风电塔筒厚钢板焊接工艺参数分析

风电塔筒厚钢板焊接工艺参数分析

摘要：厚钢板广泛应用于风电塔筒的基础段及下段端部，由于厚钢板焊接热循环较复杂，焊接准备工作和规范操作尤为重要，否则容易出现焊接缺陷。文章通过对塔筒下段厚钢板埋弧焊的焊接准备工作、焊接工艺参数的选择以及操作规范等方面进行分析总结，深入阐述了厚板埋弧焊的焊接工艺，对实际操作具有一定的指导作用。

关键词：筒体；厚钢板；焊接工艺参数；埋弧焊

随着风电事业的迅猛发展，兆瓦级机组设计越来越大，从1.5MW逐步发展到 3.0MW，目前 5.0MW的机组设计也在试验中。设计应用比较成熟的多为1.5MW和2.0MW级地机组。随着机组级别的加大，塔筒钢板厚度的设计也在增大，尤其是在塔筒基础环和筒体下段部位，钢板厚度多为30mm至40mm之间，材质一般根据风场环境不同选择分别选择Q345C、Q345D和Q345E。

由于厚板焊接金属填充量较大，在施工条件允许的情况下应尽量选择效率比较高的焊接方法。风电塔筒筒体主要焊接工作一般为纵向焊缝和环向焊缝，埋弧自动焊具有焊接效率高、焊接质量好以及劳动条件好等优点，从而很好地满足生产要求。但由于受到焊接环境、焊接材料和操作等因素的影响，埋弧焊也容易出现一些常见的缺陷，如气孔、未融合、未焊透和裂纹等，所以在焊接生产中要合理选择焊接材料，规范焊接操作，以避免焊接缺陷的产生。现以许昌许继风电科技有限公司设计的河南省陕县雷振山风电场2.0MW风力发电机筒体焊接为例，对埋弧焊焊接工艺参数进行分析。

1 焊接材料分析

1.1 钢板材料：Q345D；钢板厚度：25mm～38mm。

1.2 钢板材质分析见表1：

表1 钢板化学成分Q345D材料成分（%）

C≤0.18Si≤0.50Mn≤1.70P≤0.03S≤0.025Nb≤0.07V≤0.15

1.3 焊接填充材料的选择标准见表2：

表2 埋弧焊常用焊丝

焊丝牌号C（%）Mn（%）Si（%）Cr（%）Ni（%）Cu （%）S（%）P（%）

H08A ≤0.100.30-0.60 ≤0.03≤0.20≤0.30≤0.20≤0.030≤0.030

H08E ≤0.020≤0.020

H08C ≤0.10≤0.10 ≤0.015≤0.015

H15A 0.11-0.18 0.35-0.65 ≤0.20≤0.30 ≤0.030≤0.030

中锰焊丝

H08MnA ≤0.100.80-1.10 ≤0.07≤0.20≤0.30≤0.20≤0.030

≤0.030

H15Mn 0.11-0.18 ≤0.03 ≤0.035≤0.035

高锰焊丝

H10Mn2 ≤0.12 1.50-1.90 ≤0.07≤0.20≤0.30≤0.20≤0.035

≤0.035

H08Mn2Si ≤0.11 1.70-2.10 0.65-0.95

H08Mn2SiA 1.80-2.10 ≤0.030≤0.030

1.4 焊剂材料的选择见表3

表3 常用烧结焊剂

牌号焊剂类型组成成分/%

SJ101 氟碱型SiO2+TiO2 25 CaO+MgO 30 Al2O3+MnO 25 CaF2 20

SJ301 硅钙型SiO2+TiO2 40 CaO+MgO 25 Al2O3+MnO 25 CaF2 10

SJ401 硅锰型SiO2+TiO2 45 CaO+MgO 10 Al2O3+MnO 40

SJ501 铝钛型SiO2+TiO2 30 Al2O3+MnO 55 CaF 25

SJ502 铝钛型SiO2+TiO2 45 CaO+MgO 10 Al2O3+MnO 30 CaF2 5

1.5 焊接材料的匹配要求

焊接材料的要求一般是等强原则，在施工中选择焊缝金属强度要略高于母材，所以选择焊丝时要首先考虑其填充而成的焊缝强度要与母材相匹配，且在焊接过程中由于焊剂成分和焊道杂质高温分解等原因会产生氧等元素，可以将Fe

和其他有益元素氧化，并漂浮到熔渣中去，甚至会直接以夹杂形式存在于焊缝中，严重危害焊缝质量，所以应尽量将这部分氧元素清除。

1.6 脱氧元素分析

元素Si是焊丝中最常用的脱氧元素之一，可以防止铁与氧化合，并可以在熔池中还原FeO，但是单独使用Si脱氧时生成的SiO2熔点太高，且颗粒较小，很难从容熔池中浮出，容易产生夹渣等缺陷。

元素Mn也是焊丝中最常用的脱氧元素，其脱氧能力比Si稍差一些，生成的MnO由于密度较大同样难以从熔池中浮出，但是MnO和SiO2可以复合成硅酸盐MnO.SiO2，熔点低且密度小，可以从熔池中凝聚成大块的熔渣而浮出。

元素Mn还是重要的合金元素，对焊缝金属的韧性有很大的影响，当Mn含量=0.6～1.8%时焊缝金属具有较高的韧性和强度。

1.7 综合

以上考虑，应选择高锰焊丝和氟碱性焊剂相配合，在保证除氧效果和焊缝力学性能的同时还要避免焊缝夹渣等缺陷。基于以上原因，Q345D材料焊接时选择H10Mn2焊丝和SJ101焊剂配合使用，焊剂中的锰硅比为1：1，可以生成易于浮出的MnO.SiO2的同时并不影响焊缝中Mn的含量，最大限度的保证焊缝质量。

2 坡口形式选择

坡口形式直接关系到焊接质量的好坏，同时对焊接变形也有较大影响。厚钢板焊接时必须要加工坡口，根据焊接条件选择合适的坡口形式，如X型、V型、Y型等，坡口角度结合焊接方法和预变形量综合考虑。基于对经济效益和焊接质量等因素的考虑，压力钢管厚钢板埋弧焊焊接时采用Y型坡口，钝边6-8mm，对接坡口角度为55-60°，背面清根方式，焊接时内外焊缝交替焊接。由于压力钢管为内部过水，一般制造时内部要求平滑，同时板厚变化要求过渡平缓，过渡要求为1：4。

3 焊前预热

依据日本JIS和WES标准规定当碳当量超过0.49%时钢的淬硬性较大，或板厚超过一定厚度，环境温度低于某一温度时，焊前应进行必要的预热，根据其碳当量公式计算材质碳当量为：

Ceq（JIS）=0.18%+1.7%/6+0.50%/24+0.15%/14=0.495%

由于碳当量超过0.49%，所以依据JIS标准焊前必须进行有条件预热，具体预热标准见表4