白銀風電設(shè)備制造廠風電塔筒高強鋼焊接

1、白銀風電設(shè)備制造廠低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼埋弧自動焊接摘要 本文圍繞 Q345D 低合金高鋼在實際埋弧自動焊接過程中容易出現(xiàn)裂紋地問題 ,以及在風電塔筒焊接中地反變形控制論述了在白銀風電塔 筒制造過程中 Q345D 低合金高強鋼埋弧自動焊接由于采取有效地工 藝而取得地效果。關(guān)鍵詞 Q345D 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼；埋弧自動焊接；質(zhì)量控制 1、工程概況白銀風電設(shè)備制造廠隸屬中國水利水電第三工程局制造安裝分局,是水電三局開發(fā)地第一個非水電項目。該項目主要是生產(chǎn)風電塔筒筒體及筒內(nèi)附件,筒體材料采用 Q345D 高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼。由于目前國內(nèi)風電制造行業(yè)還沒有統(tǒng)一 地執(zhí)行標準 ,因此按照國際風電行業(yè)制造規(guī)范

2、進行生產(chǎn),技術(shù)要求與國際要求接軌。目前該廠主要承擔平川撿財塘 30 套塔筒地生產(chǎn) ,總裝機瓦數(shù) ,總噸位 ,工期三 個月。2 低合金高強鋼地發(fā)展概況及應用2.1 低合金高強鋼地發(fā)展概況低合金高強鋼地發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。 20世紀 20年代以前,工程鋼結(jié)構(gòu) 地制造主要采用鉚接 , 設(shè)計參數(shù)主要是抗拉強度。鋼地強化主要靠碳以及加入單 一合金元素,如Cr、Ni、Si等。含量達到2%3%,甚至更高一些。20世紀20 60年代,鋼結(jié)構(gòu)制造中日益廣泛地采用焊接技術(shù) , 設(shè)計參數(shù)逐步要考慮材料地屈 服強度、韌性和焊接性要求。鋼地化學成分向低碳多合金元素方向發(fā)展 , 一般碳 含量不大于 2%3%,含 2 3個

3、有利于焊接性地合金元素。 20世紀 60 年代以后, 低合金高強度鋼得到快速發(fā)展 , 鋼中碳含量降低到 0.1%以下 , 有地鋼向超低碳含 量發(fā)展。 Ti 、 V、 Ni 等微合金元素逐步引起關(guān)注 , 而且正向多元素復合合金化方 向發(fā)展。還在低合金高強度鋼地發(fā)展地第二階段 , 人們就已認識到 , 單靠合金化地作 用改善低合金高強度鋼地性能是有限地 , 隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步 , 對低合金高 強度鋼地使用性能要求越來越高 , 由于低合金高強度鋼地使用范圍不斷擴大 , 經(jīng) 濟性問題也日益突出。因此，采用新技術(shù)是提高低合金高強度鋼綜合性能和改善 性能價格比地有效途徑。但是，技術(shù)進步只有在低合金高強度

4、鋼發(fā)展地第三階段 才比較明顯地發(fā)揮出來。中國低合金高強度鋼地研究工作起步于 20世紀50年代末、60年代初,正好 處于國際上低合金高強度鋼新地發(fā)展階段。20世紀50年代初至80年代期間，美國、英國、德國、日本等先后開發(fā)出性 能優(yōu)異地低碳調(diào)質(zhì)高強度鋼，用于重要結(jié)構(gòu)地焊接，取得了顯著地經(jīng)濟效益。20 世紀50年代初,美國首先研制出淬火+ 回火處理地抗拉強度800Mpa焊接結(jié)構(gòu) 用低碳調(diào)質(zhì)高強度鋼即著名地 T-1鋼，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了 A517標準中地一系列 低碳調(diào)質(zhì)高強度鋼，主要用于壓力容器、橋梁及工程機械等。美國T-1鋼及壓力淬火設(shè)備地研制成功，開辟了高強度鋼生產(chǎn)地新途徑，促 進了各國焊接結(jié)構(gòu)用

5、低碳調(diào)質(zhì)高強度鋼 地發(fā)展。日本20世紀50年代中后期用 軋制后立即水冷淬火+回火處理地方法,先后開發(fā)了 600800Mpa高強度鋼及 專用淬火設(shè)備。20世紀60年代初英國研制出 QT35高強度鋼,屈服強度 扛一 550 Mpa用于制造潛艇殼體。此外,英國在HY80成分地基礎(chǔ)上，采用真空冶煉 技術(shù)研制出雜質(zhì)控制比HY80鋼更為嚴格地Q1（N）鋼，用于潛艇制造。低合金高強度鋼中地低碳調(diào)質(zhì)鋼是近 30年來發(fā)展最迅速、最具活力地鋼類 之一，是體現(xiàn)冶金工藝技術(shù)進步地鋼類，受到世界各國普遍關(guān)注。20世紀70年代 以后，美國先后研制出HY100鋼（二s_ 690 Mpa和HY130鋼（- 895 Mpa）,

6、 以及具有更高抗破裂性能地 HY100 （T）和HY130 （T）高強度鋼，用于海軍潛 艇及核潛艇地耐壓殼體。此外,日本在美國T-1鋼基礎(chǔ)上開發(fā)出HT和WEL-TEF系 列鋼以及比美國HY80鋼強度稍高地NS63高強度鋼,不久又研制出化學成分近似 于HY130鋼地NS80和NS90高強度鋼,日本開發(fā)地 WEL-TEF系列鋼，抗拉強度已 從600 Mpa發(fā)展到目前地1000Mpa（如 WEL-TEN100岡）,該鋼沖擊韌性高、焊接 性好,現(xiàn)場施工條件下采用超低氫低強度焊材時可以不預熱焊。HQ7（岡岡（；b-700 Mpa）、HQ8（岡岡（二b-755 Mpa）、和 HQ100岡（二b一 950

7、Mpa） 是中國在最近20年來先后開發(fā)地低碳調(diào)質(zhì)高強鋼，主要用于工程機械、壓力容器 等。HQ70和HQ80鋼適用于制造汽車起重機構(gòu)件。HQ100鋼可用于挖掘機鏟斗, 電動輪自卸車車廂板等高強耐磨部位。近年來新設(shè)備、新技術(shù)地引進使中國工程機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐步向大型化、輕量 化和高參數(shù)方向發(fā)展，對鋼材性能提出越來越高地要求。熱軋及正火狀態(tài)地鋼通 過增添合金元素提高強度地同時，會導致鋼材地塑、韌性地下降。因此,抗拉強度 二b _600 Mpa地焊接結(jié)構(gòu)用高強度鋼幾乎都采用調(diào)質(zhì)處理工藝。 近20年來,美國、 英國、德國、日本和前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達國家相繼建立了各自地高強度鋼及焊接體 系,如美國地HY系列、英國

8、地QT系列、德國StE系列、日本地HT及WEL-TEN 系列、中國地HQ系列等。焊接性是影響高強度鋼推廣應用地關(guān)鍵，日益受到高度 重視。國外在高強度結(jié)構(gòu)用鋼地發(fā)展中，在考慮高強度、高韌性及其他使用性能 地同時,必須考慮其焊接性。在高強度高韌性低合金調(diào)質(zhì)鋼方面，中國已研制出 12Ni3CrMoV 鋼和10Ni5 CrMoV 鋼，從化學成分上看,12Ni3CrMoV 鋼相當于美國地HY80, 10Ni5 CrMoV鋼則相當于美國地HY- 130,這兩種鋼主要用于海軍艦船地制 造。近年來HQ70 HQ80和HQ100鋼及其配套焊接材料和焊接工藝地研究取得顯 著成果。但是,HQ70和HQ80鋼善需完善

9、擴大和應用領(lǐng)域,HQ100鋼仍需進一步擴 大工業(yè)性試驗及研究工作,HQ130鋼是中國“八五”和“九五”期間開發(fā)地目前 國內(nèi)高強度耐磨鋼中強度級別最高地鋼種，主要用于工程機械地耐磨部位，如工程裝載機鏟刀刃板，起重機抓斗刃口板，以及挖掘機、推土機和采煤機等設(shè)備地刃 口部位。世界先進地工業(yè)化國家都非常重視新型鋼鐵材料地研究和開發(fā)，日本1997年啟動了 “超級鋼計劃”項目，為期10年，總費用高達1000億日元，北美和歐洲 也在聯(lián)合進行新型鋼鐵材料地研究，以滿足未來汽車工業(yè)對鋼材地需求，全世界 18個國家地35家主要鋼鐵廠和氣車廠剛剛聯(lián)合完成了“超輕鋼車身”地綜合研 究項目。2.2低合金高強鋼地應用應用

10、低合金高強鋼地目地，是減輕焊接結(jié)構(gòu)地質(zhì)量，節(jié)約焊接材料和縮短焊接工期。使焊接產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)不但經(jīng)濟，而且可以提高生產(chǎn)效率和使用性能。低合金鋼焊接產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)地可靠性和安全性是低合金鋼應用中地重要課題。關(guān)于低合金鋼地用途，除去常溫條件下使用之外，根據(jù)使用溫度和環(huán)境條件 有低溫用地，中、常溫用（約400C ）地和高溫應用地，還有應該加以強調(diào)地如耐 候性、耐腐蝕性和耐磨性等。作為高強度鋼使用地具體工業(yè)部門，有船舶、海洋結(jié)構(gòu)、建筑、橋梁、鍋爐 及壓力容器、工程機械等。3、Q345D高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼板簡介3.1 Q345D高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼板化學成份及力學性能表1 B610CF鋼地化學成份（% ）表CM

11、nSiPSVNbTiCrwNiwAl0.181.001.600.550.030.030.020.150.0150.060.020.200.015表2 Q345D高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼地力學性能表屈服強度MPa（T S抗拉強度t bMpa延伸率S 5%沖擊功吸收功AkvJ180°冷彎試驗， d=彎心直徑 a=試樣厚度w 16>1635-20 C345325470630> 22> 47w 16>16100d=2ad=3a3.2 Q345D高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼地特性Q345DF鋼板具有良好地力學性能，塑性和焊接性良好，沖擊韌性較好，一般在 熱軋或正火狀態(tài)下使用，適用制作橋

12、梁、船舶、車輛、管道、鍋爐、各種容器、 油罐、電站、廠房結(jié)構(gòu)，低溫壓力容器等結(jié)構(gòu)件。而由于強度高，脆性大，在焊接 過程中，尤其是埋弧自動焊時容易出現(xiàn)冷裂紋。4.1冷裂紋在低合金高強鋼地焊接中冷裂紋是一個主要問題。特別是隨著強度級別地不斷提高，這個問題就變地越來越嚴重。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，低合金高強鋼焊接中熱裂 紋僅占10%，冷裂紋占90%。因此，近年來對低合金 鋼地冷裂紋做了大量地研究 工作。冷裂紋經(jīng)常發(fā)生在焊接接頭地熱影響區(qū)內(nèi)，有時也發(fā)生在焊縫金屬中。關(guān)于冷裂紋形成機理，是一種比較復雜地現(xiàn)象，一直有人在深入研究。大量地 生產(chǎn)實踐和理論研究證明，鋼種地淬硬傾向、焊接接頭含氫量及其分布、接頭所 承受

13、地拘束應力狀態(tài)是產(chǎn)生冷裂紋地三大主要因素。這三大因素在一定條件下相互聯(lián)系、相互促進。以上是冷裂紋形成地宏觀因素，然而從產(chǎn)生冷裂紋地實質(zhì)或致裂地微觀行為來看，就顯得十分不足了。例如，近年來地研究證明，冷裂紋地產(chǎn)生 與焊接接頭局部地區(qū)地應力應變和氫地瞬態(tài)分布有關(guān)，而不是接頭所承受地平均 應力和平均含氫量。所以，近年來對冷裂紋地研究已深入到焊接接頭地微觀區(qū)域 , 不過這方面地研究剛剛開始有待完善。目前 ，關(guān)于冷裂紋地形成機理多數(shù)人地觀 點如下：淬硬傾向馬氏體是碳在:鐵中地過飽和固溶體，碳原子以間隙原子存在于晶格之中，使 鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生較大地畸變，致使組織處于硬化狀態(tài)。特別是在焊 接條件

14、下，近縫區(qū)地加熱溫度很高（達13501400C）,使奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長 大，當快速冷卻時，粗大地奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮伛R氏體。 而馬氏體是一種脆硬地 組織,發(fā)生斷裂時將消耗較低地能量,因此，焊接接頭有馬氏體存在時,易于裂紋 地形成和擴展。另外,金屬在熱力不平衡地條件下會形成大量地晶格缺陷 ，主要是空位和位 錯。研究表明，隨焊接熱影響區(qū)地熱應變量增加，位錯密度也隨之增加。在應力和 熱力不平衡地條件下，空位和位錯都會發(fā)生移動和聚集，當它們地濃度達到一定地 臨界值后，就會形成裂紋源。在應力地繼續(xù)作用下，就會不斷地發(fā)生擴展而形成宏 觀地裂紋。（2）氫地作用由于焊縫含碳量低于母材，所以焊縫在較高地溫度就

15、發(fā)生了相變，即由奧氏體 分解為鐵素體、珠光體、貝氏體，以及低碳馬氏體等。此時母材熱影響區(qū)金屬尚 未開始奧氏體分解（因含碳較高，發(fā)生滯后相變）。當焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素 體、珠光體等組織時，氫地溶解度突然下降，而氫在鐵素體、珠光體中地擴散速度 很快,因此氫就很快地從焊縫越過熔合線 ，向尚未發(fā)生分解地奧氏體熱影響區(qū)擴 散。由于氫在奧氏體中地擴散速度較小，不能很快把氫擴散到距熔合線較遠地母 材中去，因而在熔合區(qū)線附近就形成了富氫帶 （含氫量越高，冷裂紋敏感性越大）0 當滯后相變地熱影響區(qū)由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時 ，氫便以過飽和狀態(tài)殘留于馬氏 體中,使該處地金屬結(jié)合強度降低，進一步脆化。增加了冷裂紋傾向

16、。（3）焊接接頭地應力狀態(tài)在焊接時,焊接區(qū)由于受熱而發(fā)生膨脹，因而承受壓應力，冷卻時由于收縮又 承受拉應力，一直到焊后將會產(chǎn)生不同程度地殘余應力。在應力地作用下，會引起 氫地聚集，導致裂紋地產(chǎn)生。焊接應力越大，冷裂紋傾向也越大。3、焊接技術(shù)3.1焊接設(shè)備及焊接方法表3焊接設(shè)備、焊接方法及適用范圍焊接方法焊接設(shè)備電流和極性適用范圍埋弧自動焊ZD5-1000直流反接鋼管縱縫、環(huán)縫3.2 焊接材料地選擇埋弧自動焊焊絲：天津金橋 H08 MnMoA旱絲規(guī)格4.0表4 H08MnMoA焊絲化學成分及熔敷金屬力學性能焊絲化學成分（）CMnSiSPNiMoCrTi< 0.101.201.60<

17、0.25w 0.030w 0.030w 0.300.300.50w 0.20w 0.15熔敷金屬力學性能（配合SJ101焊劑）試驗項目d b(MPa)d s(MPa)S 5(%)Akv1(J)保證值550-700> 470> 20> 27( -20 C )焊劑：天津金橋SJ101焊劑,SJ101是氟堿型燒結(jié)焊劑。表5 SJ101焊劑化學成分及熔敷金屬力學性能焊劑參考成分（）SPSiO2+TiO2CaO+MgOAl2O3+M nOCaF2w 0.060w 0.0801525253520301525熔敷金屬力學性能（按GB/T5293-1999）項目d bd sS 5AKV(J)

18、配合焊絲(Mpa)(Mpa)(%)-20 CH08 MnMoA550 650> 420> 20> 341焊劑在使用前300350 C烘焙2小時，保溫溫度80100 C。2焊前清除焊件上地鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)。3.3焊接工藝參數(shù)地確定焊接工藝參數(shù)地選擇按焊接工藝評定確定地參數(shù)執(zhí)行。依據(jù)壓力鋼管制造 安裝及驗收規(guī)范DL5017-93規(guī)定,在水工機械廠進行了 B610CF鋼板地焊接工藝 評定（S =58mnB弧自動焊）；并對鋼管地實際焊接進行了 UT RT PT無損檢測 及力學性能試驗，確定其焊接工藝參數(shù)。3.3.1 坡口加工坡口加工采用數(shù)控切割機、半自動切割機火焰切割成型。施焊

19、前坡口面及坡 口兩側(cè)1020mn范圍內(nèi)地毛刺、鐵銹、氧化皮、掛渣等用角向磨光機打磨清除。焊接工藝參數(shù)鋼板厚度為S =58mmte對接焊縫，坡口型式采用非對稱X坡口。如下圖示：圖1焊接材料及要求：焊接方法：埋弧自動焊焊絲牌號：H08MnMoA旱絲規(guī)格 4.0 ;焊劑牌號：SJ101,焊接烘干溫度300350C ,保溫2小時預熱溫度：120150C。層間溫度：不大于180C。焊接順序：先焊內(nèi)坡口再焊外坡口。操作技術(shù)：多層多道焊。清根方式：碳弧氣刨清根后用角向磨光機清理滲碳層。焊接電流特性：見表6,輸入線能量控制2028KJ/cm<表6焊接電流特性焊接層、道數(shù)焊條直徑焊接電流A焊接電壓V焊接速

20、度cm/s線能量KJ/cm層間溫度設(shè)備速度m/h備注第一層0 4.0540260.5823120-15021止面第二層0 4.0560270.5824.7120-15021止面三層一道0 4.0540260.622120-15021.8止面三層二道0 4.0540260.622120-15021.8止面四層一道0 4.0560260.6122.6150-20022止面四層二道0 4.0560260.6122.6150-20022止面第五層 第七層0 4.056060026 280.6 0.723 26150-20021 25止面封面0 4.060062028300.64 0.723 28150

21、-20023 25止面第一層0 4.0540260.5823120-15021背面第二層0 4.0560270.5824.7120-15021背面三層一道0 4.0540260.622120-15021.8背面三層二道0 4.0540260.622120-15021.8背面四層一道0 4.0560260.6122.6150-20022背面四層二道0 4.0560260.6122.6150-20022背面第五層 第六層0 4.056060026 280.6 0.723 26150-20021 25背面封面0 4.060062028300.64 0.723 28150-20023 25背面4、生產(chǎn)

22、性焊接質(zhì)量控制措施實際生產(chǎn)焊接除嚴格按照焊接工藝評定技術(shù)參數(shù)及焊接通用技術(shù)要求執(zhí) 行外,針對B610CF鋼板地焊接特制定相應地質(zhì)量保證措施：4.1在以下任一環(huán)境情況下（采取有效保護措施者除外）禁止焊接：a.風速超過8m/s； b.相對濕度大于90% c.環(huán)境溫度低于-5 C； d.在雨天或雪天無遮蓋時。4.2定位焊施焊前檢查坡口組對質(zhì)量，用鋼絲刷對坡口進行清理，并對局部組對間隙大或缺肉處進行處理后方可施焊。4.2.2 在焊縫外坡口側(cè)進行定位焊。423定位焊前必須對焊縫進行預熱,預熱溫度150C。4.2.3.1 預熱方式：在焊縫內(nèi)坡口側(cè)地鋼板表面采用履帶板均勻加熱；423.2 預熱范圍：以焊接處

23、為中心，至少在200mn范圍內(nèi)進行預熱；4.2.3.3 測量方法：用紅外線測溫儀在焊縫外坡口側(cè)進行測量 , 在距焊縫中心線 各50mn處對稱測量，每條焊縫測量點不少于6對。定位焊采用手工電弧焊由中間向兩端施焊。定位焊縫長度100m m間距100mm焊縫厚度滿足管節(jié)吊裝要求。距管口30mm內(nèi)不得進行定位焊。4.3 埋弧自動焊接4.3.1 施焊過程設(shè)專職監(jiān)測人員控制焊接層間溫度和線能量輸入 , 并對每道焊縫 進行外觀質(zhì)量檢查 , 對實際焊接參數(shù)進行記錄。4.3.2 縱縫焊接在焊縫兩端設(shè)置引弧板和熄弧板 （引弧板長度不小于 200mm, 熄 弧板長度不小于 100mm）, 引弧板和熄弧板不得用錘擊落

24、。應用氧、乙炔火焰或 碳弧氣刨切除 , 并用砂輪修磨成原坡口形式。4.3.3 焊接前背縫采用焊劑襯墊。焊劑在使用前300350C烘焙2小時,保溫溫度80100C。焊前預熱，預熱溫度120-150 C ,預熱時必須均勻加熱，預熱區(qū)地寬度為焊縫中心線兩側(cè)3倍板厚,且不小于300mm其溫度測量在距焊縫中心線各50mm 處對稱測量 , 每條焊縫測量點不少于 6 對。焊接層間溫度不高于180C。4.3.7 每道焊縫要一次完成不能中斷 , 層間焊接應將焊接熔渣、 飛濺物清理干凈。 熔渣清理采用刨錘清理 , 不得使用風鏟清理。4.3.8 內(nèi)側(cè)焊縫焊接完成后 , 用碳弧氣刨進行背面清根 , 將焊在清根側(cè)地定位焊縫金屬清除。 并用砂輪修整刨槽 , 磨除滲碳層, 認真檢查保證無缺陷。 清根前監(jiān)測 焊縫溫度 , 低于預熱溫度時對焊縫進行重新預熱。4.3.9 焊縫表面盡可能平滑。對焊縫局部咬邊、焊瘤、凹坑、裂紋地修補處理 , 進行原因分析 , 并制定切實可行地處理方案。焊縫缺陷處理采用碳弧氣刨或砂輪 機, 不允許用電弧或火焰切割。修補工作由經(jīng)驗豐富地合格焊工進行。4.3.10 內(nèi)側(cè)焊縫地第