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1、1白银风电设备制造厂低合金高强度结构钢埋弧自动焊接低合金高强度结构钢埋弧自动焊接摘要摘要 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、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
2、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 2060 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
3、素方向发展，一般碳含量不大于 2%3%，含 23 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2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
4、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
5、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 600800Mpa 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 sMpa，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550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（sMpa）和 H
6、Y130 钢（s 690895Mpa） ，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 600 Mpa 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
7、钢（b Mpa） 、和 HQ100 钢（b 700755950Mpa）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3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 bMpa 的焊接结构用高强度钢几乎都采用调质处理工艺。近 20600年来，美国、英国、德国、日本和前苏联等工业发达国家相
8、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 10Ni5 CrMoV 钢，从化学成分上看，12Ni3CrMoV 钢相当于美国的 HY80，10Ni5 CrMoV 钢则相当于美国的 HY130，这两种钢主要用于海军舰船的制造。近年来HQ70、HQ80 和 HQ100 钢及
9、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
10、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4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。13 3、Q345D 高强度低合金结构钢钢板简介高强
11、度低合金结构钢钢板简介3.1 Q345D 高强度低合金结构钢钢板化学成份及力学性能表 1 B610CF 钢的化学成份（%）表CMnSiPSVNbTiCrNiAl0.181.00 1.600.550.030.030.02 0.150.015 0.060.02 0.200.015表 2 Q345D 高强度低合金结构钢的力学性能表屈服强度MPa s冲击功吸收功Akv J16163 5抗拉强度b Mpa延伸率5 % -20180 冷弯试验， d=弯心直径 a=试样厚度16161 003453254706302247d=2ad=3a3.2 Q345D 高强度低合金结构钢的特性Q345DF 钢板具有良好的
12、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。4.14.1 冷裂纹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。5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
13、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)(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
14、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 13501400） ，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
15、。（2 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，6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
16、金属结合强度降低，进一步脆化。增加了冷裂纹倾向。（3 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。563 3、焊接技术、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 4.0。表 4 H08MnMoA 焊丝化学成分及熔敷金属力学性能焊丝化学成分(%) CMnSiSPNiMoCrTi0.101.201.600.250.0300.0300.300.300.500.200.15熔敷金属力学性能(配合 SJ101 焊剂) 试验项目 b(MPa)s
