的新焊接方法,。該方法也是前述的將稀土焊絲作為正極的CO2氣保焊接法。在焊接時,，焊絲在坡口內(nèi)呈コ形擺動,，進(jìn)行焊道積層。該方法與EGW的焊接效率相同,，但可進(jìn)行低熱輸入焊接,。

上述這些高效率、低熱輸入的新型焊接技術(shù)將會替代傳統(tǒng)的大線能量立焊焊接方法,。

3 激光焊接和激光-電弧混合焊接

雖然厚鋼板的激光焊接技術(shù)進(jìn)行了多年的研究,，但由于需要昂貴的設(shè)備，以及設(shè)備穩(wěn)定性和維護(hù)維修成本問題,，一直沒有達(dá)到普遍應(yīng)用的水平。激光焊接使用高密度能源是研究開發(fā)的重要內(nèi)容,。已經(jīng)開發(fā)出的激光能源有CO2激光器,、YAG激光器、半導(dǎo)體激光器,、LD激發(fā)固體激光器,、纖維激光器等等。用于厚鋼板焊接的必須是大功率激光器,。近年來,，隨著CO2激光器的大功率化發(fā)展，CO2激光器在厚鋼板焊接得到應(yīng)用,。利用CO2激光,、纖維激光的激光-電弧混合焊接已經(jīng)在歐洲造船廠實用化，用于制造客輪,、渡船的船板,。日本對用于高強鋼板的激光-電弧混合焊技術(shù)進(jìn)行積極研究。此前,，為了使激光焊接焊縫組織成為高韌性針狀鐵素體（AF）組織,，主要對Al/O的影響和Ceq控制進(jìn)行了研究。由于激光焊接和激光-電弧混合焊接是需要進(jìn)行大投資設(shè)備的焊接方法,，所以將焊接對象確定為高附加值的材料,。對780MPa級以上鋼板的激光焊接和激光-電弧混合焊接技術(shù)進(jìn)行了研究。圖6是780MPa級鋼板CO2激光焊接焊縫金屬的低倍組織,。利用這個低倍組織,，可進(jìn)行考慮到裂紋偏轉(zhuǎn)（FPD）的焊縫金屬的韌性評價。此外,，日本980MPa級高強鋼板激光焊接國家項目,，將980MPa級高強鋼板激光焊接焊縫金屬的高韌性組織確定為高韌性馬氏體,，而不是針狀鐵素體組織。如圖7所示,，為了使980MPa級高強鋼板激光焊接焊縫金屬的高強度,、高韌性化，對島狀馬氏體形狀控制十分重要,。必要時,，添加熔化焊絲和采用激光-電弧混合焊接法，調(diào)整焊縫金屬的C和Ceq,，可以使焊縫金屬具有滿足要求的強度和韌性,。

在激光硬件和激光焊接現(xiàn)象觀察技術(shù)方面也有了顯著進(jìn)步。特別是激光硬件方面,，纖維激光的大功率化有了很大進(jìn)展,，開發(fā)出100kW世界最大功率的焊接用纖維激光器，日本已引進(jìn)了該技術(shù),。圖8為100kW纖維激光焊接系統(tǒng),。使用該設(shè)備大大增加了焊接熔深。過去使用10kW級激光光源的焊接設(shè)備最多只能焊接10mm厚的鋼板?，F(xiàn)在使用100kW級纖維激光光源,，可焊接50mm厚的鋼板。目前,，日本正在對該設(shè)備的實用化進(jìn)行研究,。利用這種大功率激光進(jìn)行真空焊接，可以實現(xiàn)極為穩(wěn)定的熔深,。雖然產(chǎn)生局部疏松,，但熔深可達(dá)100mm以上。

目前,，對將汽車制造業(yè)的焊接技術(shù)用于厚鋼板的研究正在積極的進(jìn)行中,。例如，對25mm厚鋼板進(jìn)行兩面焊接的激光-MAG混合焊接技術(shù),、稀土焊絲CO2氣保電弧焊低飛濺技術(shù)等具有使用意義的焊接方法也正在進(jìn)行研究之中,。日本造船業(yè)，對激光對接焊,、激光角焊進(jìn)行了許多研究,。日本船級社根據(jù)研究結(jié)果制定了關(guān)于激光焊接接頭的技術(shù)指南。目前激光焊接技術(shù)的實用還較少,，但是這是今后很有發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域,，可以期待激光焊接技術(shù)將在厚板、薄板等各個領(lǐng)域得到擴(kuò)大應(yīng)用。

4 攪拌摩擦焊接（FSW）技術(shù)

厚鋼板的電弧焊和激光焊是熔融接合技術(shù),。由于熔融引起的復(fù)雜現(xiàn)象和對熱影響區(qū)性能的損傷,，所以，電弧焊和激光焊在高強鋼焊接和異種材料焊接時存在許多問題,。為此,，在20年前，英國就開發(fā)出無材料熔融的新型結(jié)合技術(shù)—攪拌摩擦焊接（FSW）技術(shù),。近年來FSW作為一種新型結(jié)合技術(shù)而受到人們關(guān)注,。

FSW技術(shù)存在如下問題：1） 需要有剛性的約束夾具：2）攪拌頭耐久性；3） 結(jié)合部終端殘留匙孔,；4） 容易產(chǎn)生接合不良缺陷,。

所以，過去FSW主要用于塑性流動性良好的Al材等低熔點材料的接合?，F(xiàn)在由于攪拌頭開發(fā)的進(jìn)展,，對FSW用于鋼鐵材料接合進(jìn)行了研究。其中,，F(xiàn)SW用于抗拉強度大于1180MPa級高強度汽車板的研究,，納入日本國家項目ISMA（日本新結(jié)構(gòu)材料技術(shù)研究團(tuán)隊）的研究內(nèi)容。目前在攪拌頭開發(fā)和新施工技術(shù)

在內(nèi)的高強度薄板FSW技術(shù)已經(jīng)接近實用化,。如圖9所示,，目前正在進(jìn)行攪拌頭兩面焊接法和固定軸肩焊接法的研究,，使Ti和鋼鐵等高熔點材料也可以進(jìn)行FSW接合,。

在厚板方面，開始進(jìn)行FSW法的UOE鋼管環(huán)向接頭研究,。在造船業(yè),，制作成12mm厚鋼板的FSW法的對接接頭，目前正在進(jìn)行微觀組織和韌性評價等詳細(xì)研究,。圖10是抗拉強度400MPa級鋼板的FSW焊接接頭的低倍照片和硬度分布,。所用攪拌頭是圖11所示的PCBN（聚晶立方氮化硼）攪拌頭。FSW焊接接頭分為攪拌區(qū)（SZ）,、熱加工影響區(qū)（TMAZ）,、熱影響區(qū)（HAZ）三個區(qū)域。從攪拌區(qū)到熱影響區(qū),，硬度都高于母材,。FSW焊接接頭各位置的夏比沖擊試驗結(jié)果顯示，在-20℃下,，F(xiàn)SW焊接接頭具有良好的韌性,，完全滿足實用要求。

FSW焊接是非熔融焊接,，所以具有可抑制氣孔等缺陷,、降低殘余應(yīng)力,、減小變形，以及沒有飛濺,、煙塵和熔渣的優(yōu)點,。FSW焊接用于異種材料接合時，可以抑制對接合界面有不利影響的金屬間化合物的生成,。FSW焊接的實用化值得期待,。另一方面，與熔融焊接不同,，F(xiàn)SW焊接接合部的完全均質(zhì)化難于實現(xiàn),。今后應(yīng)對FSW焊接過程中復(fù)雜的塑性加工和熱循環(huán)引起的組織變化進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。此外,，按照實用化的要求,，對FSW焊接接合部進(jìn)行斷裂力學(xué)的特性評價也是不可或缺的重要工作。

雖然上述的激光焊接和FSW焊接等新型焊接技術(shù)正在不斷開發(fā),，但目前尚未達(dá)到實用化階段,，其實用化技術(shù)還有待于今后的繼續(xù)開發(fā)。激光焊接和FSW焊接技術(shù)開發(fā)已經(jīng)納入日本國家項目SIP（戰(zhàn)略性創(chuàng)新創(chuàng)造方案）,。在研究中,，應(yīng)用計算機建立將過去形成的技術(shù)實現(xiàn)模擬化的新技術(shù)，圖12示出了SIP項目中的焊接部獨立課題,。