風(fēng)電塔筒厚鋼板焊接工藝參數(shù)分析

張淑枝,解金波,王 健

（中國(guó)水利水電第十三工程局有限公司機(jī)電安裝分公司,山東 德州253034）

隨著風(fēng)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，兆瓦級(jí)機(jī)組設(shè)計(jì)越來越大，從1.5MW逐步發(fā)展到3.0MW，目前5.0MW的機(jī)組設(shè)計(jì)也在試驗(yàn)中。設(shè)計(jì)應(yīng)用比較成熟的多為1.5MW和2.0MW級(jí)地機(jī)組。隨著機(jī)組級(jí)別的加大，塔筒鋼板厚度的設(shè)計(jì)也在增大，尤其是在塔筒基礎(chǔ)環(huán)和筒體下段部位，鋼板厚度多為30mm至40mm之間，材質(zhì)一般根據(jù)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境不同選擇分別選擇Q345C、Q345D和Q345E。

由于厚板焊接金屬填充量較大，在施工條件允許的情況下應(yīng)盡量選擇效率比較高的焊接方法。風(fēng)電塔筒筒體主要焊接工作一般為縱向焊縫和環(huán)向焊縫，埋弧自動(dòng)焊具有焊接效率高、焊接質(zhì)量好以及勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)，從而很好地滿足生產(chǎn)要求。但由于受到焊接環(huán)境、焊接材料和操作等因素的影響，埋弧焊也容易出現(xiàn)一些常見的缺陷，如氣孔、未融合、未焊透和裂紋等，所以在焊接生產(chǎn)中要合理選擇焊接材料，規(guī)范焊接操作，以避免焊接缺陷的產(chǎn)生。現(xiàn)以許昌許繼風(fēng)電科技有限公司設(shè)計(jì)的河南省陜縣雷振山風(fēng)電場(chǎng)2.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)筒體焊接為例，對(duì)埋弧焊焊接工藝參數(shù)進(jìn)行分析。

1 焊接材料分析

1.1 鋼板材料：Q345D；鋼板厚度：25mm～38mm。

1.2 鋼板材質(zhì)分析見表1：

表1 鋼板化學(xué)成分

1.3 焊接填充材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)見表2：

表2 埋弧焊常用焊絲

1.4 焊劑材料的選擇見表3

表3 常用燒結(jié)焊劑

1.5 焊接材料的匹配要求

焊接材料的要求一般是等強(qiáng)原則，在施工中選擇焊縫金屬?gòu)?qiáng)度要略高于母材，所以選擇焊絲時(shí)要首先考慮其填充而成的焊縫強(qiáng)度要與母材相匹配，且在焊接過程中由于焊劑成分和焊道雜質(zhì)高溫分解等原因會(huì)產(chǎn)生氧等元素，可以將Fe和其他有益元素氧化，并漂浮到熔渣中去，甚至?xí)苯右詩A雜形式存在于焊縫中，嚴(yán)重危害焊縫質(zhì)量，所以應(yīng)盡量將這部分氧元素清除。

1.6 脫氧元素分析

元素Si是焊絲中最常用的脫氧元素之一，可以防止鐵與氧化合，并可以在熔池中還原FeO，但是單獨(dú)使用Si脫氧時(shí)生成的SiO2熔點(diǎn)太高，且顆粒較小，很難從容熔池中浮出，容易產(chǎn)生夾渣等缺陷。

元素Mn也是焊絲中最常用的脫氧元素，其脫氧能力比Si稍差一些，生成的MnO由于密度較大同樣難以從熔池中浮出，但是MnO和SiO2可以復(fù)合成硅酸鹽MnO.SiO2，熔點(diǎn)低且密度小，可以從熔池中凝聚成大塊的熔渣而浮出。

元素Mn還是重要的合金元素，對(duì)焊縫金屬的韌性有很大的影響，當(dāng)Mn含量=0.6～1.8%時(shí)焊縫金屬具有較高的韌性和強(qiáng)度。

1.7 綜合

以上考慮，應(yīng)選擇高錳焊絲和氟堿性焊劑相配合，在保證除氧效果和焊縫力學(xué)性能的同時(shí)還要避免焊縫夾渣等缺陷。基于以上原因，Q345D材料焊接時(shí)選擇H10Mn2焊絲和SJ101焊劑配合使用，焊劑中的錳硅比為1:1，可以生成易于浮出的MnO.SiO2的同時(shí)并不影響焊縫中Mn的含量，最大限度的保證焊縫質(zhì)量。

2 坡口形式選擇

坡口形式直接關(guān)系到焊接質(zhì)量的好壞，同時(shí)對(duì)焊接變形也有較大影響。厚鋼板焊接時(shí)必須要加工坡口，根據(jù)焊接條件選擇合適的坡口形式，如X型、V型、Y型等，坡口角度結(jié)合焊接方法和預(yù)變形量綜合考慮。基于對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和焊接質(zhì)量等因素的考慮，壓力鋼管厚鋼板埋弧焊焊接時(shí)采用Y型坡口，鈍邊6-8mm,對(duì)接坡口角度為55-60°，背面清根方式，焊接時(shí)內(nèi)外焊縫交替焊接。

由于壓力鋼管為內(nèi)部過水，一般制造時(shí)內(nèi)部要求平滑，同時(shí)板厚變化要求過渡平緩，過渡要求為1:4。

3 焊前預(yù)熱

依據(jù)日本JIS和WES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)碳當(dāng)量超過0.49%時(shí)鋼的淬硬性較大，或板厚超過一定厚度，環(huán)境溫度低于某一溫度時(shí)，焊前應(yīng)進(jìn)行必要的預(yù)熱，根據(jù)其碳當(dāng)量公式計(jì)算材質(zhì)碳當(dāng)量為：

Ceq（JIS）=0.18%+1.7%/6+0.50%/24+0.15%/14=0.495%

由于碳當(dāng)量超過0.49%，所以依據(jù)JIS標(biāo)準(zhǔn)焊前必須進(jìn)行有條件預(yù)熱，具體預(yù)熱標(biāo)準(zhǔn)見表4

表4 焊前預(yù)熱溫度簡(jiǎn)表

此預(yù)熱標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有很大的指導(dǎo)意義。

預(yù)熱溫度的測(cè)量采用紅外線測(cè)溫儀，以距離焊縫中心約50mm處測(cè)量為宜，測(cè)量部位不能修磨，盡量避免影響測(cè)量溫度的精度。

4 焊接工藝參數(shù)

厚鋼板焊接工藝參數(shù)的選擇應(yīng)首先遵循保證焊接質(zhì)量，達(dá)到相應(yīng)的焊縫類別，并保證采用RT或UT探傷合格。在此前提下選擇合適的焊接工藝參數(shù)，并最大限度的提高生產(chǎn)效率的原則。同時(shí)考慮不應(yīng)用過大的工藝參數(shù)，否則會(huì)增加熱輸入，增加了鋼板的熱膨脹和冷收縮幅度，產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)還有可能造成焊縫中有益元素的燒損，形成組織晶粒粗大，危及焊縫力學(xué)性能。內(nèi)部焊縫首批焊接時(shí)，焊接電流過大還容易造成燒穿，電壓過大則可能造成藥皮脫落困難，增加焊接缺陷出現(xiàn)的概率，因此應(yīng)嚴(yán)格焊接工藝參數(shù)。具體工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

5 焊接過程注意事項(xiàng)

（1）焊前需將坡口、焊道周圍油污、水分、氧化鐵等雜質(zhì)清理干凈，點(diǎn)焊部位用角磨機(jī)修磨，以防止焊接時(shí)出現(xiàn)未熔合、夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。

（2）背面碳弧氣刨清根時(shí)，應(yīng)清到可見內(nèi)部焊接填充金屬，清根完成后，用角磨機(jī)磨光，清除氣刨滲碳層。

（3）每層焊完后應(yīng)認(rèn)真清除熔渣，如發(fā)現(xiàn)表面存在缺陷應(yīng)用砂輪清除后進(jìn)行補(bǔ)焊，并修磨平整，再繼續(xù)施焊。

6 焊接檢驗(yàn)

6.1 超聲波（UT）探傷檢驗(yàn)

按風(fēng)電塔筒制作技術(shù)要求，筒體縱縫、環(huán)縫均為一類焊縫。所有縱縫、環(huán)縫采用UT進(jìn)行了100%探傷檢驗(yàn)合格。

6.2 射線檢驗(yàn)（RT）

按風(fēng)電塔筒制作技術(shù)要求，筒體縱縫與環(huán)縫相交處地丁字接頭要求100%RT探傷檢驗(yàn)，按一類焊縫檢驗(yàn)合格。

7 總結(jié)

通過對(duì)河南省陜縣雷振山風(fēng)電場(chǎng)2.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)筒體厚鋼板焊接工藝研究，確定了合理的焊接工藝參數(shù)，并在施工過程中進(jìn)行了嚴(yán)格控制，該項(xiàng)目Q345D厚鋼板共約2300噸，近5200m焊縫，UT一次探傷合格率達(dá)98%，RT一次探傷檢驗(yàn)合格率達(dá)99%，外觀檢驗(yàn)合格，達(dá)到規(guī)范要求，保證了整體工程質(zhì)量。

實(shí)踐證明厚鋼板焊接時(shí)，只要正確選擇焊接工藝參數(shù)，注重焊接環(huán)境溫度，做好焊接準(zhǔn)備工作以及規(guī)范操作，均可達(dá)到理想效果。此工藝已成功應(yīng)用于金風(fēng)科技股份有限公司設(shè)計(jì)的山西平魯風(fēng)電場(chǎng)、內(nèi)蒙古洪格爾風(fēng)電場(chǎng)等項(xiàng)目1.5MW級(jí)的筒體焊接。

[1]《塔筒（含基礎(chǔ)環(huán)制造技術(shù)規(guī)范》[Z].CN2000/93/80/50/N/L-2010（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司）.

[2]金風(fēng)MW塔架技術(shù)條件[Z].Q/GW2CG.60.2-2010.

[3]埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑[Z].GB/T 5293-1999.

[4]承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第二部分 射線檢測(cè)[Z].JB/T 4730.2-2005.

[5]承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第三部分 超聲檢測(cè)[Z].JB/T 4730.3-2005.