点击图片查看原图
一、船用焊材的种类与特点
目前，国内造船采用的各种焊接方法主要涉及到焊条、气保护焊丝、埋弧焊丝－焊剂等焊材。随着我国在船舶建造中引进、开发、应用的焊接工艺增多，船用焊材呈现出品种多样化、使用专一化、焊接高效化的特点。
1. 焊条
按照熔敷效率、焊接工艺不同，船体建造主要采用普通手工焊条、高效铁粉焊条及重力焊条。其中普通手工焊条多为低氢碱性焊条，如E4315、E5015系列，分别适用一般强度和高强度船体结构钢。高效铁粉焊条通过在焊条药皮中添加铁粉来增加熔敷效率，提高焊接速度，主要用于部件较短的角焊缝。重力焊条由于焊接设备操作简单，一人可同时操控几台，因此，通常适用于平焊位置、角焊缝相对较短且比较集中的结构。
2. 气体保护焊丝
船用气体保护焊丝按制造工艺不同分为实芯焊丝和药芯焊丝。从世界民用船舶建造整体格局来看，CO2气体保护药芯焊丝用量最大，目前国内大中型船厂使用率一般都达到了80%以上。CO2气体保护药芯焊丝按生产用途分为普通药芯焊丝、金属粉芯药芯焊丝、垂直气电焊专用药芯焊丝及其他专用焊丝。
普通药芯焊丝多为碳钢有缝钛型焊丝，适用于强度490MPa级船用钢，此类焊丝熔滴过渡稳定、电弧柔和，飞溅少、易脱渣、焊缝外形光滑，有良好的焊接工艺性能和焊缝力学性能。金属粉芯药芯焊丝具有扩散氢含量低，熔渣量少，比实芯焊丝高10%～30%的熔敷速度及较大的电流适用范围等特点，因此，特别适合于机械化和自动化焊接。
世界焊材生产厂商在金属粉芯药芯焊丝研制中可谓是推陈出新，例如日本神钢就开发了40多种。由于金属粉芯药芯焊丝耐油漆性好、有优异的耐气孔性，可以实现高速平角焊，而且有良好抗裂性，所以船厂为了追求焊接效率和质量，已经越来越多推广使用该种焊丝。垂直气电立焊药芯焊丝主要用于船舶建造大合拢阶段船体外板的中厚板对接焊缝，由于采用水冷强迫成形单道焊，焊接热输入量大，因此对焊材韧性要求高，国内已有多家焊材制造企业能够生产满足大热输入气电焊药芯焊丝，但焊缝性能及焊接工艺稳定性方面与国外一流焊材尚有差距。此外，双丝MAG焊及特殊高强钢等专用药芯焊丝已实船应用。
3. 埋弧焊材
埋弧焊由于作业环境好，焊接过程稳定，焊缝质量容易保证，一直得到船厂焊工青睐。但由于受焊接位置限制，其仅适合在较长、平直对接焊缝中应用，因此埋弧焊材用量基本维持在船用焊材总量的10%～15%。
船厂使用的埋弧焊方法包括普通单丝埋弧焊、双丝埋弧焊、FAB单面埋弧焊、RF或FCB多丝埋弧焊。从埋弧焊材生产技术分析，焊丝的制造工艺相对简单，焊丝质量主要由钢材原料的化学成分和S、P、O、N等杂质元素含量的控制来保证。而埋弧焊缝质量和性能更多是由焊剂决定的。船用焊剂有熔炼型、烧结型，焊剂实船焊接应用同样需要与相应焊丝配对进行船检认可后才能使用。
二、焊材应用情况
20世纪80年代初，国内造船行业开始推行高效焊技术，由此，CO2药芯焊丝作为一种高效焊材在船体建造中逐步推广应用。随着用量需求增加，国内多家焊材生产企业纷纷从国外引进和开发CO2药芯焊丝生产技术，经过几年艰苦创业，终于实现了药芯焊丝国产化。
图1 CO2药芯焊丝应用率
90年代初，国内一些大型船企借鉴日本造船焊接模式，引进船体平直分段装焊流水线，将多丝埋弧焊材，高速金属粉芯药芯焊丝引入了国内造船界。同时，通过近十年我国造船市场的蓬勃发展和国家在船舶技术方面的政策支持，一些重点骨干船厂加大了自动化高效焊接技术的研发和应用，特别在CO2药芯焊丝方面，结合船型结构，合理设计生产工序、流程，推出了双丝CO2自动焊、CO2自动角焊、双丝垂直气电焊等先进焊接工艺，使CO2药芯焊丝在船厂的用量每年都有大幅提升。图1为江南造船2006～2010年药芯焊丝应用比例，可以看出，公司在CO2药芯焊丝应用方面逐年递增，其占焊材总耗量已达85%以上。
焊材应用比例变化取决于船舶焊接工艺、设备的应用状况和水平。由国内两大造船集团公司（中国船舶工业集团公司、中国船舶重工集团公司）有关专家组成的高效焊接技术指导组对集团下属企业上报的焊接设备、材料、工艺等应用情况和数据进行了统计，附表是船舶焊接机械化率年度总体情况。统计结果表明，我国船舶焊接技术整体处于上升阶段，但机械化率、自动化应用比例进展不快，在船舶市场鼎盛3年中也仅提高了6个百分点，许多中小船厂由于技术、资金等原因，很难在短期内降低手工焊条、铁粉焊条等低效率、高能耗焊接材料的使用比例。
我国船厂焊工人均焊接材料日消耗量由2005年的15kg，提高到了2009年的20kg，焊接效率提高了1/3，但与日本人均日消耗量45kg的数据相比，差距较大，关键在于我国船舶的自动化应用程度远落后于世界先进造船国家。虽然在广大造船焊接技术人员努力下，国内船厂已先后研究开发了多达40余种高效焊接工艺方法，但真正能够被大部分船厂和焊接施工人员全面接受并在现有造船模式和管理状态下实船焊接应用的工艺仅十多种。所以，CO2半自动焊在国内船厂依旧占有主导地位，普通CO2药芯焊丝成了船厂最主要的焊材。图2是江南造船2010年埋弧焊丝（剂）、焊条、CO2药芯焊丝的应用比例。
国内骨干船厂，特别是近年来新建的大型造船基地，注重采用先进造船技术和高效焊接方法。
FCB单面焊、T形纵骨多电极CO2气保护自动角焊是船体平直分段装焊流水线的重要焊接工艺，其应用的埋弧焊材和高速角焊专用金属粉芯药芯焊丝大多依赖进口，主要是为了大热输入焊接条件下保证良好的电弧稳定性和焊缝外形，减少焊接裂纹产生，同时确保低温韧性钢板的焊缝性能达到船舶标准规定要求。在双丝埋弧焊方面，国产焊材开始逐步替代进口焊材。适合普通CO2自动角焊的配套金属粉芯药芯焊丝不仅实现了国产化，并且已经在生产中应用。垂直气电焊丝目前依然采用进口焊材，国产焊丝实船焊接应用尚处于研制试用阶段。经过船舶市场前几年高速发展和焊接应用技术不断突破，手工焊条在骨干船厂常规船舶焊接中的用量急剧减少，目前，仅用于一些特殊船舶和特殊船板焊接。
三、存在的问题
我国船舶焊接材料经过40多年发展，在材料品质、种类和生产规模方面有了很大提升，为造船工业焊接技术进步发挥了作用。随着国内船舶市场造船产能急剧扩大，应用先进船舶焊接技术的需求更加迫切，从而对焊接材料的要求更为严格。
就目前国内船舶焊材应用来看，主要存在以下问题：
1. 高端船用焊材国产化能力不足
虽然国内船舶焊材基本实现了国产化，但主要集中在焊条、普通CO2药芯焊丝等常规焊材方面，一些高端焊材和适用自动化焊接的药芯焊丝依赖进口，不仅直接增加船舶建造生产成本，而且因为焊接成本提高，不利于先进焊接工艺推广，导致国内一些船厂焊接水平提高不快。
2. 焊材质量良莠不齐
焊材质量取决于原料本身和制造技术，对CO2药芯焊丝而言尤为明显，除了焊丝填充药粉配方不同外，原料成分、纯净度差异和焊丝生产过程的变化，均会影响焊丝工艺性能和焊接质量。国内焊材生产企业研发技术参差不齐，制造设备各不相同，加上普通CO2药芯焊丝低价竞争，使得有些问题焊丝应运而生。一旦船厂把关不严，流入造船生产环节，往往会产生焊接裂纹，造成质量事故，从而影响到船厂造船进度和质量声誉。
3. 焊材品种少、专一化程度低
船舶焊接方法、工艺的多样化决定了适用焊材的应用要求不尽相同，在船体不同生产阶段和结构部位，即使同类型焊材，其焊接工艺也有明显差异。目前国内焊材生产企业都是按照焊材分类标准进行生产，除了通用工艺适用的几种焊材外，难见针对船舶焊接特点开发和生产的专用高效焊材，这与研发创新能力不强、企业过分追求规模生产效益有很大关系。
4. 焊材研发周期较长
船用焊接材料通常需要各国船级社认证，获得船检认可后才能在相应入级船舶建造中使用，而且，除了焊缝力学性能外，船用焊材必须具备卓越的工艺性能，才能被从事船舶焊接的工程技术人员、一线焊工接受。因此，在新焊材研制过程中，需要反复进行材料配方调整、样品试制、焊接试验及焊缝综合性能测试等循环流程。而精确完成上述研究试验，短期内实现新项目成功开发，焊材生产企业必须同时具备优秀技术人才、一流测试设备、与船厂紧密合作的基本条件。由于国内企业在研发基础条件方面相对薄弱，致使新焊材从船厂需求的提出到实际生产应用有时要经历几年的漫长时间。
5. 现有焊材持续改进力度不够
船舶焊接技术发展和造船效率提升，需要焊材在减少烟尘、飞溅，提高电弧稳定性，扩大电流适用范围，简化取用保存工序等方面持续优化。国内很多企业注重焊材使用前期的产品技术定型，对船厂使用过程中有关焊材应用工艺方面提出的改进建议响应较慢，焊材企业与船厂需要进一步加强技术合作，对在用焊材不断进行自我改良。
四、发展趋势与前景
2010年，我国已经成为了世界第一造船大国，但在体现船舶制造水平的焊接生产技术方面还远落后于日本、韩国。主要表现在：焊接机械化、自动化水平低，焊接新材料、新工艺生产应用推广周期长。未来几年，国内劳动力成本上升将促使船舶焊接由劳动密集型向技术密集型转变，国内船企将会加速先进高效自动化焊接工艺的开发、应用，船用焊材发展应当关注以下几方面。
1. CO2药芯焊丝需要向多品种化发展
目前，国内药芯焊丝总量的一半以上用于造船工业，但在品种供应上主要是E501T－1型普通CO2药芯焊丝，原因在于一方面船厂以CO2半自动焊为主要生产方式，另一方面焊材生产企业对具有专门工艺特性的专用药芯焊丝缺乏自主研发的热情。船舶焊接向高水平自动化转变，对CO2药芯焊丝专用特性需求更加明显，因此，应当研制各种适用不同焊接位置、不同焊缝形式、不同焊接工艺及不同钢板材料的专用药芯焊丝，解决船厂自动焊工艺适应度低的应用瓶颈。
2. 注重高强度、低温韧性焊材开发
世界船舶市场在今后几年会处于相对低迷的时期，相反，由于世界能源需求大幅提高，加快了海洋资源的开发利用，因此海洋钻井平台及配套辅助装备的市场需求被国内外一些船企看好。海工产品多为低温韧性好的大厚度高强钢，国内配套焊接材料相对匮乏，特别是气体保护焊丝和埋弧焊材。所以，针对世界海工产品用钢进行新焊材研制，形成海工用钢系列化国产焊材，也是对国内船企参与海工产品竞争的有力保障。
3. 稳定质量，提升焊材品质
船厂选用焊材，首先考虑质量；其次关注价格。船舶市场由前几年的高峰跌至低谷，世界船市进入了买方市场，船东对船舶质量近乎苛刻，而船舶建造期间，焊接质量优劣直接影响到船体结构交验，一旦质量有瑕疵，不能得到船东认可，就会相应拖延其他生产节点，给按时交船带来困难，所以船厂可能会加大焊材进厂把关力度，在质量品质和稳定性方面加强监管。
对焊材生产企业而言，通过自主研发、科学管理，提高产品技术含量，打造优质精品，用高质量、低成本产品才能赢得船用焊材的市场份额。
4. 焊材研发需要同步开发工艺
焊接材料、设备及工艺是焊接技术水平的标志，焊接工艺的发展需要材料、设备作为基础保障，材料、设备通过工艺反映其技术状态，所以，三者相辅相成。通常，焊材研发来源于两方面，一是新材料配套需要；二是船厂焊接效率改进需求。
对于第二种情况，焊接工艺的重要性不言而喻，所以，焊材生产企业在新焊材研制进程中必须重视工艺研究，开发产品才能少走弯路，推广使用才会效果更好。
5. 紧随船用新材料发展趋向
随着船舶品种和功能的多样化，船用材料由普通船用钢向高强钢、TMCP钢、耐腐蚀钢、特殊合金钢、不锈钢、低磁钢、铝合金及钛合金等多种材料延伸，有些船用管系还涉及到双相不锈钢、铜合金等材料。及时紧跟船用特种材料发展的步伐，开展相应配套焊材研究，加快特种船用焊材国产化开发进程不仅可以降低船厂焊接生产成本，更重要的是能够形成自主产品，解决国家重大装备制造中焊材短缺现象。
6. 推崇环保、节能焊材
一直以来，我国船舶工业高污染、高能耗的局面没有根本转变。进入21世纪，人类节能、环保意识增强，对于船舶焊接，减少环境污染，节能降耗需要从船用焊材的研究和生产入手。不仅在焊材生产中减污降能，更要研制出使用过程中烟尘、飞溅少、高效低能耗焊材，引导船舶焊接向绿色、节能方向发展。
五、结语
我国船舶工业正由造船大国向造船强国迈进，其中提高焊接技术生产应用水平是必由之路。船用焊接材料在国产化基础上努力实现同类产品世界一流的目标，将会进一步推动我国造船焊接技术早日跨入世界先进行列。
焊材应用比例变化取决于船舶焊接工艺、设备的应用状况和水平。由国内两大造船集团公司（中国船舶工业集团公司、中国船舶重工集团公司）有关专家组成的高效焊接技术指导组对集团下属企业上报的焊接设备、材料、工艺等应用情况和数据进行了统计，附表是船舶焊接机械化率年度总体情况。统计结果表明，我国船舶焊接技术整体处于上升阶段，但机械化率、自动化应用比例进展不快，在船舶市场鼎盛3年中也仅提高了6个百分点，许多中小船厂由于技术、资金等原因，很难在短期内降低手工焊条、铁粉焊条等低效率、高能耗焊接材料的使用比例。
我国船厂焊工人均焊接材料日消耗量由2005年的15kg，提高到了2009年的20kg，焊接效率提高了1/3，但与日本人均日消耗量45kg的数据相比，差距较大，关键在于我国船舶的自动化应用程度远落后于世界先进造船国家。虽然在广大造船焊接技术人员努力下，国内船厂已先后研究开发了多达40余种高效焊接工艺方法，但真正能够被大部分船厂和焊接施工人员全面接受并在现有造船模式和管理状态下实船焊接应用的工艺仅十多种。所以，CO2半自动焊在国内船厂依旧占有主导地位，普通CO2药芯焊丝成了船厂最主要的焊材。图2是江南造船2010年埋弧焊丝（剂）、焊条、CO2药芯焊丝的应用比例。
图2 不同焊材应用比例
国内骨干船厂，特别是近年来新建的大型造船基地，注重采用先进造船技术和高效焊接方法。
FCB单面焊、T形纵骨多电极CO2气保护自动角焊是船体平直分段装焊流水线的重要焊接工艺，其应用的埋弧焊材和高速角焊专用金属粉芯药芯焊丝大多依赖进口，主要是为了大热输入焊接条件下保证良好的电弧稳定性和焊缝外形，减少焊接裂纹产生，同时确保低温韧性钢板的焊缝性能达到船舶标准规定要求。在双丝埋弧焊方面，国产焊材开始逐步替代进口焊材。适合普通CO2自动角焊的配套金属粉芯药芯焊丝不仅实现了国产化，并且已经在生产中应用。垂直气电焊丝目前依然采用进口焊材，国产焊丝实船焊接应用尚处于研制试用阶段。经过船舶市场前几年高速发展和焊接应用技术不断突破，手工焊条在骨干船厂常规船舶焊接中的用量急剧减少，目前，仅用于一些特殊船舶和特殊船板焊接。
三、存在的问题
我国船舶焊接材料经过40多年发展，在材料品质、种类和生产规模方面有了很大提升，为造船工业焊接技术进步发挥了作用。随着国内船舶市场造船产能急剧扩大，应用先进船舶焊接技术的需求更加迫切，从而对焊接材料的要求更为严格。
就目前国内船舶焊材应用来看，主要存在以下问题：
1. 高端船用焊材国产化能力不足
虽然国内船舶焊材基本实现了国产化，但主要集中在焊条、普通CO2药芯焊丝等常规焊材方面，一些高端焊材和适用自动化焊接的药芯焊丝依赖进口，不仅直接增加船舶建造生产成本，而且因为焊接成本提高，不利于先进焊接工艺推广，导致国内一些船厂焊接水平提高不快。
2. 焊材质量良莠不齐
焊材质量取决于原料本身和制造技术，对CO2药芯焊丝而言尤为明显，除了焊丝填充药粉配方不同外，原料成分、纯净度差异和焊丝生产过程的变化，均会影响焊丝工艺性能和焊接质量。国内焊材生产企业研发技术参差不齐，制造设备各不相同，加上普通CO2药芯焊丝低价竞争，使得有些问题焊丝应运而生。一旦船厂把关不严，流入造船生产环节，往往会产生焊接裂纹，造成质量事故，从而影响到船厂造船进度和质量声誉。
3. 焊材品种少、专一化程度低
船舶焊接方法、工艺的多样化决定了适用焊材的应用要求不尽相同，在船体不同生产阶段和结构部位，即使同类型焊材，其焊接工艺也有明显差异。目前国内焊材生产企业都是按照焊材分类标准进行生产，除了通用工艺适用的几种焊材外，难见针对船舶焊接特点开发和生产的专用高效焊材，这与研发创新能力不强、企业过分追求规模生产效益有很大关系。
4. 焊材研发周期较长
船用焊接材料通常需要各国船级社认证，获得船检认可后才能在相应入级船舶建造中使用，而且，除了焊缝力学性能外，船用焊材必须具备卓越的工艺性能，才能被从事船舶焊接的工程技术人员、一线焊工接受。因此，在新焊材研制过程中，需要反复进行材料配方调整、样品试制、焊接试验及焊缝综合性能测试等循环流程。而精确完成上述研究试验，短期内实现新项目成功开发，焊材生产企业必须同时具备优秀技术人才、一流测试设备、与船厂紧密合作的基本条件。由于国内企业在研发基础条件方面相对薄弱，致使新焊材从船厂需求的提出到实际生产应用有时要经历几年的漫长时间。
5. 现有焊材持续改进力度不够
船舶焊接技术发展和造船效率提升，需要焊材在减少烟尘、飞溅，提高电弧稳定性，扩大电流适用范围，简化取用保存工序等方面持续优化。国内很多企业注重焊材使用前期的产品技术定型，对船厂使用过程中有关焊材应用工艺方面提出的改进建议响应较慢，焊材企业与船厂需要进一步加强技术合作，对在用焊材不断进行自我改良。
四、发展趋势与前景
2010年，我国已经成为了世界第一造船大国，但在体现船舶制造水平的焊接生产技术方面还远落后于日本、韩国。主要表现在：焊接机械化、自动化水平低，焊接新材料、新工艺生产应用推广周期长。未来几年，国内劳动力成本上升将促使船舶焊接由劳动密集型向技术密集型转变，国内船企将会加速先进高效自动化焊接工艺的开发、应用，船用焊材发展应当关注以下几方面。
1. CO2药芯焊丝需要向多品种化发展
目前，国内药芯焊丝总量的一半以上用于造船工业，但在品种供应上主要是E501T－1型普通CO2药芯焊丝，原因在于一方面船厂以CO2半自动焊为主要生产方式，另一方面焊材生产企业对具有专门工艺特性的专用药芯焊丝缺乏自主研发的热情。船舶焊接向高水平自动化转变，对CO2药芯焊丝专用特性需求更加明显，因此，应当研制各种适用不同焊接位置、不同焊缝形式、不同焊接工艺及不同钢板材料的专用药芯焊丝，解决船厂自动焊工艺适应度低的应用瓶颈。
2. 注重高强度、低温韧性焊材开发
世界船舶市场在今后几年会处于相对低迷的时期，相反，由于世界能源需求大幅提高，加快了海洋资源的开发利用，因此海洋钻井平台及配套辅助装备的市场需求被国内外一些船企看好。海工产品多为低温韧性好的大厚度高强钢，国内配套焊接材料相对匮乏，特别是气体保护焊丝和埋弧焊材。所以，针对世界海工产品用钢进行新焊材研制，形成海工用钢系列化国产焊材，也是对国内船企参与海工产品竞争的有力保障。
3. 稳定质量，提升焊材品质
船厂选用焊材，首先考虑质量；其次关注价格。船舶市场由前几年的高峰跌至低谷，世界船市进入了买方市场，船东对船舶质量近乎苛刻，而船舶建造期间，焊接质量优劣直接影响到船体结构交验，一旦质量有瑕疵，不能得到船东认可，就会相应拖延其他生产节点，给按时交船带来困难，所以船厂可能会加大焊材进厂把关力度，在质量品质和稳定性方面加强监管。
对焊材生产企业而言，通过自主研发、科学管理，提高产品技术含量，打造优质精品，用高质量、低成本产品才能赢得船用焊材的市场份额。
4. 焊材研发需要同步开发工艺
焊接材料、设备及工艺是焊接技术水平的标志，焊接工艺的发展需要材料、设备作为基础保障，材料、设备通过工艺反映其技术状态，所以，三者相辅相成。通常，焊材研发来源于两方面，一是新材料配套需要；二是船厂焊接效率改进需求。
对于第二种情况，焊接工艺的重要性不言而喻，所以，焊材生产企业在新焊材研制进程中必须重视工艺研究，开发产品才能少走弯路，推广使用才会效果更好。
5. 紧随船用新材料发展趋向
随着船舶品种和功能的多样化，船用材料由普通船用钢向高强钢、TMCP钢、耐腐蚀钢、特殊合金钢、不锈钢、低磁钢、铝合金及钛合金等多种材料延伸，有些船用管系还涉及到双相不锈钢、铜合金等材料。及时紧跟船用特种材料发展的步伐，开展相应配套焊材研究，加快特种船用焊材国产化开发进程不仅可以降低船厂焊接生产成本，更重要的是能够形成自主产品，解决国家重大装备制造中焊材短缺现象。
6. 推崇环保、节能焊材
一直以来，我国船舶工业高污染、高能耗的局面没有根本转变。进入21世纪，人类节能、环保意识增强，对于船舶焊接，减少环境污染，节能降耗需要从船用焊材的研究和生产入手。不仅在焊材生产中减污降能，更要研制出使用过程中烟尘、飞溅少、高效低能耗焊材，引导船舶焊接向绿色、节能方向发展。
五、结语
我国船舶工业正由造船大国向造船强国迈进，其中提高焊接技术生产应用水平是必由之路。船用焊接材料在国产化基础上努力实现同类产品世界一流的目标，将会进一步推动我国造船焊接技术早日跨入世界先进行列。
