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[摘要]通过对Q345E钢进行焊接工艺评定试验，确定了焊接发电机底架的焊接材料，并应用于风力发电机底架焊接，取得了良好的效果。
[关键词]Q345E钢焊接工艺试验
中图分类号：TE972+.5 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）31―0383―01
21世纪是可再生能源的世纪，在常规能源紧张和生态环境遭遇污染的今天，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已经越来越受到重视，风力发电又是新能源的发电技术中最成熟和最具规模的发电方式之一。近几年来，我国的风力发电事业也得到了很快的发展。我公司为了拓展外部市场，承制了2.0MW风力发电机底架。选用合适的焊材和合理的焊接工艺是成功完成底架焊接的关键。为此我们做了一系列焊接工艺评定试验，确定了焊接材料和焊接工艺参数，并在发电机底架上应用。
一、Q345E钢的性能
我公司承制的风力发电机底架产品原材料为遵照GB/T1591-2008标准的Q345E。其化学成分和力学性能分别见表1、表2。
表1Q345E钢的化学成分（质量分数）（%）
C Si Mn P S Nb V Ti Cr Ni Cu N Mo B Als
不大于 不小于
≥0.18 ≤0.50 ≤1.70 0.025 0.020 0.07 0.15 0.20 0.30 0.50 0.30 0.012 0.10 --- 0.015
表2Q345E钢的力学性能
屈服强度（Rel）/Mpa 抗拉强度（Rm）/Mpa 断后伸长率（A）/% 冲击吸收能量（KV2）/J（-40℃）
≤16mm ＞16mm～40mm ≤40mm ≤40mm 12mm～150mm
≥345 ≥335 470～630 ≥21 ≥34
二、焊接工艺和焊接材料的选择
为了达到焊缝和母材的力学性能相当，在选择焊材时应以母材的力学性能为基准，而不是以化学成分来选择与母材成分一致的焊接材料。根据等强匹配的原则，考虑到既要满足设计要求又要符合实际情况，我们选择了熔化极气体保护焊，选择了ISO14341-A标准的G4Si1的焊丝作为填充金属。
三、工艺评定试验
（1）试验依据及试板尺寸。试验选用标准为ISO 15614-1：2004《金属材料
焊接工艺规程及评定——焊接工艺评定试验——第一部分：钢的弧焊和气焊镍及镍合金的弧焊》。
（2）碳弧气刨清根处理。正面焊接完成后，背面要用碳弧气刨进行清根。
（3）焊接完成后做焊接工艺评定试验。根据试验结果，拉伸试验断在热影响区上，断裂部位具有明显缩颈现象，且抗拉强度均高于母材。可见在检验的焊接条件下，焊缝并不是薄弱环节，表明了本次试验所采用的焊接材料和焊接工艺规范是合理的。
（4）为进一步验证底架所采用的T型接头形式的焊接熔合效果，在焊接生产前我们仿制底架产品上焊缝相同的难度系数（包括：相同的坡口形状、相同的焊接位置、相同的工艺参数等）焊接了工作试件。
四、风力发电机底架的焊接
1．焊接材料和焊接参数
风力发电机底架材质为Q345E，板厚在6mm到40mm不等。
为使焊缝具有与母材匹配的低温韧性，采用了ISO14341-A标准的G4Si1的焊丝（ø1.2mm）作为底架的焊接材料，焊接气体选用80%Ar+20%CO2焊接参数见表3、表4。
表3焊接接头准备（图）：
焊接接头形式 焊接顺序
表4焊接工艺参数：
焊道 工艺方法 焊材规格（mm） 电流强度（A） 电弧电压（V） 电流种类/极性 焊接速度（mm s） 热输入（KJ/mm）
1 135 ф1.2 160-200 16-20 DCEP/- 14.4-16.2 0.64-0.89
2 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
3 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
4 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
保护气体/焊剂 电弧保护 80%Ar+20%CO2 气体流量
（L/min） 电弧保护 15-20
根部保护 无 根部保护 无
2．焊接工艺措施
（1）选择合理的焊接方法
焊接时采用多层多道焊，以使最大限度的减小过热。同时，采用小电流、高速焊增加焊道数量以减少每条焊道的热输入。为控制热输入，运枪时不做摆动，以免引起晶粒粗化和避免焊缝保护不良而侵入空气。
（2）严格清理焊道
焊接前对底架的待焊处两侧用砂轮机打磨至露出金属光泽再进行焊接。每焊完一道焊缝，必须对其宏观质量进行认真检查，发现熔渣、飞溅物、夹渣、气孔等，必须彻底清理干净，为下一道的焊接创造有利条件。
（3）控制层间温度
为了保证热影响区的韧性，防止热影响区晶粒粗大，层间温度控制在150-200℃，当层间温度＞200℃时，可视情况间歇一段时间后再继续施焊。
3、焊后热处理工艺
产品焊接后，在焊缝处由于组织不均匀，存在很大的内应力，在局部高应力集中区往往产生双向和三向拉应力状态，而在该应力状态下钢的塑性和韧性将大幅度降低。焊后去应力退火可以消除内应力，改善接头组织，使其韧性得到提高。因此，在产品焊接完成后，我们采取了去应力退火工艺，以保证焊接接头韧性得到改善。
4、焊接变形的控制
发电机底架要求焊后底面的平面度不大于5mm，直线度、对角线不大于3mm，因此在底架制作过程中，控制焊接变形尤为关键。为了减少焊接变形，我们采取了如下措施：
（1）选择合理的焊接顺序
我们选择了先焊接底板和腹板之间的长焊缝，然后焊接腹板和上盖板之间的焊缝，将焊接变形调整好后，再焊接前后的连接板，最后焊接筋板等件。
（2）增加刚性固定装置
在选择刚性固定装置时，不宜选择点式的刚性固定装置，这样容易导致梁翼的波浪形扭曲变形，而应选用线面式刚性固定装置，这样即便产生变形，也是整体变形，更容易矫正。在焊接底架梁翼时，我们采用线面性刚性固定装置，较好的控制了焊接变形。
（3）预留收缩量
按照经验，底架焊接组装时，分别在高度和宽度方向上预留3-5mm收缩量，弥补了焊接收缩变形，保证整个底架的尺寸。
五、结论
（1）采用熔化极活性气体保护焊焊接Q345E发电机底架，采用ISO14341-A标准的G4Si1焊丝，并采用合理的焊接工艺规范，能够保证焊缝达到母材的强度要求。
（2）焊前工作试件，能够更好的保证产品焊接质量。
（3）焊后热处理工艺可以达到消除内应力，使接头韧性得到提高。
（4）合理的焊接顺序、适宜的刚性固定装置以及预留合理的收缩量能够较好的控制焊接变形。
参考文献
[1] 李玉生 青藏线机车车辆用Q345钢材的焊接工艺研究 [期刊论文] 《冷热工艺》2004年第六期
[2] 赵博韬 风电主机架用Q345E钢的焊接工艺研究 [期刊论文] 《金属加工》2010年第四期
[关键词]Q345E钢焊接工艺试验
中图分类号：TE972+.5 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）31―0383―01
21世纪是可再生能源的世纪，在常规能源紧张和生态环境遭遇污染的今天，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已经越来越受到重视，风力发电又是新能源的发电技术中最成熟和最具规模的发电方式之一。近几年来，我国的风力发电事业也得到了很快的发展。我公司为了拓展外部市场，承制了2.0MW风力发电机底架。选用合适的焊材和合理的焊接工艺是成功完成底架焊接的关键。为此我们做了一系列焊接工艺评定试验，确定了焊接材料和焊接工艺参数，并在发电机底架上应用。
一、Q345E钢的性能
我公司承制的风力发电机底架产品原材料为遵照GB/T1591-2008标准的Q345E。其化学成分和力学性能分别见表1、表2。
表1Q345E钢的化学成分（质量分数）（%）
C Si Mn P S Nb V Ti Cr Ni Cu N Mo B Als
不大于 不小于
≥0.18 ≤0.50 ≤1.70 0.025 0.020 0.07 0.15 0.20 0.30 0.50 0.30 0.012 0.10 --- 0.015
表2Q345E钢的力学性能
屈服强度（Rel）/Mpa 抗拉强度（Rm）/Mpa 断后伸长率（A）/% 冲击吸收能量（KV2）/J（-40℃）
≤16mm ＞16mm～40mm ≤40mm ≤40mm 12mm～150mm
≥345 ≥335 470～630 ≥21 ≥34
二、焊接工艺和焊接材料的选择
为了达到焊缝和母材的力学性能相当，在选择焊材时应以母材的力学性能为基准，而不是以化学成分来选择与母材成分一致的焊接材料。根据等强匹配的原则，考虑到既要满足设计要求又要符合实际情况，我们选择了熔化极气体保护焊，选择了ISO14341-A标准的G4Si1的焊丝作为填充金属。
三、工艺评定试验
（1）试验依据及试板尺寸。试验选用标准为ISO 15614-1：2004《金属材料
焊接工艺规程及评定——焊接工艺评定试验——第一部分：钢的弧焊和气焊镍及镍合金的弧焊》。
（2）碳弧气刨清根处理。正面焊接完成后，背面要用碳弧气刨进行清根。
（3）焊接完成后做焊接工艺评定试验。根据试验结果，拉伸试验断在热影响区上，断裂部位具有明显缩颈现象，且抗拉强度均高于母材。可见在检验的焊接条件下，焊缝并不是薄弱环节，表明了本次试验所采用的焊接材料和焊接工艺规范是合理的。
（4）为进一步验证底架所采用的T型接头形式的焊接熔合效果，在焊接生产前我们仿制底架产品上焊缝相同的难度系数（包括：相同的坡口形状、相同的焊接位置、相同的工艺参数等）焊接了工作试件。
四、风力发电机底架的焊接
1．焊接材料和焊接参数
风力发电机底架材质为Q345E，板厚在6mm到40mm不等。
为使焊缝具有与母材匹配的低温韧性，采用了ISO14341-A标准的G4Si1的焊丝（ø1.2mm）作为底架的焊接材料，焊接气体选用80%Ar+20%CO2焊接参数见表3、表4。
表3焊接接头准备（图）：
焊接接头形式 焊接顺序
表4焊接工艺参数：
焊道 工艺方法 焊材规格（mm） 电流强度（A） 电弧电压（V） 电流种类/极性 焊接速度（mm s） 热输入（KJ/mm）
1 135 ф1.2 160-200 16-20 DCEP/- 14.4-16.2 0.64-0.89
2 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
3 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
4 135 ф1.2 220-260 20-24 DCEP/- 14.4-16.2 1.1-1.38
保护气体/焊剂 电弧保护 80%Ar+20%CO2 气体流量
（L/min） 电弧保护 15-20
根部保护 无 根部保护 无
2．焊接工艺措施
（1）选择合理的焊接方法
焊接时采用多层多道焊，以使最大限度的减小过热。同时，采用小电流、高速焊增加焊道数量以减少每条焊道的热输入。为控制热输入，运枪时不做摆动，以免引起晶粒粗化和避免焊缝保护不良而侵入空气。
（2）严格清理焊道
焊接前对底架的待焊处两侧用砂轮机打磨至露出金属光泽再进行焊接。每焊完一道焊缝，必须对其宏观质量进行认真检查，发现熔渣、飞溅物、夹渣、气孔等，必须彻底清理干净，为下一道的焊接创造有利条件。
（3）控制层间温度
为了保证热影响区的韧性，防止热影响区晶粒粗大，层间温度控制在150-200℃，当层间温度＞200℃时，可视情况间歇一段时间后再继续施焊。
3、焊后热处理工艺
产品焊接后，在焊缝处由于组织不均匀，存在很大的内应力，在局部高应力集中区往往产生双向和三向拉应力状态，而在该应力状态下钢的塑性和韧性将大幅度降低。焊后去应力退火可以消除内应力，改善接头组织，使其韧性得到提高。因此，在产品焊接完成后，我们采取了去应力退火工艺，以保证焊接接头韧性得到改善。
4、焊接变形的控制
发电机底架要求焊后底面的平面度不大于5mm，直线度、对角线不大于3mm，因此在底架制作过程中，控制焊接变形尤为关键。为了减少焊接变形，我们采取了如下措施：
（1）选择合理的焊接顺序
我们选择了先焊接底板和腹板之间的长焊缝，然后焊接腹板和上盖板之间的焊缝，将焊接变形调整好后，再焊接前后的连接板，最后焊接筋板等件。
（2）增加刚性固定装置
在选择刚性固定装置时，不宜选择点式的刚性固定装置，这样容易导致梁翼的波浪形扭曲变形，而应选用线面式刚性固定装置，这样即便产生变形，也是整体变形，更容易矫正。在焊接底架梁翼时，我们采用线面性刚性固定装置，较好的控制了焊接变形。
（3）预留收缩量
按照经验，底架焊接组装时，分别在高度和宽度方向上预留3-5mm收缩量，弥补了焊接收缩变形，保证整个底架的尺寸。
五、结论
（1）采用熔化极活性气体保护焊焊接Q345E发电机底架，采用ISO14341-A标准的G4Si1焊丝，并采用合理的焊接工艺规范，能够保证焊缝达到母材的强度要求。
（2）焊前工作试件，能够更好的保证产品焊接质量。
（3）焊后热处理工艺可以达到消除内应力，使接头韧性得到提高。
（4）合理的焊接顺序、适宜的刚性固定装置以及预留合理的收缩量能够较好的控制焊接变形。
参考文献
[1] 李玉生 青藏线机车车辆用Q345钢材的焊接工艺研究 [期刊论文] 《冷热工艺》2004年第六期
[2] 赵博韬 风电主机架用Q345E钢的焊接工艺研究 [期刊论文] 《金属加工》2010年第四期