毛小飛，徐少華，黃以會，趙 煒，韓海華

（1.南通中集大型儲罐有限公司，江蘇 南通 226010；2.南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通226007；3.合肥紫虹鋼構(gòu)有限公司，合肥231265；4.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

風(fēng)電塔架Q345E-Z35厚板不清根GMAW+SAW焊接工藝

毛小飛1，徐少華2，黃以會3，趙 煒4，韓海華1

（1.南通中集大型儲罐有限公司，江蘇 南通 226010；2.南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通226007；3.合肥紫虹鋼構(gòu)有限公司，合肥231265；4.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

為了得到環(huán)保、高效的風(fēng)力塔架焊接工藝，新能源風(fēng)力發(fā)電塔架采用了Q345E-Z35低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，X形坡口、GMAW打底焊、SAW填充焊的工藝，進行了力學(xué)性能試驗和硬度試驗分析。結(jié)果表明：焊接過程中采取必要的工藝措施能防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生；同時新工藝GMAW+SAW不清根與FCAW相比，可實現(xiàn)高效環(huán)保、提高效率、降低成本，力學(xué)性能滿足工況使用要求。

焊接；厚板；X形坡口；GMAW打底焊；SAW填充焊；無碳刨不清根焊接工藝

1 概 述

風(fēng)電塔架傳統(tǒng)的焊接方法采用FCAW或FCAW+SAW[1-2]，接頭V形坡口，焊接工藝為：正面預(yù)熱→正面焊接→反面碳弧氣刨清根→打磨坡口→磁粉探傷→反面預(yù)熱→反面焊接。傳統(tǒng)工藝碳弧氣刨背面清根缺點：①采用碳弧氣刨清根工序容易使法蘭產(chǎn)生焊接變形，從而導(dǎo)致法蘭平面度、法蘭面內(nèi)傾量、法蘭橢圓度均不達(dá)標(biāo)；②碳弧氣刨過程在刨削表面會產(chǎn)生增碳層和淬硬層[3]，需要打磨1.0 mm表面層后才能施焊，額外輔助耗材浪費，工效低，施工成本高；③采用內(nèi)、外清根均存在安全隱患，外側(cè)碳弧氣刨清根，火花飛濺傷人存在安全隱患，內(nèi)側(cè)清根，塔筒內(nèi)環(huán)境惡劣，大量煙霧粉塵、噪聲、弧光輻射，危害操作人員的健康；④碳弧氣刨清根工序?qū)Σ僮鞴と思夹g(shù)要求高，如果清根后的焊縫寬窄不一、深淺不勻，易導(dǎo)致后續(xù)返修。

所以探索高效環(huán)保的焊接工藝是每個風(fēng)電塔架生產(chǎn)企業(yè)都在研究的課題。本研究提出無碳弧氣刨不清根焊接工藝：采用X形坡口GMAW打底焊后再進行正反面SAW填充焊接。與傳統(tǒng)工藝相比焊接效率提高20%以上，節(jié)省耗材，工人勞動強度低。

按圖1給出的基礎(chǔ)環(huán)下法蘭PL110實例，對接材料厚度和焊縫熔敷厚度的鑒定范圍是：試件厚度選取t=70 mm，多層多道焊的焊件厚度范圍0.5t～2t，在有效覆蓋內(nèi)。

圖1 基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的外觀圖、拼焊圖及下料圖

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料及設(shè)備

（1）母材選?。篞345E-Z35由舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)，母材厚度70 mm，供貨狀態(tài)為正火。試件化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。服役時的顯微組織主要是鐵素體-珠光體。Q345E鋼中 w（Mn）=1.0%～1.6%[4]，起著固溶強化的作用，Mn能降低A3溫度，增大Q345E鋼的奧氏體過冷能力，細(xì)化晶粒來提高強度和保證沖擊韌性。

表1 Q345E-Z35鋼板的化學(xué)成分 %

表2 Q345E-Z35鋼板的力學(xué)性能

為了防止層狀撕裂，所選鋼材具有Z向斷面收縮率35%的優(yōu)異性能，指在冶煉軋制時降低鋼中夾雜物硫含量和控制夾雜物形態(tài)。Z35級別對應(yīng) w（S）≤0.005%[5]，Q345E-Z35 鋼 w（S）實測值0.002%，見表1。

正火的目的使碳、氮化合物以細(xì)小質(zhì)點從固溶體中沉淀析出，起沉淀強化作用，同時又起到細(xì)化晶粒的作用。

（2）評估Q345E鋼冷裂紋傾向的碳當(dāng)量CE：碳當(dāng)量的數(shù)值越大，被焊鋼材的淬硬傾向就越大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生冷裂紋。中國船級社《海上風(fēng)力發(fā)電機組認(rèn)證規(guī)范》第3.2.2.3條規(guī)定[6]：屈服強度＞285 MPa但≯390 MPa范圍內(nèi)的高強度鋼，碳當(dāng)量不應(yīng)超過0.45%。

當(dāng)CE＜0.4%的鋼材焊接時基本上無淬硬傾向，焊接性良好，鋼材屈服強度在295～390 MPa的熱軋鋼如Q295這一類，除厚板、環(huán)境溫度低的情況外，不需要焊前預(yù)熱和控制焊接熱輸入，也不會有冷裂紋。隨著CE增加，其淬硬傾向也隨之增大，Q345、Q390等熱軋鋼的碳當(dāng)量較上述Q295鋼稍高，其淬硬傾向相應(yīng)稍大，當(dāng)冷卻速度快，就可能出現(xiàn)馬氏體淬硬組織。在拘束應(yīng)力較大、擴散氫含量較高的情況，隨著板厚增加，就必須控制母材化學(xué)成分、焊材合理選用、焊接工藝正確制訂等有效措施，來防止冷裂紋的產(chǎn)生。

CE=0.4%～0.6%的鋼材基本上就有淬硬傾向特性，鋼材屈服強度在440～490 MPa的正火鋼如Q420、Q460屬于這一類。

CE＞0.5%的鋼材其淬硬傾向顯著，容易冷裂，必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入，并采取預(yù)熱、后熱處理等工藝措施，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

試件Q345E-Z35鋼70 mm厚板碳當(dāng)量CE=0.4%，焊前需預(yù)熱防止氫致開裂。

（3）Q345E鋼焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm：根據(jù)日本焊接協(xié)會WES3009—1983低焊接冷裂紋敏感性高強度鋼，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：只有當(dāng)鋼板的Pcm≤0.20%時，防止根部裂紋預(yù)熱溫度才不會高于50℃。

由于試件在焊接過程中產(chǎn)生的主要裂紋是氫致裂紋，屬于冷裂紋。就碳當(dāng)量法評估冷裂傾向是不全面的，根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，擴散氫、拘束度和熱循環(huán)條件等都會對冷裂紋產(chǎn)生相應(yīng)的影響。所以有必要對其冷裂紋敏感指數(shù)Pcm進行計算。

試件Q345E-Z35鋼冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.226%＞0.20%，具有一定的冷裂傾向，焊前需要適當(dāng)預(yù)熱，并盡量采用能夠形成低氫焊縫的焊接材料和工藝方法，以降低鋼板的焊接冷裂紋傾向。

（4）焊接設(shè)備：CO2氣體保護焊選用松下KR500焊機；埋弧焊選用林肯Idealarc DC-1000焊機。

（5）焊材選擇：打底焊的焊接材料選用錦泰公司生產(chǎn)規(guī)格Φ1.2 mm JM-58實芯焊絲，該焊絲符合美國AWS A5.18 ER70S-G標(biāo)準(zhǔn)要求。填充焊和蓋面焊均采用Φ4.8 mm錦泰牌JW-1埋弧焊絲；焊劑為錦泰牌JF-B（SJ101）氟堿型燒結(jié)焊劑，焊劑粒度10～60目，焊前焊劑應(yīng)在300～350℃烘干2 h。焊絲和焊劑熔敷金屬的力學(xué)性能見表3。

表3 焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能

2.2 試驗方法

2.2.1 坡口設(shè)計

圖2中X形坡口填充材料只是傳統(tǒng)60°V形坡口填充量的66%，所以與傳統(tǒng)V形坡口相比，焊縫金屬填充量少。焊接量的減少可減少變形，且X形坡口接頭還可兩面交替焊接，見圖3，能夠進一步減少變形，從而把法蘭角變形控制到最小。某工程項目中：①塔筒法蘭、基礎(chǔ)環(huán)上法蘭焊接后角變形（內(nèi)傾量）為0.5～1.0 mm；②塔筒成段后法蘭平面度公差，頂部法蘭0.5 mm，中間法蘭和底部法蘭2 mm；③頂法蘭橢圓度為0.5 mm，中間法蘭和底部法蘭橢圓度為2 mm。

圖2中坡口面上的鈍邊厚度3 mm，用來減少燒穿，減少焊接時焊縫金屬穿過根部滴落傾向。

圖2 X形坡口形狀及尺寸

圖3 焊道順序

2.2.2 焊接工藝參數(shù)

試件尺寸為70 mm×150 mm×300 mm。采用火焰噴射加熱方式對焊接區(qū)域預(yù)熱，焊前預(yù)熱溫度為120℃，使用預(yù)熱將減少焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，并改善延展性，對于大于25 mm厚板和高約束焊接接頭一般要求預(yù)熱。打底焊采用純CO2氣體保護焊，氣體流量15～20 L/min，打底焊焊縫高度小于等于4 mm。填充和蓋面采用埋弧焊，層間溫度150℃，焊劑覆蓋厚度為30～40 mm，背面無碳刨，不清根工序。焊接工藝參數(shù)見表4。做好防風(fēng)措施，風(fēng)速小于等于2 m/s。為了消除焊接應(yīng)力，每道焊縫結(jié)束后使用焊渣錘敲擊焊縫并清理。厚度110 mm基礎(chǔ)環(huán)下法蘭和厚度60 mm的門框，有焊后后熱工序，焊縫金屬和熱影響區(qū)溫度加熱至300～350℃后關(guān)閉烘搶，用石棉覆蓋保溫，使其緩慢冷卻，便于氫擴散逸出，后熱的目的也是防止延遲裂紋的產(chǎn)生。薄板焊接結(jié)構(gòu)件和強度級別低的鋼種則不需要后熱處理。

表4 焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 外觀檢查和無損檢驗

現(xiàn)場檢查焊縫金屬與母材熔合較好，焊縫和熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔和咬邊等焊接缺陷。對接焊縫余高小于等于3 mm。

焊接接頭UT檢測驗收等級符合EN1712的2級；且焊縫磁粉探傷驗收等級符合EN1291的Ι級。

3.2 力學(xué)性能試驗

（1）焊接接頭拉伸試驗：焊接接頭的拉伸性能在很大程度上影響著焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，按標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136—2001金屬材料焊接的破壞試驗，在WES-1000B液晶顯示萬能試驗機上進行焊接頭的拉伸試驗，拉伸試件的取樣垂直于焊縫方向。要求全厚度試驗，如圖4所示從接頭截取3個試樣覆蓋整個厚度，ts=30 mm，b=25 mm，t=70 mm。

圖4 取樣位置

拉伸試驗結(jié)果見表5。由表5可見，焊接接頭抗拉強度在515～555 MPa之間，并且焊接接頭斷裂位置均在母材處。焊接接頭的拉伸強度均大于表2中母材拉伸強度的實測值，根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，這種“高強匹配”接頭能夠獲得比母材更高的脆性斷裂強度，但只適用于低屈強比鋼Q345類；對于高屈服比鋼，如HG70，“高強匹配”接頭對接頭的抗脆斷性能并不有利，反而有害，對應(yīng)的文獻(xiàn)[9]中HG70鋼斷裂位置均處在HAZ回火區(qū)，提出“低強匹配”，有利于提高焊接接頭塑性，防止冷裂紋。

表5 工藝評定拉伸試驗結(jié)果

（2） 夏比（V形缺口）沖擊試驗： 按標(biāo)準(zhǔn)ISO9016—2001金屬材料焊縫破壞性試驗，來檢驗焊接接頭在破斷前吸收能量的能力。試驗設(shè)備為JB-30B型擺式?jīng)_擊試驗機，試樣穩(wěn)定的試驗溫度為-40℃。采用10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣。在熱影響區(qū)和焊縫中心開設(shè)沖擊試樣的夏比V形缺口，缺口方向垂直于焊縫表面，V形缺口夾角為45°，其深度為2 mm，底部曲率半徑為0.25 mm。開缺口前試樣應(yīng)經(jīng)過4%的硝酸酒精溶液腐蝕，清楚地顯示出焊縫后，劃線和機加工處理。

沖擊試驗結(jié)果見表6。由表6可知，Q345EZ35鋼焊接接頭HAZ沖擊值均大于焊縫區(qū)。這表明熱影響區(qū)也具有良好的韌性，粗晶區(qū)晶粒比較細(xì)化，并且粗晶區(qū)馬氏體幾乎沒有，主要為韌性比較好的鐵素體、珠光體和少許貝氏體組織。

表6 -40℃沖擊試驗結(jié)果

3.3 硬度試驗

風(fēng)電塔架焊接接頭的硬度檢驗主要使用維氏硬度HV。試驗設(shè)備為432SVD維氏硬度計。試驗溫度10～35℃。 試驗載荷為 98.07 N（10 kgf），試驗力垂直于試驗面，保持時間為10～15 s。試樣截?。喊ê附咏宇^的所有區(qū)域，采用帶焊縫余高的全板厚，其長度為焊縫寬度兩側(cè)各加15～20 mm，厚度應(yīng)為10～15 mm。按標(biāo)準(zhǔn)ISO 9015-1—2001焊接接頭硬度試驗方法進行。在焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材中的每個區(qū)域至少測3個點，測點的間距應(yīng)為0.5～2.0 mm。硬度試驗點的位置如圖5所示，測試結(jié)果見表7。

圖5 對接接頭維氏硬度試驗點位置示意圖

表7 硬度檢測結(jié)果

由圖5可知，焊縫金屬的試驗點為9個，熱影響區(qū)試驗點為18個，母材試驗點為18個。焊縫金屬的維氏硬度均值HV10=182，熱影響區(qū)的維氏硬度均值HV10=194，母材的維氏硬度均值HV10=173。焊縫金屬、HAZ硬度高于母材硬度，這和文獻(xiàn)[10]硬度檢測章節(jié)分析的結(jié)果相一致。

HAZ粗晶區(qū)的硬度雖然最高，其硬度值也均未超過350 HV10。組織類型為鐵素體、珠光體和少許貝氏體，未生成馬氏體。在焊接過程采取了有效的工藝措施：母材在焊前進行了120℃的預(yù)熱，層間溫度控制在150℃，厚板的后熱處理溫度在300～350℃。

采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理的優(yōu)勢在于：

（1）預(yù)熱能減緩焊后接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋；減少焊縫金屬和HAZ的淬硬程度，提高接頭的抗裂性。

（2）預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力。

（3）預(yù)熱可降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度。

（4）預(yù)熱可提高焊接生產(chǎn)率。結(jié)構(gòu)件具備了較高的初始溫度后，再吸納較少的熱量即可以熔化焊接，來提高施工效率。

（5）后熱處理可加快焊縫和HAZ中氫的逸出，防止產(chǎn)生延遲裂紋。

文獻(xiàn)[11]張華軍等人在《風(fēng)力發(fā)電管樁S355鋼多道焊橫向裂紋產(chǎn)生原因》文章中指出“對于風(fēng)力發(fā)電管樁S355鋼這種強度級別的鋼來說，其橫向裂紋的形成最主要的影響因素是擴散氫含量和縱向應(yīng)力，焊縫組織的影響不是很大”。同時他的試驗也提出與上述相應(yīng)的防止橫向裂紋的措施。

HAZ正火區(qū)和部分正火區(qū)硬度其次高，則其強度也高，這與拉伸試驗結(jié)果相一致。在焊接熱的作用下先后完成兩次重結(jié)晶過程。最終組織為細(xì)小而均勻分布的鐵素體和珠光體。

4 結(jié) 論

（1）Q345E鋼采用本研究敘述焊接工藝，可以省去碳弧氣刨清根工序。與傳統(tǒng)工藝相比焊接效率提高20%以上，節(jié)省耗材，降低工人的勞動強度。

（2）Q345E鋼厚板70 mm試件碳當(dāng)量CE=0.4%，冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.226%，焊前焊劑烘干2 h，烘干溫度300～350℃。焊前預(yù)熱120℃和焊道間溫度150℃。母材鐵銹打磨。法蘭厚度110 mm和門框厚度60 mm后熱溫度300～350℃且保溫緩冷。防止氫致開裂，降低接頭拘束應(yīng)力。

（3）厚板Q345E-Z35鋼對接接頭的綜合力學(xué)性能良好，滿足風(fēng)電塔架的設(shè)計和使用要求。研究成果應(yīng)用推廣在近海、潮間帶處單機功率2 MW風(fēng)電塔架上，運行效果挺好。為同類海上風(fēng)電單機功率5 MW塔筒厚板的焊接技術(shù)提供了有力參考。

[1]高云中.風(fēng)塔焊接工藝[J].電焊機，2004，34（11）：48-51.

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Q345E-Z35 Thick Plate Without Back Chipping Technology＆GMAW+SAW Welding Process for Wind Power Tower

MAO Xiaofei1，XU Shaohua2，HUANG Yihui3，ZHAO Wei4，HAN haihua1
（1.HOLVRIEKA(CHINA)Co.,Ltd.,Nantong 226010,Jiangsu,China;2.Nantong Vocational College of Science and Technology,Nantong 226007,Jiangsu,China;3.Hefei Purple Rainbow Steel Co.,Ltd.,Hefei 231265,China;4.Jiangsu University,Zhengjiang 212013,Jiangsu,China）

In order to get the high efficient environmental protection wind power generation tower，the X type groove,GMAW backing welding and SAW filler welding were used for Q345E-Z35 high strength low alloy structural steel of the new energy wind power generation tower,and analyzed the mechanical properties test and hardness test.The results showed that necessary measures can be taken to prevent cold cracking during welding process.And the new technology of GMAW+SAW without back chipping technology was compared with FCAW,it can realize high efficient environmental protection,improve efficiency,reduce cost and the mechanical performance meet the use requirements of working condition.

welding;thick plate;X groove;GMAW backing welding;SAW filling welding;non-carbon gouging without back chipping welding technology

TG444

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.005

毛小飛（1986—），男，漢族，江蘇南通人，本科，工程師，目前從事鋼結(jié)構(gòu)和壓力容器焊接工藝技術(shù)工作。

2016-08-18

羅 剛