呂 崧，包崇籠

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

0 引言

耐候鋼， 即耐大氣腐蝕鋼，是以Cu、P為主要合金，輔以Cr、Mn、Ti、Ni、Nb等元素通過細(xì)晶強化、固溶強化等方式使其在金屬表面形成保護(hù)層，是介于普通鋼和不銹鋼之間的一種低合金鋼。具有低合金鋼的強韌、塑延、成型、可焊割等工藝性能的同時，還具有良好的耐大氣腐蝕性能、綜合機械性能，其耐候性為普碳鋼的2～8倍，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍。高強度耐候鋼是屈服強度≥400 MPa、抗拉強度≥500 MPa的耐候鋼。其特點是鋼材的塑韌性稍降低，但強度和低溫沖擊性能高。通過表1的新能源光伏支架零件表可以看出，本支架結(jié)構(gòu)件材料除水平支撐、柱間支撐、條間直拉條采用Q235B，其它均采用高強耐候鋼，其結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓達(dá)到0.31 kN/m2，雪壓達(dá)到0.3 kN/m2，風(fēng)振系數(shù)為1.0，風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.0，風(fēng)荷載體型系數(shù)為正風(fēng)0.96，負(fù)風(fēng)-1.21，山地修正系數(shù)為1.5，可變荷載分項系數(shù)為1.4，恒荷載分項系數(shù)為1.2，荷載作用組合為1.2 G+1.4 W+1.4×0.7 S。耐候鋼光伏支架因其具有的高性價比、耐腐蝕性和環(huán)保性，受到越來越多光伏電站的青睞。耐候鋼支架對比目前光伏項目普遍采用傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅鋼支架，高強鋼輕量化率可以達(dá)到25%～34%左右，節(jié)約材料，可有效減少在支架生產(chǎn)加工過程中對環(huán)境的污染，加快制造流程，減少轉(zhuǎn)運次數(shù)，可有效推進(jìn)工程建設(shè)進(jìn)度，對減少碳排放和改善環(huán)境發(fā)揮了重要作用?！笆奈濉币?guī)劃提出,要深入實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,推動綠色低碳發(fā)展，全面提高資源利用率。高強耐候鋼支架的輕量化等特點使得在我國光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用空間將不斷擴大。

表1 新能源光伏支架零件表

1 焊接性分析

碳當(dāng)量可以大致評價鋼材的焊接性，碳當(dāng)量越高，不僅淬硬傾向越大，而且焊接熱影響區(qū)的冷裂傾向也越大，其鋼材的焊接性越差。

針對于不同合金影響下，比較科學(xué)的碳當(dāng)量計算公式為日本JIS標(biāo)注規(guī)定的CE公式：

高強耐候鋼的碳當(dāng)量為0.35%～0.43%，Q235B的碳當(dāng)量為0.20%～0.25%。

一般采用冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm來評價鋼的抗冷裂紋能力，其公式如下：

高強耐候鋼的Pcm為0.121%～0.130%，Q235B的Pcm為0.081%～0.086%。

碳當(dāng)量＜0.4時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性能良好，不需要預(yù)熱；碳當(dāng)量為0.4～0.6時，鋼材易于淬硬，容易產(chǎn)生冷裂紋，焊前要預(yù)熱才能防止冷裂紋；當(dāng)Pcm≤0.20時，焊前不預(yù)熱或低預(yù)熱即可防止根部裂紋，鋼板的抗冷裂紋能力優(yōu)異，焊接性良好。經(jīng)比較，高強耐候鋼的碳當(dāng)量較高，冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm不高。綜上所述，高強耐候鋼焊接時需考慮以下工藝問題：

（1）避免冷裂紋的產(chǎn)生；

（2）避免由于雜質(zhì)偏析引起的熱裂問題。

2 缺陷及措施

2.1 冷裂紋

冷裂紋的產(chǎn)生主要由3個因素影響：焊接接頭含氫量；淬硬傾向；內(nèi)應(yīng)力。因此防止冷裂紋產(chǎn)生的措施如下：

（1）焊前準(zhǔn)備：嚴(yán)格控制氫的來源，即采用堿性低氫焊條或低氫焊劑，焊前在350～450℃溫度下烘干1～2 h，去除焊材水分，烘干后存放在保溫箱（桶）內(nèi)，隨用隨??；保證清理坡口清潔度，去除坡口兩側(cè)水分、鐵銹、油污等雜物；焊前預(yù)熱，但高強度耐候鋼焊接時一般不需要采取此工藝措施。

（2）焊接過程：選用合適的焊接線能量，即控制焊接熱輸入，減緩熔池冷卻速度，降低或避免淬硬組織的生成，同時還能保證氫的排出；合理安排焊接順序，減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

（3）焊后措施：焊后緩冷，保證氫的排出，高強度耐候鋼焊接時一般不需要采取此工藝措施。

（4）選用合適的焊接方法和運用規(guī)范的焊接操作：氣體保護(hù)焊能有效保護(hù)焊縫，減少氫的攝入，特別是混合氣體具有氧化性，能有效降低氫的含量；涉及非薄板焊接時，盡可能采用多層多道焊，因為焊接過程中前一道焊縫對后一道焊縫起到預(yù)熱作用，后一道焊縫對前一道焊縫有緩冷作用；采用雙面清根焊接，保護(hù)效果優(yōu)于單面焊雙面成形焊縫。

2.2 熱裂紋

熱裂紋的產(chǎn)生主要受S、P含量影響，其次內(nèi)應(yīng)力也對熱裂紋的參數(shù)有一定影響。因此防止熱裂紋產(chǎn)生的措施如下：

（1）焊材的選擇：選擇S、P含量低的焊材，控制S、P含量的輸入；選擇含Ni等消S、P的焊材，Ni可將FeS、MnS、Fe2P、Fe3P等化合中的S、P物置換出來，生成NiS、Ni3P并隨焊縫凝固過程排到藥皮中，以降低焊縫S、P含量；選用含V等元素的焊材，V在焊縫結(jié)晶過程中，能改善結(jié)晶組織的形態(tài)，起到細(xì)化晶粒作用，來提高焊縫抗裂性能。

（2）合理安排焊接順序，減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

（3）選擇合適的焊接參數(shù)：選用合適的焊接線能量，即控制焊接熱輸入，以控制冷卻速度的方式控制變形，來降低熱裂紋的產(chǎn)生。

（4）選擇合適的接頭形式：不同的接頭形式其受力狀態(tài)不同，焊縫成型時的熱裂紋傾向也不同。

3 生產(chǎn)中的技術(shù)要求

（1）定位焊、打底焊、填充焊及蓋面焊時所使用的焊材應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行存儲、烘焙要求，現(xiàn)場使用需存放在保溫箱（桶）內(nèi)，隨用隨取。

（2）嚴(yán)格控制弧坑裂紋的產(chǎn)生，必要時可加引弧板和熄弧板。

（3）嚴(yán)格控制環(huán)境條件：嚴(yán)格控制溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境條件，必要時需采取預(yù)熱、搭帳篷等措施。

（4）嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)：控制焊接順序、焊接參數(shù)和焊接方法，來控制熱輸入、減小焊接變形。

涉及非薄板焊接時：

（5）焊接重要焊縫時，嚴(yán)格執(zhí)行焊前準(zhǔn)備中的清潔度要求，包括可焊性預(yù)涂漆。

（6）遇到需修割或需碳弧氣刨清根時，嚴(yán)格要求坡（切）口質(zhì)量，必要時使用砂輪機修磨。

（7）多層多道焊縫焊接時，相鄰兩層焊縫需將接頭錯開20～30 mm，并采用相反的焊接方向進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制弧坑質(zhì)量。

4 結(jié)束語

從材料的焊接性分析來看，高強耐候鋼焊接主要會存在冷裂紋和熱裂紋兩種缺陷，兩種缺陷能從焊前準(zhǔn)備、焊接過程控制及焊后處理等方面采取相應(yīng)措施。選用合適的工藝參數(shù)能極大保證焊接質(zhì)量。本工藝有利于光伏支架輕型化的轉(zhuǎn)變，也能指導(dǎo)耐候鋼產(chǎn)品的制作。