戚建偉，姜昊

唐山海運職業(yè)學院 河北唐山 063200

1 序言

隨著海洋風電單機容量逐漸提升，對海洋風電樁基礎(chǔ)的要求也越來越高，樁基礎(chǔ)逐漸走向厚板及大型化。目前，樁基礎(chǔ)焊接結(jié)構(gòu)越來越多的采用EH36鋼，此次針對厚度90mm的板材焊接進行工藝研究。在實際生產(chǎn)中，為了提高大厚板焊接生產(chǎn)的效率，采用了雙絲埋弧焊。該焊接方法減少了焊接層數(shù)，焊接效率與單絲埋弧焊相比可提高65%以上。通過前后絲焊接參數(shù)的合理調(diào)整，能夠在較寬范圍內(nèi)控制焊接熱輸入，滿足不同使用條件下的性能要求[1]。

目前，雙絲埋弧焊應用越來越廣，工藝更加完善，尤其是在厚板焊接中應用廣泛。生產(chǎn)中一般采用的是縱列式雙絲埋弧焊，即兩根焊絲沿著焊接方向前后分布。這種方法適用于高速焊接，且焊接時不易產(chǎn)生咬邊、氣孔及未熔合等缺陷。從焊縫成形上看，縱列式埋弧焊焊縫深而窄。采用雙絲埋弧焊焊接時，前電弧可用足夠大的電流焊接，以保證熔深；后電弧則采用較小的焊接電流及較高的電弧電壓調(diào)整焊縫成形。雙絲埋弧焊不僅可提高焊接效率，且焊接過程中由于熔池體積大，相對于單絲埋弧焊，熔池金屬液態(tài)形式存在的時間較長，所以有利于液態(tài)金屬中的氣體從內(nèi)部逸出，確保液態(tài)金屬的冶金反應更充分。

2 工藝研究

2.1 母材材料分析

本次焊接工藝的研究，針對的是海洋風電樁常用材料，即GB/T 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的EH36-Z25鋼，厚度90mm。材料出廠供貨為正火態(tài)，其化學成分及力學性能分別見表1、表2。

表1 EH36-Z25鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 EH36-Z25鋼力學性能

某種材料焊接性的優(yōu)劣，就是指焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向大小，材料的焊接性與其化學成分有關(guān)，因此在研究材料焊接性時，利用化學成分對冷裂紋傾向貢獻度來間接地評估鋼材焊接性。將鋼中合金元素（包括C元素）的含量，按其作用換算成碳的相當含量（以碳的作用系數(shù)為1）作為粗略評定鋼材冷裂傾向的一種參考指標，即所謂碳當量法[2]。一般認為，隨著碳當量的增大，被焊鋼材的淬硬傾向逐漸增大，被焊鋼材的焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向越大。因此，可根據(jù)材料的碳當量推測出其焊接性的優(yōu)劣。

根據(jù)經(jīng)驗，當碳當量＜0.4%時，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性好。焊接這類鋼材時，一般不需要采取其他工藝措施也能獲得較高質(zhì)量的焊縫；當碳當量為0.4%～0.6%時，鋼材容易淬硬，焊接性變差，焊接前要采取預熱措施防止冷裂紋的產(chǎn)生；當碳當量＞0.6%時，鋼材的焊接性極差，焊接預熱需要更高的溫度，且焊后需要保溫緩冷。

根據(jù)表1化學成分，EH36-Z25鋼的碳當量Ceq＝C＋Mn/6＋（Cr＋Mo＋V）/5＋（Ni＋Cu）/15＝0.37%，屬于淬硬傾向較小的材料，焊接性好。但當碳當量接近0.4%時，在鋼板厚度較大或環(huán)境溫度較低的情況下，仍然需要焊前預熱。

2.2 焊接時容易出現(xiàn)的問題

（1）焊接變形 焊接過程中的溫度場，會導致焊接構(gòu)件產(chǎn)生變形，熔池中的溫度場不同，結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的焊接變形也不同。溫度場不均勻會使焊件的熱脹冷縮受到約束，較高溫度的焊縫周圍金屬被壓縮，因此當焊縫冷卻凝固后，殘余應力釋放，焊件產(chǎn)生變形。為了減少焊接構(gòu)件變形，在設計焊接結(jié)構(gòu)時，可以充分考慮提高結(jié)構(gòu)的整體剛性，布置足夠的加強結(jié)構(gòu)等。另外，對焊接參數(shù)進行必要的優(yōu)化，也可以避免焊接變形，例如焊前預熱、多層多道焊接等。

對厚板或淬硬傾向較大的材料進行焊接時，一般采用以下幾種措施防止產(chǎn)生較大內(nèi)應力或變形。

1）采用熱輸入相對較小的多層多道焊接。

2）采用小參數(shù)焊接，減少熱輸入。

3）采用反變形，即先預制反方向的變形，以抵消焊接變形。

4）為減小內(nèi)應力導致的變形，焊接后可以錘擊焊縫，使焊接應力充分釋放。

（2）冷裂紋 因為厚板焊接時容易出現(xiàn)冷裂紋，所以在結(jié)構(gòu)件焊接完成后，要同時保證焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)的強度和韌性，這樣焊接接頭的各項物理性能才能滿足使用要求。焊縫中的冷裂紋，主要是氫致裂紋。在焊接過程中，由于一些有機物或水分的存在，致使焊縫中的氫含量增加，焊縫冷卻后，這些氫元素殘留在焊縫中，經(jīng)過一段時間的擴散，H元素集聚，導致了裂紋的產(chǎn)生。

2.3 焊接材料選用

在選用埋弧焊焊絲及焊劑時，除要使焊縫與母材等強度外，還要特別注意提高焊縫的塑性和韌性。焊絲和焊劑這兩種材料都直接參與焊接過程中的冶金反應，因此會對焊縫金屬的化學成分、組織和性能產(chǎn)生影響。本著等強度和等化學成分的原則，依據(jù)母材合金元素含量，藥芯焊絲氣體保護焊的焊絲選用CHT-71Ni，埋弧焊選用錳含量較高的CHW-S14（H10Mn2）焊絲匹配焊劑CHF101，其化學成分及熔敷金屬力學性能分別見表3、表4。

表3 CHW-S14焊絲化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表4 熔敷金屬力學性能

2.4 焊接工藝

（1）焊前準備 焊前準備內(nèi)容包括坡口制備及工件清理。

1）為了滿足焊后對焊縫質(zhì)量檢測時的取樣要求，選定的試板尺寸為1000mm×600mm×90mm。采用雙絲埋弧焊，選取平焊位置進行對接焊。綜合考慮鋼板厚度及自身設備的加工能力，采用X形坡口。由于風電樁在正式生產(chǎn)時是圓筒狀結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)部通風較差，因此為了改善勞動條件，坡口形式采用“內(nèi)小外大”的不對稱形式，將大部分焊接工作量放在外環(huán)縫。具體的坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式

2）對焊接接頭坡口及其兩側(cè)40mm內(nèi)的表面進行清理，主要包括油、鐵銹及水等雜質(zhì)。清理時可以采用角磨機打磨，清理后要完全露出金屬光澤。

（2）焊接方法及焊接參數(shù) 由于海洋風電樁基礎(chǔ)筒體由板材卷制而成，且最大直徑達9m，如此大型的結(jié)構(gòu)件無論是縱縫還是環(huán)縫，組對時難免會存在誤差而導致間隙不均勻，所以焊接時采用藥芯焊絲氣體保護焊和雙絲埋弧焊組合焊的焊接方式進行。藥芯焊絲氣體保護焊打底可采用直線焊接或者擺動焊接手法來彌補間隙不一致的組對偏差。雙絲埋弧焊進行正面和背面的填充蓋面，可以充分發(fā)揮雙絲埋弧焊高效率的特點。焊接時，先焊圓筒內(nèi)部焊縫，然后焊接外部較大坡口。焊接外側(cè)焊縫時，首先用碳弧氣刨清除焊縫根部間隙處的夾雜，角磨機打磨坡口內(nèi)部及兩側(cè)，直至完全露出金屬光澤，然后采用雙絲埋弧焊進行背面的填充和蓋面焊。

雙絲埋弧焊焊接時，為了前后兩根焊絲共熔池，應使前絲垂直、后絲傾斜15°左右，前后兩焊絲間距20mm左右，如圖2所示。為了減少焊接熱輸入，焊接時一般采用較大的焊接速度，避免焊縫中出現(xiàn)較大的晶粒。前電弧為直流，采用大焊接電流、低電弧電壓，充分發(fā)揮直流電弧的穿透力，以獲得大熔深；后電弧為交流，采用相對較小焊接電流、大電弧電壓，增加熔寬，從而形成美觀的焊縫成形。

圖2 焊絲角度及間距

主要的焊接參數(shù)包括預熱溫度、層間溫度、焊接電流、電弧電壓及焊接速度等。由于此次工藝研究的材料厚度較大，為了防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，因此焊前要求預熱。預熱溫度的確定與鋼材的淬硬傾向、拘束度以及焊接材料的擴散氫含量有關(guān)。鋼材的碳當量越大、氫含量越高、厚度越大，產(chǎn)生裂紋的概率也越大，要求預熱的溫度就越高[3]。結(jié)合母材的上述性質(zhì)，設定預熱溫度100～120℃。因為焊接過程的熱輸入會影響焊縫金屬的結(jié)晶，熱輸入大會使晶粒粗大，所以為避免晶粒粗大導致的焊縫金屬物理性能降低，焊接熱輸入控制在35kJ/cm以下，層間溫度不超過250℃。具體焊接參數(shù)見表5。

表5 EH36-Z25雙絲埋弧焊焊接參數(shù)

3 試驗結(jié)果

3.1 無損檢測

試樣焊縫焊接完畢24h后，進行目視檢查、磁粉檢測、超聲波檢測，結(jié)果符合NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求。

3.2 力學性能檢測

主要進行了拉伸、彎曲、沖擊試驗，檢測結(jié)果見表6。

表6 力學性能檢測結(jié)果

從表6可看出，檢測結(jié)果符合N B/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求。

4 結(jié)束語

試驗結(jié)果證明，EH36-Z25鋼用藥芯焊絲氣體保護焊打底，焊絲選用CHT-71Ni，雙絲埋弧焊選用錳含量較高的CHW-S14（H10Mn2）焊絲匹配焊劑CHF101填充蓋面的焊接方式，可以順利完成施焊。焊縫經(jīng)無損檢測、拉伸、彎曲及沖擊等試驗驗證，綜合力學性能均滿足要求，能得到質(zhì)量合格的焊縫。