風(fēng)電機組用QT400-18AL焊條電弧焊堆焊修復(fù)研究

劉洪冰，盧仁峰，陳超凡，姚 鵬，李振國，王金生

1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 洛陽先進制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471003

2.大生清風(fēng)（北京）科技有限公司，北京 100036

3.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030

0 前言

風(fēng)電具有綠色環(huán)保、裝機規(guī)模靈活、成本低廉等諸多優(yōu)勢，近年來在我國建設(shè)速度很快，走出了一條高質(zhì)量發(fā)展之路［1］。其中，球墨鑄鐵QT400-18AL屬于高強度鑄鐵，并且具有良好的耐磨性和減震性，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機組中的偏航制動盤、主機架、齒輪箱箱體等結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量占葉輪和機艙的20%～30%［2-3］。風(fēng)電機組運行工況十分惡劣，長期工作在風(fēng)載、沖擊載荷、低溫等工況下，加之球墨鑄鐵可能存在的質(zhì)量問題，球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)件經(jīng)過一段時間運行后容易出現(xiàn)裂紋等失效形式［2］。以往出現(xiàn)該問題時需要對風(fēng)機機艙進行吊裝，進而更換相關(guān)部件。由于備件采購需要相當(dāng)長的周期，因此風(fēng)機停機期間的發(fā)電量損失較大，若是海上風(fēng)電則損失更大［4］。因此，亟需研發(fā)一種無需吊裝、在塔上直接修復(fù)球墨鑄鐵件的技術(shù)。

焊接具有適應(yīng)性廣、成本較低等優(yōu)勢，在金屬修復(fù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，尤其是風(fēng)機的偏航齒圈、變槳齒圈等部件的修復(fù)［5］。球磨鑄鐵強度較好，但由于其碳含量高及含有雜質(zhì)和球化劑，焊接時熱影響區(qū)冷卻速度太快，并且球化劑中的部分合金元素阻礙石墨化。其中，熱影響區(qū)內(nèi)奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成淬硬組織，半熔化區(qū)易出現(xiàn)白口，淬硬組織和白口容易萌生裂紋，導(dǎo)致開裂。因此，球磨鑄鐵焊接需要采取合適的焊接材料及相應(yīng)工藝，以便獲得良好的焊接接頭性能。趙悅光等［6］對QT400-18的焊補工藝開展研究，選用Z308、Z408等焊材進行試驗，發(fā)現(xiàn)焊后樣件的抗拉強度和屈服強度與母材基本一致，且Z308焊條焊接的樣件其硬度與母材更為接近，因此推薦選用Z308焊條。Tao Wei等［7］對不同補焊尺寸的QT400-18的拉伸行為進行分析，發(fā)現(xiàn)模量、強度和延展性隨著焊縫尺寸的增加而降低，進而建立了一種估算補焊鑄件宏觀有效模量的方法。張現(xiàn)杰等［9］指出QT500-7球墨鑄鐵焊接中應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，防止馬氏體出現(xiàn)，可采用焊后錘擊等方式去除焊接應(yīng)力。然而，以往研究未關(guān)注QT400-18AL的焊接及其性能，而低溫沖擊韌性是風(fēng)力發(fā)電機組用球墨鑄鐵件的關(guān)鍵參數(shù)之一，且采用Z308和Z408依然容易出現(xiàn)焊接裂紋，焊接質(zhì)量有待提升。

本文采用內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司研發(fā)的新型鑄鐵焊材LRF-01進行QT400-18AL堆焊修復(fù)工藝研究，并進行了射線檢測、著色探傷、拉伸試驗、金相檢驗、硬度檢驗、沖擊試驗及疲勞試驗。

1 材料及方法

1.1 母材

試驗材料為60 mm厚度QT400-18AL（-20℃）低溫球墨鑄鐵板件，其化學(xué)成分如表1所示［10］。

表1 QT400-18AL的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of QT400-18AL（wt.%）

同時，《GB/T 25390-2010風(fēng)力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》對QT400-18AL的機械性能有明確規(guī)定，將鑄件壁厚分為T≤30 mm、30＜T≤60 mm、60＜T≤200 mm三種情況，并給出了不同數(shù)值。本文采用的樣件厚度尺寸均在30 mm以下，因此擇取標(biāo)準(zhǔn)中的對應(yīng)數(shù)值，如表2所示。

表2 《GB/T 25390-2010》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機械性能Table 2 Mechanical properties in "GB/T 25390-2010"

按照圖1所示尺寸焊接兩塊板件，U型槽深度30 mm。焊后沿圖中虛線切割樣件，保留虛線右部留做試驗。委托內(nèi)蒙古第一機械集團股份有限公司計量檢測中心開展了拉伸試驗、硬度檢驗及金相檢驗，委托洛陽欣隆工程檢測有限公司開展著色探傷、射線檢測、焊縫區(qū)沖擊試驗和熱影響區(qū)沖擊試驗，委托青島艾德泰克檢測技術(shù)有限公司開展疲勞試驗。其中，使用WE600型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，使用XXH-3505定向射線機進行射線檢測，使用DPT-5型滲透檢測劑進行著色探傷，使用HV-1000顯微維氏硬度計進行硬度檢驗，使用BX53M金相顯微鏡進行金相檢驗，使用JB-300B擺錘式?jīng)_擊試驗機進行沖擊試驗，使用MT810疲勞試驗機進行疲勞試驗。

圖1 焊補樣件加工尺寸Fig.1 Size of the sample

1.2 焊接材料

選用φ3.2 mm鑄鐵焊條LRF-01，其化學(xué)成分如表3所示。其中，焊芯材料為鐵鎳合金。該焊條在研發(fā)時充分考慮了鑄鐵含碳量高、焊接時易出現(xiàn)裂紋的實際情況，在元素含量設(shè)計及加工工藝設(shè)計方面，將避免焊接裂紋作為重要指標(biāo)，因此增加了Co元素，確保焊材在灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的焊接方面具有優(yōu)勢。

表3 LRF-01的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of LRF-01（wt.%）

1.3 焊接工藝

（1）焊前清理及預(yù)熱。使用角磨機、清洗劑等將樣件堆焊處及周圍20 mm范圍內(nèi)的油污、水分、氧化皮等雜質(zhì)清除干凈，堆焊處預(yù)熱溫度100～250℃。此外，若焊接環(huán)境溫度低于15℃，須采取加熱或防護措施。

（2）施焊。選用焊條電弧堆焊，焊接參數(shù)如表4所示。鑄鐵焊條LRF-01烘干溫度為350～400℃，保溫時間1.5～2 h，烘干后緩冷放置于100～120℃保溫箱中存放、待用。采用分段退步跳焊法，小電流快速焊，不擺動或微擺動操作技巧，道間搭接寬度為焊道寬度的1/3，每段焊縫焊接長度不超過40 mm，每次收弧時填滿弧坑，每次焊后使用鈍角小錘錘擊松弛應(yīng)力，錘擊頻率為2次/s。每層焊縫厚度不超過3 mm，每道焊縫寬度不大于8 mm，盡可能多層多道焊接，直至將30 mm深U型坡口填充焊接完成。焊接過程中將層道間溫度嚴(yán)格控制在15～200℃范圍內(nèi)，焊件不做焊后熱處理以模擬風(fēng)電機組機艙內(nèi)無法實施熱處理的工況。焊接后的試樣如圖2所示。

圖2 樣件焊接Fig.2 Welded sample

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

（3）打磨拋光切割。焊后對樣件進行打磨，去除表面多余部分，使焊后焊材高度與母材大致相同。考慮到在高空并不具備使用銑床等加工裝備的條件，且修復(fù)后的表面平整度要求較低，因此由操作者手持角磨機進行打磨，故不對表面的平面度、粗糙度等參數(shù)提出要求。切割后共得到14塊樣件，分別用于拉伸、金相、顯微硬度、沖擊、疲勞等試驗，如圖3所示。

圖3 樣件切割Fig.3 Samples cutting

2 試樣結(jié)果及分析

2.1 焊接性能

樣件著色探傷結(jié)果如圖4所示，焊縫及熱影響區(qū)無裂紋。同時，對2個樣件做射線檢測，檢測比例100%，驗收標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.2，檢測結(jié)果為I級，表明該材料及工藝可有效減少裂紋。

圖4 著色探傷結(jié)果Fig.4 Penetrant inspection result

采用Z308焊條焊接尺寸材料相同的樣件，焊接工藝與LRF-01相同，將該樣件與LRF-01焊接的樣件一同做射線檢測，檢測結(jié)果如圖5所示。可以看到，采用Z308焊接的樣件中心存在一條較長的裂紋，而采用LRF-01焊接的樣件無裂紋。

圖5 射線檢測結(jié)果Fig.5 Radiographic testing results

2.2 金相組織

對母材、熱影響區(qū)和堆焊區(qū)域進行金相分析。母材金相組織以鐵素體為基體，同時彌散分布著大量球狀石墨組織（見圖6a）。熔合線周圍鑄鐵白口化不明顯（見圖6b），焊縫與母材之間的結(jié)合區(qū)寬度極窄，焊縫與基材達(dá)到良好的冶金結(jié)合。堆焊區(qū)域金相組織為奧氏體基組織（見圖6c）。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic structure

2.3 硬度檢驗

在距基材表面2 mm處劃1條硬度檢驗線，焊縫中心左、右兩側(cè)各打3個點，硬度檢驗結(jié)果見表5。

表5 HV10硬度檢驗結(jié)果Table 5 HV10 hardness testing results

2.4 機械性能

機械性能測試結(jié)果如表6所示。

表6 機械性能檢測結(jié)果Table 6 Mechanical properties of the samples

（1）抗拉強度。樣件抗拉強度為382 MPa（最小值），達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的95%以上，從修復(fù)要求角度看，基本滿足修復(fù)要求。

（2）屈服強度。樣件屈服強度達(dá)到320 MPa以上，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）沖擊功。沖擊試樣完全冷卻到-20℃后，立即在擺錘沖擊試驗機上進行試驗。沖擊試驗結(jié)果表明，焊接后樣件的焊縫沖擊功平均值為12.7 J，最小值為12.0 J，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。熱影響區(qū)-20℃沖擊功的平均值為6.8 J，最小值為6.5 J，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的9 J，為標(biāo)準(zhǔn)值的72%。盡管熱影響區(qū)沖擊功相對較小，但從高空在線修復(fù)的角度而言，該數(shù)值已經(jīng)可以滿足修復(fù)要求。且通過檢索文獻，也未見能夠達(dá)到更高數(shù)值的研究案例。若要提高熱影響區(qū)沖擊功，未來可考慮在條件允許的情況下進一步降低熱輸入。

（4）疲勞強度。《GB/T 25390-2010風(fēng)力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》中并未對QT400-18AL的疲勞強度提出要求，但《GB/T 1348-2009球墨鑄鐵件》中給出了QT400-18的疲勞強度應(yīng)達(dá)到195 MPa，可作為參考。綜合考慮風(fēng)電機組的實際工況，將應(yīng)力設(shè)定為100 MPa開展疲勞試驗。試驗表明，焊接后樣件的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過了1×107。考慮到《GB/T 25390-2010風(fēng)力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》并未對QT400-18AL提出要求，且通過檢索文獻，也未見能夠?qū)崿F(xiàn)更高數(shù)值的研究案例，因此本研究的測試結(jié)果可供參考。

3 工程應(yīng)用

在試驗基礎(chǔ)上選擇江西某風(fēng)場開展工程應(yīng)用。該風(fēng)場的風(fēng)機為某國產(chǎn)1.5MW機型，其偏航制動盤的材質(zhì)為QT400-18AL，經(jīng)過數(shù)年運行，偏航制動盤發(fā)生了嚴(yán)重磨損。為恢復(fù)其尺寸，采用LRF-01焊材及工藝，在其表面采用對接焊縫形式焊接QT400-18AL制成的鑲塊，如圖7所示，著色探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。修復(fù)后風(fēng)機已運行1年多，焊縫質(zhì)量良好，未出現(xiàn)問題。

圖7 修復(fù)后的偏航制動盤Fig.7 Yaw brake disc after welding

4 結(jié)論

采用焊接是修復(fù)風(fēng)電機組部件用QT400-18AL的重要方法之一，而現(xiàn)有研究對樣件焊接后的性能研究還不深入，如低溫沖擊功、疲勞強度等性能還未研究。本文介紹了一種新型焊條LRF-01及相應(yīng)的焊接工藝，通過試驗得出以下結(jié)論：

（1）相對于Z308焊條，采用LRF-01焊條焊接QT400-18AL時，焊縫成形良好，焊接過程中出現(xiàn)裂紋的概率大大降低，對于提高焊接質(zhì)量及焊接效率有一定意義。

（2）機械性能測試表明，抗拉強度、屈服強度基本能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，低溫沖擊性能是LRF-01的亮點，疲勞強度也基本能夠滿足風(fēng)電機組鑄鐵件的修復(fù)要求。

（3）工程實踐表明，采用LRF-01及相應(yīng)工藝可以高效、可靠修復(fù)風(fēng)電機組的球墨鑄鐵件，對于降低發(fā)電量損失、提高風(fēng)場經(jīng)濟性具有一定意義。

（4）未來可在本研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)提升焊接后的材料抗拉強度、熱影響區(qū)沖擊功等性能的方法，以進一步提高修復(fù)的可靠性。