新能源光伏支架耐候鋼焊接工藝技術

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等元素通過細晶強化、固溶強化等方式使其在金屬表面形成保護層，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，本支架結構件材料除水平支撐、柱間支撐、條間直拉條采用Q235B，其它均采用高強耐候鋼，其結構的風壓達到0.31 kN/m2，雪壓達到0.3 kN/m2，風振系數為1.0，風壓高度變化系數為1.0，風荷載體型系數為正風0.96，負風-1.21，山地修正系數為1.5，可變荷載分項系數為1.4，恒荷載分項系數為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的熱浸鍍鋅鋼支架，高強鋼輕量化率可以達到25%～34%左右，節約材料，可有效減少在支架生產加工過程中對環境的污染，加快制造流程，減少轉運次數，可有效推進工程建設進度，對減少碳排放和改善環境發揮了重要作用。“十四五”規劃提出,要深入實施可持續發展戰略,推動綠色低碳發展，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域中的應用空間將不斷擴大。

表1 新能源光伏支架零件表

1 焊接性分析

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

針對于不同合金影響下，比較科學的碳當量計算公式為日本JIS標注規定的CE公式：

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

一般采用冷裂紋敏感性指數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%。

碳當量＜0.4時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性能良好，不需要預熱；碳當量為0.4～0.6時，鋼材易于淬硬，容易產生冷裂紋，焊前要預熱才能防止冷裂紋；當Pcm≤0.20時，焊前不預熱或低預熱即可防止根部裂紋，鋼板的抗冷裂紋能力優異，焊接性良好。經比較，高強耐候鋼的碳當量較高，冷裂紋敏感性指數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）避免冷裂紋的產生；

（2）避免由于雜質偏析引起的熱裂問題。

2 缺陷及措施

2.1 冷裂紋

冷裂紋的產生主要由3個因素影響：焊接接頭含氫量；淬硬傾向；內應力。因此防止冷裂紋產生的措施如下：

（1）焊前準備：嚴格控制氫的來源，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，隨用隨取；保證清理坡口清潔度，去除坡口兩側水分、鐵銹、油污等雜物；焊前預熱，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，減小焊接內應力。

（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范的焊接操作：氣體保護焊能有效保護焊縫，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，保護效果優于單面焊雙面成形焊縫。

2.2 熱裂紋

熱裂紋的產生主要受S、P含量影響，其次內應力也對熱裂紋的參數有一定影響。因此防止熱裂紋產生的措施如下：

（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在焊縫結晶過程中，能改善結晶組織的形態，起到細化晶粒作用，來提高焊縫抗裂性能。

（2）合理安排焊接順序，減小焊接內應力。

（3）選擇合適的焊接參數：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，來降低熱裂紋的產生。

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

3 生產中的技術要求

（1）定位焊、打底焊、填充焊及蓋面焊時所使用的焊材應嚴格執行存儲、烘焙要求，現場使用需存放在保溫箱（桶）內，隨用隨取。

（2）嚴格控制弧坑裂紋的產生，必要時可加引弧板和熄弧板。

（3）嚴格控制環境條件：嚴格控制溫度、濕度、風速等環境條件，必要時需采取預熱、搭帳篷等措施。

（4）嚴格控制焊接工藝參數：控制焊接順序、焊接參數和焊接方法，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，嚴格執行焊前準備中的清潔度要求，包括可焊性預涂漆。

（6）遇到需修割或需碳弧氣刨清根時，嚴格要求坡（切）口質量，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行焊接，嚴格控制弧坑質量。

4 結束語

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備、焊接過程控制及焊后處理等方面采取相應措施。選用合適的工藝參數能極大保證焊接質量。本工藝有利于光伏支架輕型化的轉變，也能指導耐候鋼產品的制作。