塔筒T 型接頭焊接裂紋成因及控制*

林定果，何衛(wèi)東，梁軍戰(zhàn)，郭寶前

(1.甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；3.國家管網(wǎng)集團(tuán) 西南管道有限責(zé)任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

風(fēng)電塔筒是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要支撐性部件，在使用過程中經(jīng)常受到很大的交變載荷的作用。 風(fēng)電塔筒是由多塊鋼板卷制、拼焊而成，焊接質(zhì)量的好壞直接決定塔筒的使用壽命及安全風(fēng)險(xiǎn)。 “T”型接頭焊縫是所有焊縫中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此，“T”型接頭的焊接質(zhì)量就顯得尤為重要。影響焊接質(zhì)量的缺陷有很多種，如裂紋、未熔合、咬邊、未焊透、夾渣、氣孔等，最致命的缺陷則是焊接裂紋，因此，如何控制和預(yù)防裂紋的產(chǎn)生是焊接工程師必須要充分考慮和研究的重要問題。

筆者對(duì)風(fēng)電塔筒“T”型接頭焊接裂紋形成的原因進(jìn)行分析，編制科學(xué)合理的工藝控制措施，通過措施和工藝方法的改進(jìn)可有效預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生。

1 風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)及制作工藝

1.1 風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)

風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)一般為圓柱形或圓錐形，見圖1，塔筒所用鋼板材質(zhì)一般為Q355D/E，板厚不一，縱縫和環(huán)縫對(duì)接處即為“T”型接頭。 所有的縱縫及環(huán)縫均采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，焊接材料:焊絲為H10Mn2，焊絲直徑Φ4 mm，焊劑為SJ101。 坡口型式一般有兩種，板厚＞16 mm 為“Y”型坡口，見圖2；板厚≤16 mm 為“I”型坡口，見圖3。

圖1 風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Y 型坡口

圖3 I 型坡口

1.2 風(fēng)電塔筒成型工藝流程

風(fēng)電塔筒成型工藝流程:數(shù)控下料—卷板—縱縫焊接—校圓—組對(duì)—環(huán)縫焊接。 單段筒節(jié)卷制成型后，先焊接縱焊縫，整體組對(duì)后再焊接環(huán)焊縫。 焊縫時(shí)先焊接內(nèi)側(cè)，外側(cè)用碳弧氣刨清根后，再進(jìn)行焊接，焊后“T”型接頭處進(jìn)行100%UT、RT、MT 檢測，滿足NB/T47013-2015 Ⅰ級(jí)要求(RT 為Ⅱ級(jí))[1]。

2 風(fēng)電塔筒焊接中“T”型接頭裂紋成因分析

2.1 風(fēng)電塔筒“T”型接頭焊接裂紋表征情況

對(duì)“T” 型接頭焊縫進(jìn)行超聲波(UT)、射線(RT)、磁粉(MT)探傷檢測。 發(fā)現(xiàn)裂紋都是出現(xiàn)在縱縫，而且是在熄弧端弧坑部位，沿著焊縫中心縱向開裂，裂紋的深度也比較淺，大多不超過3 mm，屬于表面裂紋，且絕大部分母材的板厚不超過16 mm，見圖4。圖5 為射線底片。 當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，裂紋出現(xiàn)的概率明顯增加。

圖4 收弧裂紋

圖5 射線底片

2.2 焊接裂紋成因分析

由于風(fēng)電塔筒鋼材主要是Q355D/E，屬于低合金高強(qiáng)鋼，焊接性能比較好，通常選用的焊材H10Mn2＋SJ101 也是與母材匹配的，原材料都經(jīng)過第三方檢測，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。 而且正式焊接前，都是按標(biāo)準(zhǔn)要求做焊接試板，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。 因此，對(duì)于風(fēng)電塔筒“T”型接頭裂紋的成因，主要還是從焊接工藝措施方面進(jìn)行分析。

2.2.1 焊縫成形系數(shù)的影響

通常情況，厚度為16 mm 以下的鋼板，坡口為“I”型，即不開坡口，正反面各焊接一遍即可完成，焊縫成形系數(shù)較小。 所謂焊縫成形系數(shù)，即在單道焊縫橫截面上焊縫寬度B與焊縫計(jì)算厚度H的比值?＝B/H。 當(dāng)焊縫成形系數(shù)小時(shí)形成窄而深的焊縫，在焊縫中心由于區(qū)域偏析會(huì)聚集較多的雜質(zhì)，抗熱裂紋性能差。 不同坡口型式焊縫成形后如圖6 所示，右側(cè)為“I”型坡口焊縫成形，左側(cè)為“Y”型坡口焊縫成形。顯然“Y”型坡口更有利于雜質(zhì)排出。

圖6 不同坡口型式焊縫接頭成形

2.2.2 坡口內(nèi)雜質(zhì)的影響

坡口內(nèi)往往會(huì)存在鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)，在焊接過程中，若雜質(zhì)燃燒熔入到焊縫中，極易形成低熔共晶物[2]。 焊縫中低熔點(diǎn)的共晶物聚集于晶界上，在冷卻結(jié)晶過程中，焊縫收縮而產(chǎn)生拉力，使焊縫在高溫時(shí)沿晶界開裂，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2.2.3 焊接環(huán)境的影響

焊接過程中，焊縫金屬從熔化到結(jié)晶整個(gè)過程中，焊接接頭受熱很不均勻，焊縫金屬中心受到兩側(cè)母材拉應(yīng)力的作用力最大。 隨著焊接環(huán)境溫度的降低，接頭冷卻速度加快，焊縫金屬受到拉應(yīng)力增加，出現(xiàn)裂紋的可能性增加，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，焊縫接頭冷卻急劇加快，而且焊縫周圍的氫等元素極易熔入焊縫金屬，焊縫開裂的風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。

2.2.4 引弧板長度的影響

埋弧自動(dòng)焊的焊接熔池較大，冷卻后形成的弧坑較長(80 mm 左右)，若引弧板長度較短，則弧坑易落在主焊縫上，極易形成缺陷，出現(xiàn)弧坑裂紋的可能性增加。

2.2.5 焊接參數(shù)的影響

焊接線能量是焊接電壓U、焊接電流I、焊接速度V等參數(shù)的集中反映，是影響焊縫接頭性能的重要因素。 線能量過大容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過熱，產(chǎn)生過熱組織，而使其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性；線能量小，焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度快，容易產(chǎn)生淬硬組織，如馬氏體，造成焊縫應(yīng)力集中，嚴(yán)重產(chǎn)生變形、開裂。

3 工藝預(yù)防控制措施

3.1 增大焊縫成形系數(shù)，增加焊縫抗裂性

厚度為16 mm 以下的鋼板，坡口型式調(diào)整為“Y”型，鈍邊約6 mm，采用多層多道焊，每層焊縫厚度以不超過焊絲直徑＋2 mm 為準(zhǔn)，若焊絲直徑為4 mm，則每層厚度不宜超過6 mm。 以此增大焊縫成形系數(shù)，從而增加焊縫抗裂性。

3.2 減少焊接接頭中氫元素的含量

在正式施焊前，將焊接坡口及坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)用角磨機(jī)打磨出金屬光澤，清理表面的雜物，確保坡口干凈整齊。 SJ101 焊劑必須進(jìn)行烘干處理，一般為350 ℃，烘烤2 h，存放4 h 以上的須重新烘干。 這樣可以大大降低焊接接頭中氫元素的含量，有效避免氫致裂紋的產(chǎn)生。

3.3 焊前預(yù)熱及其它保溫工藝措施

工藝措施:當(dāng)焊接環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，應(yīng)在坡口兩側(cè)100 mm 范圍內(nèi)加熱到15 ℃以上[3]；板厚超過30 mm 的，預(yù)熱溫度到80 ～125 ℃，焊接過程中層間溫度不低于預(yù)熱溫度。 收弧時(shí)，小車停止后，過5 s以上，再停止焊接，確保弧坑充分填滿。 每條縱焊縫焊接完成后，應(yīng)等到渣殼徹底變黑之后，再清理焊渣，使渣殼對(duì)焊縫金屬起到充分保護(hù)作用。

通過這些工藝措施的實(shí)施，一方面可以減少或避免氫等有害元素熔入焊縫金屬，另一方面降低焊縫接頭冷卻速度，減小焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力。

3.4 引弧板制作要求

由于埋弧焊的熔池較大、較長，因此，縱縫焊接前嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)板厚的要求制作引弧板，且長度不小于120 mm，引弧板與縱縫平齊，確保熔池完全落在引弧板上，避免弧坑裂紋延伸到主焊縫上。

3.5 焊接參數(shù)合理選擇

選擇合理的焊接參數(shù)，從而確保焊接接頭的韌性，提高抗裂性。 選擇的焊接參數(shù)見表1 所列。

表1 焊接參數(shù)表

焊接線能量不宜過大，也不宜過小。 通過實(shí)驗(yàn)選擇合適的焊接參數(shù)，可以得到較好的焊接接頭性能，抗裂性能大幅提高。

4 結(jié) 語

通過對(duì)風(fēng)電塔筒焊接過程中“T”型接頭裂紋成因的分析，提出了相應(yīng)的處理措施。

通過優(yōu)化坡口型式，增大焊縫成形系數(shù)，加強(qiáng)焊前坡口處理，充分做好焊前預(yù)熱及焊后保溫，制備合理的引弧板，選擇合理的焊接參數(shù)等一系列工藝措施，并嚴(yán)格實(shí)施，可以有效控制塔筒“T”型接頭焊接裂紋的產(chǎn)生，確保焊接質(zhì)量。