白银风电设备制造厂风电塔筒高强钢焊接.docx
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白银风电设备制造厂风电塔筒高强钢焊接
白银风电设备制造厂
低合金高强度结构钢埋弧自动焊接
[摘要]本文围绕Q345D低合金高钢在实际埋弧自动焊接过程中容易出现裂纹的问题，以及在风电塔筒焊接中的反变形控制论述了在白银风电塔筒制造过程中Q345D低合金高强钢埋弧自动焊接由于采取有效的工艺而取得的效果。
[关键词]Q345D低合金高强度结构钢；埋弧自动焊接；质量控制
1、工程概况
白银风电设备制造厂隶属中国水利水电第三工程局制造安装分局，是水电三局开发的第一个非水电项目。
该项目主要是生产风电塔筒筒体及筒内附件，筒体材料采用Q345D高强度低合金结构钢。
由于目前国内风电制造行业还没有统一的执行标准，因此按照国际风电行业制造规范进行生产，技术要求与国际要求接轨。
目前该厂主要承担平川捡财塘30套塔筒的生产，总装机瓦数，总吨位，工期三个月。
2低合金高强钢的发展概况及应用
2.1低合金高强钢的发展概况
低合金高强钢的发展经历了三个阶段。
20世纪20年代以前，工程钢结构的制造主要采用铆接，设计参数主要是抗拉强度。
钢的强化主要靠碳以及加入单一合金元素，如Cr、Ni、Si等。
含量达到2%～3%，甚至更高一些。
20世纪20～60年代，钢结构制造中日益广泛的采用焊接技术，设计参数逐步要考虑材料的屈服强度、韧性和焊接性要求。
钢的化学成分向低碳多合金元素方向发展，一般碳含量不大于2%～3%，含2～3个有利于焊接性的合金元素。
20世纪60年代以后，低合金高强度钢得到快速发展，钢中碳含量降低到0.1%以下，有的钢向超低碳含量发展。
Ti、V、Ni等微合金元素逐步引起关注，而且正向多元素复合合金化方向发展。
还在低合金高强度钢的发展的第二阶段，人们就已认识到，单靠合金化的作用改善低合金高强度钢的性能是有限的，随着社会发展和技术进步，对低合金高强度钢的使用性能要求越来越高，由于低合金高强度钢的使用范围不断扩大，经济性问题也日益突出。
因此，采用新技术是提高低合金高强度钢综合性能和改善性能价格比的有效途径。
但是，技术进步只有在低合金高强度钢发展的第三阶段才比较明显的发挥出来。
中国低合金高强度钢的研究工作起步于20世纪50年代末、60年代初，正好处于国际上低合金高强度钢新的发展阶段。
20世纪50年代初至80年代期间，美国、英国、德国、日本等先后开发出性能优异的低碳调质高强度钢，用于重要结构的焊接，取得了显著的经济效益。
20世纪50年代初，美国首先研制出淬火+回火处理的抗拉强度800Mpa焊接结构用低碳调质高强度钢即著名的T-1钢，并在此基础上开发了A517标准中的一系列低碳调质高强度钢，主要用于压力容器、桥梁及工程机械等。
美国T-1钢及压力淬火设备的研制成功，开辟了高强度钢生产的新途径，促进了各国焊接结构用低碳调质高强度钢的发展。
日本20世纪50年代中后期用轧制后立即水冷淬火+回火处理的方法，先后开发了600～800Mpa高强度钢及专用淬火设备。
20世纪60年代初英国研制出QT35高强度钢，屈服强度s
Mpa，用于制造潜艇壳体。
此外，英国在HY80成分的基础上，采用真空冶炼技术研制出杂质控制比HY80钢更为严格的Q1（N）钢，用于潜艇制造。
低合金高强度钢中的低碳调质钢是近30年来发展最迅速、最具活力的钢类之一，是体现冶金工艺技术进步的钢类，受到世界各国普遍关注。
20世纪70年代以后，美国先后研制出HY100钢（s
Mpa）和HY130钢（s
Mpa），以及具有更高抗破裂性能的HY100（T）和HY130（T）高强度钢，用于海军潜艇及核潜艇的耐压壳体。
此外，日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN系列钢以及比美国HY80钢强度稍高的NS63高强度钢，不久又研制出化学成分近似于HY130钢的NS80和NS90高强度钢，日本开发的WEL-TEN系列钢，抗拉强度已从600Mpa发展到目前的1000Mpa（如WEL-TEN100钢），该钢冲击韧性高、焊接性好，现场施工条件下采用超低氢低强度焊材时可以不预热焊。
HQ70钢（b
Mpa）、HQ80钢（b
Mpa）、和HQ100钢（b
Mpa）是中国在最近20年来先后开发的低碳调质高强钢，主要用于工程机械、压力容器等。
HQ70和HQ80钢适用于制造汽车起重机构件。
HQ100钢可用于挖掘机铲斗，电动轮自卸车车厢板等高强耐磨部位。
近年来新设备、新技术的引进使中国工程机械产品结构逐步向大型化、轻量化和高参数方向发展，对钢材性能提出越来越高的要求。
热轧及正火状态的钢通过增添合金元素提高强度的同时，会导致钢材的塑、韧性的下降。
因此，抗拉强度b
Mpa的焊接结构用高强度钢几乎都采用调质处理工艺。
近20年来，美国、英国、德国、日本和前苏联等工业发达国家相继建立了各自的高强度钢及焊接体系，如美国的HY系列、英国的QT系列、德国StE系列、日本的HT及WEL-TEN系列、中国的HQ系列等。
焊接性是影响高强度钢推广应用的关键，日益受到高度重视。
国外在高强度结构用钢的发展中，在考虑高强度、高韧性及其他使用性能的同时，必须考虑其焊接性。
在高强度高韧性低合金调质钢方面，中国已研制出12Ni3CrMoV钢和10Ni5CrMoV钢，从化学成分上看，12Ni3CrMoV钢相当于美国的HY－80，10Ni5CrMoV钢则相当于美国的HY－130，这两种钢主要用于海军舰船的制造。
近年来HQ70、HQ80和HQ100钢及其配套焊接材料和焊接工艺的研究取得显著成果。
但是，HQ70和HQ80钢善需完善扩大和应用领域，HQ100钢仍需进一步扩大工业性试验及研究工作，HQ130钢是中国“八五”和“九五”期间开发的目前国内高强度耐磨钢中强度级别最高的钢种，主要用于工程机械的耐磨部位，如工程装载机铲刀刃板，起重机抓斗刃口板，以及挖掘机、推土机和采煤机等设备的刃口部位。
世界先进的工业化国家都非常重视新型钢铁材料的研究和开发，日本1997年启动了“超级钢计划”项目，为期10年，总费用高达1000亿日元，北美和欧洲也在联合进行新型钢铁材料的研究，以满足未来汽车工业对钢材的需求，全世界18个国家的35家主要钢铁厂和气车厂刚刚联合完成了“超轻钢车身”的综合研究项目。
2.2低合金高强钢的应用
应用低合金高强钢的目的，是减轻焊接结构的质量，节约焊接材料和缩短焊接工期。
使焊接产品和结构不但经济，而且可以提高生产效率和使用性能。
低合金钢焊接产品和结构的可靠性和安全性是低合金钢应用中的重要课题。
关于低合金钢的用途，除去常温条件下使用之外，根据使用温度和环境条件，有低温用的，中、常温用（约400℃）的和高温应用的，还有应该加以强调的如耐候性、耐腐蚀性和耐磨性等。
作为高强度钢使用的具体工业部门，有船舶、海洋结构、建筑、桥梁、锅炉及压力容器、工程机械等。
[1]
3、Q345D高强度低合金结构钢钢板简介
3.1Q345D高强度低合金结构钢钢板化学成份及力学性能
表1B610CF钢的化学成份（%）表
C
≤
Mn
Si
≤
P
≤
S
≤
V
Nb
Ti
Cr
≤
Ni
≤
Al
≥
0.18
1.00~1.60
0.55
0.03
0.03
0.02~0.15
0.015~
0.06
0.02~0.20
——
——
0.015
表2Q345D高强度低合金结构钢的力学性能表
屈服强度MPa
σs
抗拉强度σb
Mpa
延伸率δ5
%
冲击功吸收功Akv
J
180°
冷弯试验，
d=弯心直径
a=试样厚度
≤16
＞16~35
-20℃
345
325
470~630
≥22
≥47
≤16
＞16~100
d=2a
d=3a
3.2Q345D高强度低合金结构钢的特性
Q345DF钢板具有良好的力学性能，塑性和焊接性良好，冲击韧性较好，一般在热轧或正火状态下使用，适用制作桥梁、船舶、车辆、管道、锅炉、各种容器、油罐、电站、厂房结构，低温压力容器等结构件。
而由于强度高，脆性大，在焊接过程中，尤其是埋弧自动焊时容易出现冷裂纹。
4.1冷裂纹
在低合金高强钢的焊接中冷裂纹是一个主要问题。
特别是随着强度级别的不断提高，这个问题就变的越来越严重。
据有关资料统计，低合金高强钢焊接中热裂纹仅占10％，冷裂纹占90％。
因此，近年来对低合金钢的冷裂纹做了大量的研究工作。
冷裂纹经常发生在焊接接头的热影响区内，有时也发生在焊缝金属中。
关于冷裂纹形成机理，是一种比较复杂的现象，一直有人在深入研究。
大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布、接头所承受的拘束应力状态是产生冷裂纹的三大主要因素。
这三大因素在一定条件下相互联系、相互促进。
以上是冷裂纹形成的宏观因素，然而从产生冷裂纹的实质或致裂的微观行为来看，就显得十分不足了。
例如，近年来的研究证明，冷裂纹的产生与焊接接头局部地区的应力应变和氢的瞬态分布有关，而不是接头所承受的平均应力和平均含氢量。
所以，近年来对冷裂纹的研究已深入到焊接接头的微观区域，不过这方面的研究刚刚开始有待完善。
目前，关于冷裂纹的形成机理多数人的观点如下：
（1）淬硬倾向
马氏体是碳在
铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。
特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高（达1350～1400℃），使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。
而马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，易于裂纹的形成和扩展。
另外，金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷，主要是空位和位错。
研究表明，随焊接热影响区的热应变量增加，位错密度也随之增加。
在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。
在应力的继续作用下，就会不断的发生扩展而形成宏观的裂纹。
（2）氢的作用
由于焊缝含碳量低于母材，所以焊缝在较高的温度就发生了相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体，以及低碳马氏体等。
此时母材热影响区金属尚未开始奥氏体分解（因含碳较高，发生滞后相变）。
当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快地从焊缝越过熔合线，向尚未发生分解的奥氏体热影响区扩散。
由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔合区线附近就形成了富氢带（含氢量越高，冷裂纹敏感性越大）。
当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留于马氏体中，使该处的金属结合强度降低，进一步脆化。
增加了冷裂纹倾向。
（3）焊接接头的应力状态
在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩又承受拉应力，一直到焊后将会产生不同程度的残余应力。
在应力的作用下，会引起氢的聚集，导致裂纹的产生。
焊接应力越大，冷裂纹倾向也越大。
[5][6]
3、焊接技术
3.1焊接设备及焊接方法
表3焊接设备、焊接方法及适用范围
焊接方法
焊接设备
电流和极性
适用范围
埋弧自动焊
ZD5-1000
直流反接
钢管纵缝、环缝
3.2焊接材料的选择
3.2.1埋弧自动焊焊丝：
天津金桥H08MnMoA，焊丝规格Φ4.0。
表4H08MnMoA焊丝化学成分及熔敷金属力学性能
焊丝化学成分（%）
C
Mn
Si
S
P
Ni
Mo
Cr
Ti
≤0.10
1.20~1.60
≤0.25
≤0.030
≤0.030
≤0.30
0.30~0.50
≤0.20
≤0.15
熔敷金属力学性能（配合SJ101焊剂）
试验项目
σb（MPa）
σs（MPa）
δ5（%）
Akv1（J）
保证值
550-700
≥470
≥20
≥27（-20℃）
3.2.2焊剂：
天津金桥SJ101焊剂，SJ101是氟碱型烧结焊剂。
表5SJ101焊剂化学成分及熔敷金属力学性能
焊剂参考成分（%）
S
P
SiO2+TiO2
CaO+MgO
Al2O3+MnO
CaF2
≤0.060
≤0.080
15~25
25~35
20~30
15~25
熔敷金属力学性能（按GB/T5293-1999）
项目
σb
σs
δ5
AKV（J）
配合焊丝
（Mpa）
（Mpa）
（%）
-20℃
H08MnMoA
550～650
≥420
≥20
≥34
1.焊剂在使用前300~350℃烘焙2小时，保温温度80~100℃。
2.焊前清除焊件上的铁锈、油污、水分等杂质。
3.3焊接工艺参数的确定
焊接工艺参数的选择按焊接工艺评定确定的参数执行。
依据《压力钢管制造安装及验收规范》DL5017-93规定，在水工机械厂进行了B610CF钢板的焊接工艺评定（δ=58mm埋弧自动焊）；并对钢管的实际焊接进行了UT、RT、PT无损检测及力学性能试验，确定其焊接工艺参数。
3.3.1坡口加工
坡口加工采用数控切割机、半自动切割机火焰切割成型。
施焊前坡口面及坡口两侧10~20mm范围内的毛刺、铁锈、氧化皮、挂渣等用角向磨光机打磨清除。
3.3.2焊接工艺参数
钢板厚度为δ=58mm的对接焊缝，坡口型式采用非对称X坡口。
如下图示：
图1
焊接材料及要求：
焊接方法：
埋弧自动焊
焊丝牌号：
H08MnMoA，焊丝规格Φ4.0；
焊剂牌号：
SJ101，焊接烘干温度300~350℃，保温2小时。
预热温度：
120~150℃。
层间温度：
不大于180℃。
焊接顺序：
先焊内坡口再焊外坡口。
操作技术：
多层多道焊。
清根方式：
碳弧气刨清根后用角向磨光机清理渗碳层。
焊接电流特性：
见表6，输入线能量控制20~28KJ/cm。
表6焊接电流特性
焊接层、道数
焊条直径
焊接电流A
焊接电压V
焊接速度cm/s
线能量KJ/cm
层间温度
设备速度
m/h
备注
第一层
φ4.0
540
26
0.58
23
120-150
21
正面
第二层
φ4.0
560
27
0.58
24.7
120-150
21
正面
三层一道
φ4.0
540
26
0.6
22
120-150
21.8
正面
三层二道
φ4.0
540
26
0.6
22
120-150
21.8
正面
四层一道
φ4.0
560
26
0.61
22.6
150-200
22
正面
四层二道
φ4.0
560
26
0.61
22.6
150-200
22
正面
第五层～第七层
φ4.0
560～600
26～28
0.6～0.7
23～26
150-200
21～25
正面
封面
φ4.0
600～620
28～30
0.64～0.7
23～28
150-200
23～25
正面
第一层
φ4.0
540
26
0.58
23
120-150
21
背面
第二层
φ4.0
560
27
0.58
24.7
120-150
21
背面
三层一道
φ4.0
540
26
0.6
22
120-150
21.8
背面
三层二道
φ4.0
540
26
0.6
22
120-150
21.8
背面
四层一道
φ4.0
560
26
0.61
22.6
150-200
22
背面
四层二道
φ4.0
560
26
0.61
22.6
150-200
22
背面
第五层～第六层
φ4.0
560～600
26～28
0.6～0.7
23～26
150-200
21～25
背面
封面
φ4.0
600～620
28～30
0.64～0.7
23～28
150-200
23～25
背面
4、生产性焊接质量控制措施
实际生产焊接除严格按照《焊接工艺评定》技术参数及焊接通用技术要求执行外，针对B610CF钢板的焊接特制定相应的质量保证措施：
4.1在以下任一环境情况下（采取有效保护措施者除外）禁止焊接：
a.风速超过8m/s；b.相对湿度大于90%；c.环境温度低于-5℃；d.在雨天或雪天无遮盖时。
4.2定位焊
4.2.1施焊前检查坡口组对质量，用钢丝刷对坡口进行清理，并对局部组对间隙大或缺肉处进行处理后方可施焊。
4.2.2在焊缝外坡口侧进行定位焊。
4.2.3定位焊前必须对焊缝进行预热，预热温度150℃。
4.2.3.1预热方式：
在焊缝内坡口侧的钢板表面采用履带板均匀加热；
4.2.3.2预热范围：
以焊接处为中心，至少在200mm范围内进行预热；
4.2.3.3测量方法：
用红外线测温仪在焊缝外坡口侧进行测量，在距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点不少于6对。
4.2.4定位焊采用手工电弧焊由中间向两端施焊。
定位焊缝长度100mm，间距100mm，焊缝厚度满足管节吊装要求。
距管口30mm内不得进行定位焊。
4.3埋弧自动焊接
4.3.1施焊过程设专职监测人员控制焊接层间温度和线能量输入，并对每道焊缝进行外观质量检查，对实际焊接参数进行记录。
4.3.2纵缝焊接在焊缝两端设置引弧板和熄弧板（引弧板长度不小于200mm,熄弧板长度不小于100mm），引弧板和熄弧板不得用锤击落。
应用氧、乙炔火焰或碳弧气刨切除，并用砂轮修磨成原坡口形式。
4.3.3焊接前背缝采用焊剂衬垫。
4.3.4焊剂在使用前300~350℃烘焙2小时，保温温度80~100℃。
4.3.5焊前预热，预热温度120-150℃，预热时必须均匀加热，预热区的宽度
为焊缝中心线两侧3倍板厚，且不小于300mm，其温度测量在距焊缝中心线各50mm处对称测量，每条焊缝测量点不少于6对。
4.3.6焊接层间温度不高于180℃。
4.3.7每道焊缝要一次完成不能中断，层间焊接应将焊接熔渣、飞溅物清理干净。
熔渣清理采用刨锤清理，不得使用风铲清理。
4.3.8内侧焊缝焊接完成后，用碳弧气刨进行背面清根，将焊在清根侧的定位焊缝金属清除。
并用砂轮修整刨槽，磨除渗碳层，认真检查保证无缺陷。
清根前监测焊缝温度，低于预热温度时对焊缝进行重新预热。
4.3.9焊缝表面尽可能平滑。
对焊缝局部咬边、焊瘤、凹坑、裂纹的修补处理，进行原因分析，并制定切实可行的处理方案。
焊缝缺陷处理采用碳弧气刨或砂轮机，不允许用电弧或火焰切割。
修补工作由经验丰富的合格焊工进行。
4.3.10内侧焊缝的第一、二、三层及清根后背缝的第一、二、三层较易出现局部裂纹，应着重监测。
4.3.11每条焊缝要一次性连续完成，尽量避免二次预热施焊。
4.3.12厚度大于38mm高强钢应作后热消氢处理，后热温度为150-200℃，保温时间为1小时以上。
4.4焊缝缺陷处理
4.4.1焊缝缺陷的定性。
焊缝缺陷定性一定要准确，UT检测不确定时，RT补充检测，并在缺陷处标识出缺陷性质、长度、深度及走向。
4.4.2分析焊缝缺陷原因，制定出切实可行的返修方案。
4.4.3焊缝缺陷处理采用碳弧气刨或砂轮机，不允许用电弧或火焰切割。
用碳弧气刨处理时，在缺陷两侧各延长50mm处起刨。
刨后用砂轮机打磨清理彻底。
4.4.4补焊时的预热温度比焊缝的原预热温度提高30℃。
焊补时在坡口内引弧，熄弧时应填满弧坑，多层焊的焊层之间接头应错开，焊缝长度应不小于100mm，当焊缝长度超过500mm时，采用分段退焊法。
4.4.5返修部位应连续焊成。
如中断焊接时，要采取后热、保温措施，防止产生裂纹。
再次焊接前，用磁粉或渗透探伤方法检查，确认无缺陷后方可继续补焊。
4.4.6返修焊接填报返修施工记录及返修前后的无损探伤报告，作为工程验收及存档资料。
4.4.7返修后的焊缝用UT进行复查,同一部位返修次数不超过两次。
4.4.8修补工作由经验丰富的合格焊工进行。
5、焊接质量及检验结果统计
通过对近期钢管焊接质量的检查（层间监测及UT、RT无损检测），施工过程未发现焊接裂纹缺陷。
6、结束语
通过近期来的焊接实践，B610CF高强钢的埋弧自动焊接在生产中取得了良好的效果。
在整个焊接过程中，通过对焊接材料选型，以及在钢管制造过程中对下料、卷板、组对、焊接等各工序控制，有效控制了焊接缺陷。
目前，蒲石河压力钢管B610CF高强钢的焊接由于采取了上述有效的焊接工艺，使整个焊接质量和施工进度得到了有效的保证。
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