【摘要】通过对风电机组基础环材料焊接性分析，对低温风机基础环焊接工艺进行研究。通过对不同类型的焊缝提出合理焊接工艺，解决了厚板焊接、法兰平面度等技术难题，并将振动时效方法应用于残余应力消除。结果表明：对提高塔筒生产效率和质量要求，具有实际指导意义。
关键词：风力发电；基础环；焊接；残余应力消除；工艺
风电机组基础环是连接塔筒和塔筒基础最重要的预埋连接件，是承受和传递风机与筒体各种力的最主要构件。风机基础环虽然重量只有10余t，但由于受力复杂、受力大，尤其在低温环境工况下使用的基础环（见图1），所用钢板厚度大，需要较多焊接层道，各焊接层道间相互影响较大。另外，焊接所需时间较多，形成的焊接热影响区较大，质量要求高，生产难度大。
（1）母材性能 基础环主要由上法兰、筒体及下法兰等组成。其中，上法兰为整体锻造，材质为Q345E—Z35；下法兰为6片钢板拼焊，材质为Q345E—Z35，板厚100mm；筒体材质为Q345E，板厚50mm。锻造法兰热处理状态为正火+回火，所有钢板为正火状态交货。其化学成分和力学性能如表1、表2所示。
从复检结果看，母材力学性能和化学成分符合国家标准GB/ T1591—2008的各项要求要求，Z向性能符合GB5313—2010要求。基础环筒体和下法兰钢板厚度符合GB/T 709—2006 B级规定；钢板按每个生产批号不少于10%比例进行超声波探伤UT检测，按NB/T 47013—2015Ⅰ级以上为合格。
（2）焊接性分析 根据国际焊接学会（IIW）推荐碳当量计算式为：CE(IIW)=C+Mn/6+(C r+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
图1 基础环结构示意
表1 母材化学成分复检分析（质量分数） （%）
表2 母材的力学性能复验结果
注：Z向断面收缩率复验试件采用 10mm的圆形试棒。
根据计算式计算碳当量分别为：①上法兰（Q345E—Z 3 5）：0.4 2%。②筒体（Q345E）：0.43%。③上法兰（Q345E—Z35）：0.43%；碳当量均＞0.4%。因此，母材有一定的淬硬倾向，尤其板厚较大，最大达110mm，焊接冷却速度快，焊后易产生硬而脆的马氏体淬硬组织。随着钢板厚度增大，焊接约束度大和焊接内压力大急剧增大，冷裂倾向变大，焊接性变差。故生产中必须采用合格的焊接工艺 ，如焊接材料、焊接热输入、焊前预热、后热 、多层焊，以及焊接顺序等措施，方可保证焊接质量。
根据基础环直径大的结构特点，单条焊缝长度较大，筒体与上下法兰钢板均为中厚板，采用埋弧焊能够充分彰显生产效率高的优势，但埋弧焊的焊接电流大，焊缝热输入较大，会使焊缝低温冲击韧性降低，对焊接力学性能不利。因此，要保证焊接接头的强度及低温缺口韧性等力学性能，必须选择合适的焊丝、焊剂，采用科学合理的焊接参数，采取合理的工艺措施，严格管理，方可实现。通过焊接试验，确定控制热输入＜40kJ/cm。
基础环由于在-40℃这样极端环境中使用，对焊缝的低温性能，尤其是冲击韧性要求高。为此，综合考虑选择的埋弧焊焊接材料为：焊丝H10Mn2，焊丝直径为4.0mm，符合GB／T12470—2003，选配烧结焊剂SJ101。
基础环下法兰拼焊示意如图2所示，单条焊缝长仅为534mm，长度短，采用 CO2气体保护焊焊接。焊材选用药芯焊丝E501T—1L，其熔敷金属经微量元素韧化处理，在－40℃以上仍然具有优良的低温韧性，较低的扩散氢含量。抗裂性好，内在质量稳定可靠，适合下法兰拼接焊缝焊接。
（1）坡口制备 试板Q345E，坡口采用X形，如图3所示。其中，埋弧焊采用板厚28mm试板，编号PD－1, CO2气体保护焊采用板厚60mm试板，编号PD－2。坡口加工采用氧乙炔火焰切割，并清除坡口边缘50mm范围内铁锈、氧化皮及油污等污物。
图2 基础环下法兰拼焊示意
（2）焊接参数 具体焊接参数如表3、表4所示。
（3）焊接工艺评定 对以上焊接工艺进行了评定，结果均如下：首先，无损探伤。经X射线探伤，结果符合NB/T 47013—2015 Ⅱ级。
其次，焊接接头力学性能，结果如表5所示。
由表5可知，焊接工艺评定埋弧焊PD－1试板、CO2气体保护焊PD－2试板结果，接头拉伸试样塑断于母材，抗拉强度分别为550 MPa/538 MPa，大于母材抗拉强度的下限值470MPa/450 MPa，说明焊缝接头的抗拉强度均符合要求，且高于母材强度。在弯曲试验中，所有试样经过180°侧弯之后，没有发现裂纹等缺陷，弯曲面上没有开裂，均符合要求，焊缝具有良好的塑性。焊缝试样的-40℃夏比冲击试验，焊接接头各部分的冲击吸收能量均＞34J，其低温冲击韧性符合要求，焊缝接头具有较好的冲击韧性。综合来看，焊缝接头各项性能指标较好，具有良好的综合力学性能，符合NB/ T47014—2011 焊接工艺评定规定。
图3 试板坡口及焊道布置
表3 埋弧焊焊接参数
注：背缝碳弧气刨清根。
试板编号焊道焊丝直径/mm电源种类和极性焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1焊接热输入/kJ·cm-11 4.0 DC,RP 520～570 31～33 30～36≤34.0 2 4.0 DC,RP 580～620 32～34 30～36≤38.0 3～6 4.0 DC,RP 620～670 33～35 32～38≤38.0 7 4.0 DC,RP 630～680 33～36 35～42≤36.0 8～10 4.0 DC,RP 640～680 33～35 32～38≤39.0 11～12 4.0 DC,RP 620～670 33～35 34～40≤38.0 PD－1
表4 CO2气体保护焊试验参数
注：背缝碳弧气刨清根。
编号焊道焊丝直径/mm试板气体流量/ L·min-1焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1预热温度/℃层间温度/℃PD－2打底1.6 20～25 270～320 33～35 30～40 100～150—填充1.6 20～25 320～400 34～36 25～35 100～150≤250盖面1.6 20～25 300～380 33～35 30～40 100～150≤250
表5 焊接工艺评定焊接接头力学性能
试件编号拉伸侧弯180°（d=3a）冲击试验/J（-40℃）抗拉强度/MPa断裂位置焊缝熔合线+热影响区PD－1 550母材4付合格68 82 105 116 152 185 PD－2 538母材4付合格85 78 126 96 114 106
（1）筒体纵缝焊接 ①基础环筒体纵缝采用X形坡口，采用双面焊，焊接工艺与PD－1试板一致，先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝，为保证全熔透，焊接外环焊缝前，碳弧气刨清根，打磨坡口渗碳层。②焊前在焊缝两端设置与母材同材质、同坡口的引、熄弧板，组对时一定注意对平对齐，同时间隙不宜过大。③每批首件在纵缝末端带焊接产品试板，与该纵缝相同工艺参数施焊。
（2）下法兰组对焊缝的焊接 第一，基础环组对焊缝下法兰采用X形坡口，正反面坡口角度均为50°±2.5°，钝边2m m。切忌强行组对，造成应力过大。6片拼装法兰严格控制外圆直径偏差+5～+2mm，组装间隙控制在2mm以内，错边量≤2m m。组装合格的下法兰放置在风力发电基础环下法兰拼焊装置（专利号:ZL201120232788.0）固定，6片法兰片在拼焊时通过调节调整丝杆使拼装法兰压紧，从而避免了法兰焊接过程中的变形，有效提高了焊接质量。
第二，厚板焊后冷却速度快，焊缝及热影响区易形成淬硬组织，焊接应力大。焊前预热是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头组织与性能。下法兰厚度110mm，焊接工艺评定试板厚60mm，实际焊接在试板预热温度50～80℃基础上适当提高，实际生产按100～150℃控制。焊前对待焊下法兰用履带式加热器进行预热，预热温度为150℃，用红外线测温仪在坡口边缘100mm处测量。
第三，每个法兰由两名焊工对称均布在两侧焊接。采取合理焊接工艺顺序，以尽量避免焊接变形，采用对称施焊，随时用平尺、钢尺随时检查焊接变形，根据变形量随时调整焊接顺序。用CO2气体保护焊先焊接大坡口侧焊缝6层。施焊6层后翻身，小坡口面用碳弧气刨清根，然后用磨光机将清根处打磨干净，当反面焊接6层后翻身再焊接正面。两面交替焊接，焊接层数为4～6层。当焊接至表层时，先将小坡口面焊缝面层焊完，再焊大坡口面焊缝。
第四，采用左焊法，焊枪倾角控制在100°～150°内，打底焊作直线运动，以后焊道可允许少量横向摆动，焊缝摆动宽度≤18mm，焊道＞15mm时，采用多道焊接。每道焊后，清理焊渣等杂物，发现裂纹缺陷，必须清除干净，并用着色检查清除干净。
第五，焊后消氢处理，焊后立即用履带式加热片将焊缝加热到250～350℃，覆盖保温棉，保温2h后空冷，可加速氢的逸出出，防止冷裂纹的产生，保证焊接质量。
（3）筒体与下法兰组合角焊缝的焊接 ①焊前预热温度80～120℃。②基础环筒体与下法兰焊缝为组合角焊缝，为更好保证焊接质量，在风机基础环下法兰组合角焊缝装置上焊接，埋弧焊机放置于操作平台的位置，焊丝可以直接伸进筒体坡口根部。这样不仅有利于提高焊接熔深，保证了焊透，而且有效地改善焊缝成形和提高焊接效率。③先焊内侧3～5层，外侧清根，外侧焊完后转内侧焊缝完成。焊接过程随时观察焊接变形，并根据变形调整焊接顺序（见图4）。
（4）筒体与上法兰的焊接 首先，基础环筒体与上法兰焊缝为X形坡口对接焊缝，焊接时不仅要保证焊缝内部质量，而且要严格控制焊接变形。法兰焊接变形控制包括法兰焊后内倾量和法兰平面度。法兰内倾即角变形不合格，会使塔架螺栓受力恶化，严重影响螺栓寿命和法兰力学性能，要求内倾量0～1.5mm；法兰平面度影响法兰对接，如法兰对接不好，有间隙，将严重影响螺栓寿命，如平面度超差，会使受力不均产生变形，从而影响塔筒安装质量，实际生产按要求内倾量0～1.5mm控制。
其次，基础环筒体与上法兰采用无间隙组对，间隙不超过0.5mm，筒体组对前圆度≤10m m。应尽可能减小热输入，减小焊接变形。先焊接内侧，里侧留一遍外侧清根焊满后再将里侧焊满。
最后，焊后用激光测平仪测量法兰平面度、内倾度。
图4 基础环筒体与下法兰焊接
基础环钢板厚度大，焊接残余应力大，我公司基础环采用振动时效方法消应力。通过生产实践，与传统的加热时效相比，振动时效可节能90%，节约生产费用80%～90%，缩短生产周期90%左右，无环境污染，不受场地限制，时效效果直观。
基础环采用JG—T6Y系列全自动振动时效装置，由控制箱、激振器和加速度计组成。在基础环下法兰底部采用橡胶垫三个对称支撑，激振器夹在两橡胶垫中间，传感器放在另外两橡胶垫中间。基础环中间振动时效时间30min。设备设置完成启动后，设备进入定时自动运行过程，当时效（振前扫描后寻找亚共振点并进入时效状态）时间到设定时间后自动进入振后扫描，然后停止，整个扫描、时效过程，设备将按照最佳工艺自动完成。
振动处理过程中，出现了振幅-时间曲线上升后变平，振幅-频率曲线振后的比振前的峰值升高，或者振幅-频率曲线振后的比振前的峰值点左移等现象，根据振动时效JB/T 5926标准，可判定达到振动时效工艺效果。
(1）焊缝外观检查 焊缝表面不允许有裂纹、夹渣、气孔、漏焊、烧穿和未熔合等缺陷, 符合JB/T 7949—1999《钢结构焊缝外形尺寸》 规定。
(2）无损检测 所有筒体纵、环焊缝按NB/T 47013—2015 I级超声波探伤合格，所有“T”型接头射线探伤必须布片两张，纵缝和环缝位置各一张。塔筒法兰和筒体之间环向焊缝100%MT检查；按照JB 4730进行，验收等级为I级。
(3）产品焊接试板 每10台为一批，每批从中抽一台制作产品焊接试板，以同钢号、同厚度、同焊接工艺，试板试验抗拉强度达到545MPa，侧弯试验4支试样全部合格，-40℃冲击试验焊缝达到了76J、136J、121J,热影响区达到了68J、115J、82J，产品焊接试板试验结果全部合格，说明焊接工艺有效。
实践证明，采用综合焊接工艺措施，对低温风机基础环焊接质量和变形控制非常有效。生产完成的450余台低温风机基础环，焊缝探伤一次合格率达到了99.9%，法兰平面度、内倾度一次合格率达到了96%。采用振动时效消应力方法明显降低了生产成本，提高了工作效率，消应力效果也非常明显。采用的焊接工艺提高了产品外观质量和内在质量，得到了用户的好评。参考文献：
[1] 钟艺谋，朱锴年. 低温风机塔架焊接与变形控制[J].中国高新技术企业，2013(21)：72-75.
[2] 山秋萍.振动时效技术的应用[J]. 起重运输机械，1992(10)：32-34.
作者简介：朱锴年等，中国水电四局（酒泉）新能源装备有限公司，其中朱锴年为公司总工程师，主要从事新能源装备和大型钢结构工程制造安装技术研究工作。
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