一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法

技术领域

本发明属于钢板材料焊接领域，具体涉及一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法。

背景技术

随着我国风电行业的高速发展和成本约束，风塔用钢材逐渐轻量化，钢板的强度逐渐向高强方向发展，目前Q420级别高强钢板已成功应用在风塔上，Q500ME作为一种交货状态为热机械轧制的低合金高强度钢板，按GB/T 1591-2018标准，较Q420具有更好的综合性能和焊接性能，因此研发用于Q500ME钢板的焊接方法，对提升风电风塔高强性具有重要意义。

现有Q500级钢板埋弧焊焊接方法集中在桥梁用Q500qE钢上，而Q500ME钢板的焊接还较为空白，现有焊接材料未能与其焊缝金属强度和-40℃冲击韧性匹配，焊接热输入量不当影响焊接热循环过程，对焊接接头的焊缝金属和热影响区的组织和力学性能带来影响，将导致焊缝裂纹敏感性增加、强韧性等力学性能和冲击性能下降，其次预热温度、焊后热处理不当将导致焊接接头的冷裂纹敏感性进一步增加，进而影响塔筒纵缝、环缝及门框焊接的安全可靠性，此外整个塔筒所用Q500ME钢板的厚度一般为12～60mm，未能按钢板不同厚度配合合理的坡口加工导致不能兼顾性能与效率，从而不能满足应用需求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法，焊接接头具有优良的力学综合性能，力学性能和冲击性能安全富余量足，有效降低冷裂纹敏感性，能够兼顾性能与效率，满足高强风塔使用要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法，其方法包括：

焊接材料选用：埋弧焊丝的化学成分按重量百分比计包括：C：0.06～0.10％，Mn：1.40～1.90％，Si：≤0.35％，S：≤0.010％，P：≤0.012％，Ni：0.50～0.80％，Mo：0.20-0.40％，Ti：≤0.15％，余量为Fe及不可避免杂质；埋弧焊剂的碱度≥1.8；

在Q500ME材质的钢板对接接头处不开坡口或开坡口加工后，对钢板对接接头以焊接材料进行多层多道埋弧焊接，焊接热输入量≤36KJ/cm。

上述焊接材料的选用依据为：

针对Q500ME钢材，综合考虑焊缝金属的强度、-40℃冲击韧性与钢板匹配以及高强钢裂纹敏感性，设计埋弧焊丝成分：(1)为降低焊缝高强钢裂纹敏感性，因此采用低C/P/S成分匹配原则；(2)为保证焊接接头力学性能和冲击性能安全富余量，因此采用“等强略高”匹配原则，即以焊接接头的力学性能不低于Q500ME钢板，以Mo/Ni合金保证焊缝高强高韧性，并通过加入微合金Ti细晶强化；同时为获得较好的强度、塑性和韧性的配合，因此埋弧焊剂选用碱度≥1.8，具有良好的稳弧性及脱渣性。

上述焊接热输入量的确定依据为：

由于焊接热输入量变化影响焊接热循环过程，进而对焊接接头的焊缝金属和热影响区的组织和力学性能带来影响，为保证焊接接头性能安全富余量充足，焊接热输入量≤36KJ/cm，可以避免焊接热输入量过大，降低拉伸性能，特别是焊接接头各部位-40℃夏比V型缺口冲击功。

进一步的，钢板厚度≤60mm，埋弧焊丝的直径为4.0mm。

进一步的，所述埋弧焊剂为SJ102G，是一种氟碱型焊剂，烧结焊剂碱度高，治金效果好，埋弧焊剂在使用前经350℃烘焙2～3h，以防止受潮增加氢致裂纹风险。

进一步的，根据钢板厚度h确定坡口加工：

当12mm≤h＜20mm时，钢板对接接头处不开坡口，可以减小焊接残余变形，高效节能；

当20mm≤h＜40mm时，钢板对接接头处采用V型坡口，可以兼顾焊缝焊透和效率；

当40mm≤h≤60mm时，钢板对接接头处采用非对称X型坡口，可以降低焊接工作量，提高工作效率，获得较好的焊缝成型。

进一步的，V型坡口角度、非对称X型坡口的正面和反面坡口角度均为50°～70°，能够充分焊透，根部钝边为3～4mm，降低角变形，坡口装配间隙为0～2mm，综合提高焊缝质量。

进一步的，在环境温度不低于25℃下焊前不预热埋弧焊接，经GB/T 4675.1标准试验，不预热焊接时接头部位表面裂纹率和断面裂纹率基本为零，高效节能且可以有效防止焊接冷裂纹的产生。

进一步的，综合考虑钢材和焊接材料成分，所述多层多道埋弧焊接的道间温度控制在≤200℃，可以避免温度过高晶粒粗大导致力学性能劣化。

进一步的，道间温度为150～180℃，可以避免温度过低增加焊缝的温度内应力。

进一步的，焊接电流为630～680A，焊接电压为32～35V，焊接速度为36～42cm/min，焊接操作简便、高效节能，可以避免焊接电流过大引起焊漏、烧穿、裂纹、变形大、飞溅等缺陷，避免焊接电流过小容易引起未焊透、未熔合、夹渣、缝成型不良等缺陷；焊接电压与焊接电流配合，焊接电流和焊接埋弧电压的一定的条件下，配合适当的焊接速度，使焊缝宽度和熔深适当，力学性能符合需求。

进一步的，焊接后采用250℃保温2～3h后缓冷热处理进行消氢处理，通过消氢处理加快焊缝及热影响区中氢的逸出，可以有效降低焊接接头的冷裂纹敏感性，进而保证塔筒纵缝、环缝及门框焊接的安全可靠。

进一步的，采用保温棉盖住对接钢板进行缓冷，可以使应力分布较为平缓。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明针对高强风塔用钢Q500ME，埋弧焊丝成分按“低C/P/S”、“等强略高”匹配原则设计，利用低C/P/S、Mo/Ni合金和Ti的加入，配合碱度≥1.8的埋弧焊剂和≤36KJ/cm的焊接热输入量，埋弧焊对接接头抗拉强度、接头各区-40℃冲击功达到较高水平，具有优良的低温冲击韧性及安全储备，解决了现有因焊接材料和焊接热输入不当导致的力学综合性能不良的问题，力学性能和冲击性能安全富余量足，抗拉强度≥620MPa，-40℃冲击功≥31J，接头侧弯d＝4a，180°。

(2)本发明对接接头制造过程采用焊前不预热，焊后缓冷消氢处理，解决了现有因焊接预热和焊后热处理不当导致的焊缝裂纹敏感性问题，接头部位表面裂纹率和断面裂纹率基本为零，保证了塔筒纵缝、环缝及门框焊接的安全可靠。

(3)本发明根据钢板厚度确定不同的坡口加工制度，实现了高强风塔用钢板≤60mm厚Q500ME对接接头制造，基本覆盖了整个塔筒的厚度，多层多道焊接后焊接接头具有优良的综合力学性能，实用性强、焊接操作简便、高效节能，适用于高强风塔制造推广应用。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例1的焊接示意图；

图2是本发明实施例1的焊缝裂纹情况图，图2(a)表示焊缝断面裂纹情况，图2(b)表示焊缝表面裂纹情况。

图3是本发明实施例2的焊接示意图；

图4是本发明实施例2的焊缝裂纹情况图，图4(a)表示焊缝断面裂纹情况，图4(b)表示焊缝表面裂纹情况。

图5是本发明实施例3的焊接示意图；

图6是本发明实施例3的焊缝裂纹情况图，图6(a)表示焊缝断面裂纹情况，图6(b)表示焊缝表面裂纹情况。

图中标记：R-坡口装配间隙，T-钢板厚度，α-正面坡口角度，β-反面坡口角度，B-根部钝边，图中焊缝处的数字表示焊接道次。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，为本发明所述一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法的一种较佳实施方式，其方法包括：

钢板为：材质采用热机械轧制处理生产的Q500ME，屈服强度≥500MPa，尺寸为长600mm×宽300mm×厚12mm，在环境温度不低于25℃下焊前不预热焊接，按GB/T 4675.1标准进行室温下斜Y坡口试验，焊缝裂纹情况结果如图2所示，结果表明焊缝断面/表面无裂纹，可见不预热焊接可有效防止焊接冷裂纹的产生。

焊接材料选用：埋弧焊丝的化学成分按重量百分比计包括：C：0.07％，Mn：1.65％，Si：0.21％，S：0.006％，P：0.005％，Ni：0.68％，Mo：0.34％，Ti：0.09％，余量为Fe及不可避免杂质；埋弧焊丝的直径为4.0mm；埋弧焊剂为SJ102G，碱度为1.9，埋弧焊剂在使用前经350℃烘焙2h；

埋弧焊坡口采用无坡口，坡口装配间隙R为0～1mm；

对钢板对接接头以焊接材料进行埋弧焊接，焊接参数：在环境温度不低于25℃下焊前不预热，焊接电流为630A，焊接电压为33V，焊接速度为42cm/min，焊接热输入量为30KJ/cm，对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，道间温度控制在150～180℃；

焊接后采用250℃保温2h后，采用保温棉盖住对接钢板进行缓冷热处理至室温，实现消氢处理，得到焊后成品。

实施例2：

如图2所示，为本发明所述一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法的一种较佳实施方式，其方法包括：

钢板为：材质采用热机械轧制处理生产的Q500ME，屈服强度≥500MPa，尺寸为长600mm×宽300mm×厚20mm，在环境温度不低于25℃下焊前不预热焊接，按GB/T 4675.1标准进行室温下斜Y坡口试验，焊缝裂纹情况结果如图4所示，结果表明焊缝断面/表面无裂纹，可见不预热焊接可有效防止焊接冷裂纹的产生。

焊接材料选用：埋弧焊丝的化学成分按重量百分比计包括：C：0.06％，Mn：1.65％，Si：0.23％，S：0.007％，P：0.008％，Ni：0.62％，Mo：0.33％，Ti：0.10％，余量为Fe及不可避免杂质；埋弧焊丝的直径为4.0mm；埋弧焊剂为SJ102G，碱度为1.9，埋弧焊剂在使用前经350℃烘焙2h；

埋弧焊坡口采用V型坡口，V型坡口角度α为60°，根部钝边为4mm，坡口装配间隙R为1mm；

开坡口加工后对钢板对接接头以焊接材料进行埋弧焊接，焊接参数：在环境温度不低于25℃下焊前不预热，焊接电流为680A，焊接电压为32V，焊接速度为42cm/min，焊接热输入量为32KJ/cm，对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，道间温度控制在150～180℃；

焊接后采用250℃保温2h后，采用保温棉盖住对接钢板进行缓冷热处理至室温，实现消氢处理，得到焊后成品。

实施例3：

如图3所示，为本发明所述一种高强风塔用钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法的一种较佳实施方式，其方法包括：

钢板为：材质采用热机械轧制处理生产的Q500ME，屈服强度≥500MPa，尺寸为长600mm×宽300mm×厚40mm，在环境温度不低于25℃下焊前不预热焊接，按GB/T 4675.1标准进行室温下斜Y坡口试验，焊缝裂纹情况结果如图6所示，结果表明焊缝断面/表面无裂纹，可见不预热焊接可有效防止焊接冷裂纹的产生。

焊接材料选用：埋弧焊丝的化学成分按重量百分比计包括：C：0.08％，Mn：1.67％，Si：0.20％，S：0.008％，P：0.005％，Ni：0.65％，Mo：0.35％，Ti：0.09％，余量为Fe及不可避免杂质；埋弧焊丝的直径为4.0mm；埋弧焊剂为SJ102G，碱度为1.9，埋弧焊剂在使用前经350℃烘焙2h；

埋弧焊坡口采用非对称X型坡口，非对称X型坡口的正面坡口角度α为50°，正面坡口深度占钢板厚度的2/3，反面坡口角度β为70°，根部钝边B为4mm，反面坡口的深度与根部钝边之和占钢板厚度的1/3，坡口装配间隙R为1mm；

开坡口加工后对钢板对接接头以焊接材料进行埋弧焊接，焊接参数：在环境温度不低于25℃下焊前不预热，焊接电流为680A，焊接电压为34V，焊接速度为38cm/min，焊接热输入量为36KJ/cm，对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，道间温度控制在150～180℃；

焊接后采用250℃保温2h后，采用保温棉盖住对接钢板进行缓冷热处理至室温，实现消氢处理，得到焊后成品。

对比例1：

一种钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法，与实施例2的区别在于焊前预热温度为80℃，得到焊后成品。

对比例2：

一种钢板Q500ME的埋弧焊焊接方法，与实施例3的区别在于焊接热输入量为38KJ/cm，得到焊后成品。

取实施例和对比例所得焊后成品，按GB/T228.1标准进行拉伸试验，按GB/T229进行冲击试验，按GB/T232进行弯曲试验，按GB/T 4675.1标准进行焊接裂纹试验，对焊接接头的力学性能进行检测，焊接接头的拉伸、侧弯性能、探伤等级和冲击性能如表1所示：

表1.不同成品焊接接头的性能

由上表1可见，实施例1～3的焊接接头综合力学性能优良，达到了较好的强韧性匹配，满足焊接接头抗拉强度≥620MPa，-40℃冲击功≥31J，接头侧弯d＝4a，180°合格的要求，对比例1和实施例2，进一步说明不预热焊接对焊接接头性能基本无影响，采用不预热可行且成本更低，而对比例2和实施例3，可见为保证焊接接头性能安全富余量充足，焊接热输入≤36KJ/cm时性能较适宜。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。