大量钢结构工程采用厚钢板，促进了厚钢板焊接技术的发展，同时也扩大了厚钢板的应用范围。厚钢板焊接时，填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，焊后应力和变形大。焊接过程中，易产生裂纹。不同应用领域对厚钢板焊接部要求的性能不同，因此，采用的焊接技术也不同。下面对厚钢板的4种焊接施工技术进行简要介绍。

1 窄坡口焊接技术

为了大幅度减少厚度大于50mm钢板的焊接坡口面积，采用I形窄坡口是有效方法。从1980年代开始，开发并采用了许多窄坡口焊接方法。采用窄坡口焊接，大幅度减少了焊接熔敷量。钢板越厚，焊接时间缩短的越多。并且由于减少了焊接热输入量，而具有变形小和提高韧性的效果。因此，窄坡口焊接技术广泛应用于各种大型钢结构的制作。

窄坡口焊接工艺种类很多。最初开发的窄坡口焊接工艺是气体保护电弧焊（GMAW）窄坡口焊接。后来相继开发出埋弧焊（SAW）、钨极惰性气体保护电弧焊（TIG）等焊接工艺的窄坡口焊接技术。焊接位置，也由最初的平焊，发展到横焊和立焊。使用最多的GMAW平焊窄坡口焊接主要方法列于表1。主要方法有使用弯曲焊丝，使电弧在窄坡口内摇动的方法和导电嘴偏心、转动电极，使电弧在窄坡口内摇动的方法。特别是高速旋转电弧法，由于具有电弧摇动频率大和电弧传感器坡口自动仿形功能，并且电弧高速旋转使热量和压力分散，可获得形状良好的焊道和坡口侧壁熔深。电弧高速旋转窄坡口焊接法，可以应用在许多领域，例如活塞缸、箱形柱、铁路钢轨、输气管线等。

为了防止I型窄坡口焊接缺陷，要求较严格的I型窄坡口加工精度。此外，由于焊接飞溅会附着在坡口内，所以通常的焊接方法是使用保护气体Ar-20%CO₂的喷射过渡熔化极活性气体保护焊（MAG）。但另一方面，从坡口精度和成本考虑，要求采用气割制作坡口进行CO₂气保焊。为此，开发出100%CO2的极低飞溅电弧焊方法。该方法是将稀土金属（REM）作为电弧稳定剂添加到焊丝中，并将该稀土焊丝作为正极的CO₂气保焊接法（图1）。该方法是在CO2气保焊接时，形成稳定的圆锥形电弧，并实现微细连续喷射过渡的唯一方法。由于其很强的电弧指向性，可获得大熔深并产生极小的焊接飞溅。图2是利用该技术焊接厚度100mm钢板的焊接接头的低倍照片。

2 大线能量焊接技术

大线能量焊接技术是许多制造业采用的焊接技术。特别是造船业和建筑业使用厚度大于50mm的钢板，所以要求高效率的焊接方法。造船业过去广泛采用CO₂气保多层焊接方法。集装箱运输船的仓口围板厚钢板采用气电立焊（EGW）方法焊接。此外，两电极EGW法，可以一道次完成80mm厚钢板的焊接。但是，现在海工结构和各种能源产业要求使用厚度100mm以上的钢板。为此，对电子束焊接和激光焊接等利用高能密度束的焊接方法进行了研究开发。

特厚钢板多层焊接的焊接道次多，不仅增加施工时间，而且容易产生卷渣等缺陷。如前所述，一道次立焊的EGW法，在造船业焊接厚度为80-90mm的厚钢板时，采用两电极EGW法。为了高效率焊接厚度为100-200mm的厚钢板，开发出四电极EGW法。图3是四电极EGW的模式图。分别用两个电极进行钢板上下面各一半厚度的焊接。选用适宜的根部间隙和钝边，使板厚中央部位形成熔融焊缝金属通路，可以防止焊缝熔融不良。图4是100mm厚和200mm厚钢板的四电极EGW焊接接头断面的低倍组织。即使一道次焊接200mm厚钢板，适当控制热输入，也可获得良好的焊接接头。由于这种焊接是从钢板的上下两面进行的，所以，该方法不适用于不能从两侧打通通路的接头焊接。

为此，进行了激光热丝焊接的研究。图5示出了激光热丝焊厚钢板立焊技术。激光热丝焊接是将激光热源与热焊丝技术结合的新型低热输入立焊方法，可替代CO2气保电弧焊等厚钢板大线能量立焊方法。激光热丝焊接的主热源是大功率半导体激光，激光焦点略大于坡口。激光在热焊丝法形成的熔池表面反射，反射激光对坡口壁进行熔融。激光热丝焊接法可使焊接实现低热输入、低稀释、低变形，获得高质量焊接头，以及高焊接效率和降低焊接成本。目前，激光热丝焊接在焊接稳定性和施工便利性方面存在一定问题。

此外，有研究报告提出了利用传统电弧焊的新焊接方法。该方法也是前述的将稀土焊丝作为正极的CO₂气保焊接法。在焊接时，焊丝在坡口内呈コ形摆动，进行焊道积层。该方法与EGW的焊接效率相同，但可进行低热输入焊接。

上述这些高效率、低热输入的新型焊接技术将会替代传统的大线能量立焊焊接方法。

3 激光焊接和激光-电弧混合焊接

虽然厚钢板的激光焊接技术进行了多年的研究，但由于需要昂贵的设备，以及设备稳定性和维护维修成本问题，一直没有达到普遍应用的水平。激光焊接使用高密度能源是研究开发的重要内容。已经开发出的激光能源有CO2激光器、YAG激光器、半导体激光器、LD激发固体激光器、纤维激光器等等。用于厚钢板焊接的必须是大功率激光器。近年来，随着CO₂激光器的大功率化发展，CO2激光器在厚钢板焊接得到应用。利用CO₂激

光、纤维激光的激光-电弧混合焊接已经在欧洲造船厂实用化，用于制造客轮、渡船的船板。日本对用于高强钢板的激光-电弧混合焊技术进行积极研究。此前，为了使激光焊接焊缝组织成为高韧性针状铁素体（AF）组织，主要对Al/O的影响和Ceq控制进行了研究。由于激光焊接和激光-电弧混合焊接是需要进行大投资设备的焊接方法，所以将焊接对象确定为高附加值的材料。对780MPa级以上钢板的激光焊接和激光-电弧混合焊接技术进行了研究。图6是780MPa级钢板CO₂激光焊接焊缝金属的低倍组织。利用这个低倍组织，可进行考虑到裂纹偏转（FPD）的焊缝金属的韧性评价。此外，日本980MPa级高强钢板激光焊接国家项目，将980MPa级高强钢板激光焊接焊缝金属的高韧性组织确定为高韧性马氏体，而不是针状铁素体组织。如图7所示，为了使980MPa级高强钢板激光焊接焊缝金属的高强度、高韧性化，对岛状马氏体形状控制十分重要。必要时，添加熔化焊丝和采用激光-电弧混合焊接法，调整焊缝金属的C和Ceq，可以使焊缝金属具有满足要求的强度和韧性。

在激光硬件和激光焊接现象观察技术方面也有了显著进步。特别是激光硬件方面，纤维激光的大功率化有了很大进展，开发出100kW世界最大功率的焊接用纤维激光器，日本已引进了该技术。图8为100kW纤维激光焊接系统。使用该设备大大增加了焊接熔深。过去使用10kW级激光光源的焊接设备最多只能焊接10mm厚的钢板。现在使用100kW级纤维激光光源，可焊接50mm厚的钢板。目前，日本正在对该设备的实用化进行研究。利用这种大功率激光进行真空焊接，可以实现极为稳定的熔深。虽然产生局部疏松，但熔深可达100mm以上。

目前，对将汽车制造业的焊接技术用于厚钢板的研究正在积极的进行中。例如，对25mm厚钢板进行两面焊接的激光-MAG混合焊接技术、稀土焊丝CO₂气保电弧焊低飞溅技术等具有使用意义的焊接方法也正在进行研究之中。日本造船业，对激光对接焊、激光角焊进行了许多研究。日本船级社根据研究结果制定了关于激光焊接接头的技术指南。目前激光焊接技术的实用还较少，但是这是今后很有发展的技术领域，可以期待激光焊接技术将在厚板、薄板等各个领域得到扩大应用。

4 搅拌摩擦焊接（FSW）技术

厚钢板的电弧焊和激光焊是熔融接合技术。由于熔融引起的复杂现象和对热影响区性能的损伤，所以，电弧焊和激光焊在高强钢焊接和异种材料焊接时存在许多问题。为此，在20年前，英国就开发出无材料熔融的新型结合技术—搅拌摩擦焊接（FSW）技术。近年来FSW作为一种新型结合技术而受到人们关注。

FSW技术存在如下问题：1） 需要有刚性的约束夹具：2）搅拌头耐久性；3） 结合部终端残留匙孔；4） 容易产生接合不良缺陷。

所以，过去FSW主要用于塑性流动性良好的Al材等低熔点材料的接合。现在由于搅拌头开发的进展，对FSW用于钢铁材料接合进行了研究。其中，FSW用于抗拉强度大于1180MPa级高强度汽车板的研究，纳入日本国家项目ISMA（日本新结构材料技术研究团队）的研究内容。目前在搅拌头开发和新施工技术

在内的高强度薄板FSW技术已经接近实用化。如图9所示，目前正在进行搅拌头两面焊接法和固定轴肩焊接法的研究，使Ti和钢铁等高熔点材料也可以进行FSW接合。

在厚板方面，开始进行FSW法的UOE钢管环向接头研究。在造船业，制作成12mm厚钢板的FSW法的对接接头，目前正在进行微观组织和韧性评价等详细研究。图10是抗拉强度400MPa级钢板的FSW焊接接头的低倍照片和硬度分布。所用搅拌头是图11所示的PCBN（聚晶立方氮化硼）搅拌头。FSW焊接接头分为搅拌区（SZ）、热加工影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）三个区域。从搅拌区到热影响区，硬度都高于母材。FSW焊接接头各位置的夏比冲击试验结果显示，在-20℃下，FSW焊接接头具有良好的韧性，完全满足实用要求。

FSW焊接是非熔融焊接，所以具有可抑制气孔等缺陷、降低残余应力、减小变形，以及没有飞溅、烟尘和熔渣的优点。FSW焊接用于异种材料接合时，可以抑制对接合界面有不利影响的金属间化合物的生成。FSW焊接的实用化值得期待。另一方面，与熔融焊接不同，FSW焊接接合部的完全均质化难于实现。今后应对FSW焊接过程中复杂的塑性加工和热循环引起的组织变化进行基础性研究。此外，按照实用化的要求，对FSW焊接接合部进行断裂力学的特性评价也是不可或缺的重要工作。

虽然上述的激光焊接和FSW焊接等新型焊接技术正在不断开发，但目前尚未达到实用化阶段，其实用化技术还有待于今后的继续开发。激光焊接和FSW焊接技术开发已经纳入日本国家项目SIP（战略性创新创造方案）。在研究中，应用计算机建立将过去形成的技术实现模拟化的新技术，图12示出了SIP项目中的焊接部独立课题。 （高宏适）