兆瓦级风机焊接结构件焊接工艺评定

周意普 李龙 曹小强

1.概述

兆瓦级风力发电机中主要的焊接结构件有塔架、主机架等，是风机中主要承载部件，具有结构跨度大、形式复杂及使用过程中承受较大幅度的疲劳荷载等特点。这些部件采用全焊结构，焊缝接头形式多、长度长，焊接质量对结构件的质量影响很大。因此，为严格控制风机焊接结构件的焊接质量，必须进行焊接工艺评定，以验证所拟定焊接工艺的正确性。

2.焊接评定标准的选定

截至2012年，中国风电装机容量已居世界第一位。为了消化产能过剩等问题，各风电厂商陆续将风机出口海外。因此焊接评定涉及的标准主要有中国标准、欧洲标准ISO15614和美国ASME标准。为了确保焊接质量，国内风电焊接结构件大多以JB4708为依据进行焊接工艺评定。这三个标准的材料分类、母材的覆盖范围、板厚的覆盖范围等都存在差别，对试验项目、试件试验要求、焊工资格要求等规定也不尽相同。在焊前，一定要根据业主的要求，选择合适的标准进行焊接工艺评定工作，同时要对各种标准的异同做到心中有数。

3.焊接工艺评定

（1）试块基材 风机焊接结构件主要采用Q345系列钢板。以Q345E钢板为例，Q345E属于低合金高强度钢，低温韧性较好，－40℃的冲击吸收能量Akv≥27J，抗拉强度为470～630MPa。Q345E的化学成分如表1所示。根据国际焊接协会推荐碳当量公式计算求得Q345E的碳当量为0.35%～0.50%。风机主机架采用中厚Q345E钢板，坡口深，焊接时冷却速度快，焊缝中的扩散氢不易逸出，使焊缝中的扩散氢增加。在淬硬组织、扩散氢、焊接应力的作用下，易产生冷裂纹。

（2）焊接试板准备 试板的规格按JB4744的规定进行选取。为了确保试样的制备，单块试板长度应≥300mm，宽度应≥125mm。风机焊接结构件焊缝厚度从10～100mm不等，接头形式为对接焊缝和角接焊缝。根据JB4708的规定，要覆盖所有的焊缝范围，选取厚度为50mm的对接焊缝试块，即可满足要求。

（3）焊接坡口 采用X形坡口，如附图所示。焊前去除坡口周边至少110mm范围内的油污、铁锈等。

（4）焊接材料 采用CO2气体保护焊，焊丝ER50—6，焊丝成分如表2所示，为了保证焊缝的可靠性，保护气体为80%Ar+20%CO2的混合气体。

焊接坡口

表1 Q345E的化学成分 (质量分数) (%)

表2 ER50—6化学成分典型值（质量分数） (%)

（5）焊接工艺 施焊前必须对焊件进行预热，预热温度为100～150℃。预热的目的是使焊件近表面的大部分扩散氢逸出，防止氢的聚集而产生的晶间应力导致开裂。焊接参数如表3所示。采用对称焊接以减小焊接变形，对焊缝根部进行清根处理。

采用ER50—6焊丝，用CO2保护气体进行焊接，电弧燃烧稳定，飞溅少。但过大或过小的焊接热输入对焊缝的性能、抗裂性等都会产生影响。因此要确定合适的焊接参数，并要求通过锅炉压力容器焊工考试的持证焊工进行焊接操作。

焊后热处理工艺采用（600±20）℃、保温4h后风冷。

4.评定结果与分析

（1）焊缝检测 焊缝外观按ISO5817标准B级要求检测；焊缝按JB4730Ⅱ级要求进行超声波探伤。经检测合格后按JB4744标准的规定进行试样的制备。

（2）拉伸试验 按GB/T228执行，结果如表4所示。从表4中数据可以看出，焊缝的拉伸强度满足要求。

（3）弯曲试验 采用4个侧弯试件，按GB/T232标准执行。试验结果如表5所示，试验结果全部合格。

（4）冲击试验 按GB/T229标准的规定执行，试验结果如表6所示，试验结果合格。

从力学性能试验结果可见，焊缝的强度和韧性均优于母材，说明工艺评定规范合理。

表3 焊接参数

表4 焊接接头拉伸试验结果

表5 焊接接头弯曲试验结果

表6 焊接接头冲击试验结果

5.结语

焊接工艺评定是最重要的焊接资料，是保证施工质量必不可少的环节。采用φ1.2mm、ER50—6焊丝，按设计的焊接参数焊接50mm对接试板，焊接接头的各项性能指标均满足标准的要求。

实践证明，依据焊接工艺评定制定出的焊接工艺指导生产，完全满足批量生产的要求。