风电安装焊接工艺研究

1.概述

100t自升式风电安装船是一艘主要用于海上风电设备的安装或其他水上以及岸边各种大型设备吊装任务的海洋工程装备。既可以在最大水深40m范围内泥砂质海底海域或相类似海域按自升式平台型式进行作业，也能够在浮态时降载吊重作业，并且具备作业现场自动移船及DP1动力定位系统。船体升降采用4条圆柱形桩腿，单腿最大提升力3500t，最大支撑力7000t。本文主要针对桩腿固定轴套焊接工艺进行研究，轴套材质为42CrMo，长度为1118mm，直径为790mm，壁厚120mm；基座材质为EQ56，板厚51mm。设计要求异种钢焊接抗拉强度≥670MPa，横向冲击吸收能量在-10℃情况时≥20J，焊缝金属必须在焊态下达到相关力学要求，为确保焊接质量达到设计要求，本文从以下几个方面进行研究。

2.42CrMo锻件与EQ56钢的化学成分及力学性能

（1）母材的化学成分及力学性能42CrMo锻件、EQ56钢的化学成分及力学性能分别如表1~表4所示。由表1~表4可知，42CrMo锻件与EQ56钢的化学成分与和力学性能完全满足GB/T17107—1997以及ABS的标准要求。但是由于两种钢材的强度较高，其碳当量值较大，按照美国焊接学会AWS推荐碳当量计算公式分别对两种钢的碳当量进行计算，42CrMo碳当量为0.79，EQ56碳当量为0.50，根据经验CE=0.4~0.6说明钢材淬硬倾向较大，焊接性较差，需焊前预热等，CE＞0.6时，焊接性差，属于难焊材料，需采用较高的焊前预热以及严格的焊接工艺（如焊接热输入、道温控制等）以获得良好的焊接接头性能。

3.焊接材料选择

42CrMo锻件和EQ56钢焊接时，由于其强度等级不同属于异种钢焊接，根据标准要求，选择的焊材强度等级与EQ56大致相当，扩散氢含量≤5mL/100g，本文采用焊条电弧焊进行试验研究，焊材选用新日铁的NSSWL—74S，焊接材料的化学成分及相关力学性能如表5和表6所示。

4.焊接工艺试验

（1）坡口准备由于轴套只能从两侧焊接，焊接坡口形式采用带衬垫单面单边V形坡口，具体焊接形式与几何尺寸如附图所示。（2）预热温度一个接头由具有不同最低预热温度要求的母材构成，那么确定最低预热温度和道间温度时，必须取这些最低预热温度中的最高值，也就是说预热温度以42CrMo锻件的最低预热温度作为两种钢材焊接的预热温度。依照氢含量控制法公式计算Pcm＝0.5233，依照低合金钢经验公式求得42CrMo钢最低预热温度为280℃。由于42CrMo钢淬硬倾向性大，母材金属热影响区容易产生低塑性的淬硬组织，工件越厚，则淬硬倾向越大。该焊件刚性大，若焊条或焊接工艺选用不当，在焊件冷却至300℃以下时，容易沿热影响区的淬硬区产生冷裂纹。为此将预热温度及道间温度控制在（300±20）℃区间范围内。（3）焊接参数两种母材均经过调质处理，在调质状态下进行焊接，最理想的焊接热循环应是高温停留时间要短，而冷却速度要慢。前者可避免过热区奥氏体晶粒粗化，减轻了高温回火区的软化；后者使过热区获得的是对冷裂敏感性低的组织。为此，用小的焊接热输入，保持合理的预热及道间温度，焊后立即进行后热是试验成功关键，现场试验焊接参数如表7所示。（4）后热处理焊接完成后立即对焊件进行后热，后热的作用是让扩散氢能够充分的逸出。后热不仅能消氢，也能韧化热影响区和焊缝组织，特别对淬硬性较大的调质钢效果更为明显。后热温度根据经验选择（300±20）℃，后热保温时间为2h，且后热完成后焊接件依旧保持硅酸铝纤维毯完全覆盖，直至缓冷至室温。

5.试验结果

（1）无损检测焊后24h对试板进行目检（VT）、磁粉检测（MT）、超声波检测（UT），试板的外观和无损检测结果符合ISO5817B级标准要求。（2）拉伸试验横向拉伸及焊缝金属纵向试验的抗拉强度强度以EQ56抗拉强度为参考，即抗拉强度≥670MPa为合格，相关数据如表8所示。（3）弯曲试验将试样弯曲至180°，弯曲试样表面任何方向上表面缺陷不得超过3mm，试验结果：弯曲试样表面无任何可见裂纹，试样合格。（4）冲击试验本次冲击试验共取冲击试样8组，每组3个试样，并按不同的试验温度，不同位置，要求分别进行了试验，相关数据如表9所示。（5）硬度试验硬度测试结果对规定屈服强度≤420MPa的钢材，一般不应超过350HV，对规定屈服强度在420~690MPa之间的钢材应不超过420HV。硬度试验数据如表10所示。设计要求冲击试验的韧性要求横向冲击吸收能量在-10℃情况下≥20J。通过上表相关试验数据表明，焊缝金属韧性达到并超过设计要求，韧性储备充足。

6.结语

42CrMo锻件和EQ56焊接选用新日铁的NSSWL—74S焊条，预热（300±20）℃，打底焊采用小电流122~125A（f3.2mm），填充与盖面焊适当增大焊接电流至160A（f4.0mm），以提高焊接效率。焊后300℃×2h后热，可获得完全满足设计要求的焊接接头性能。

作者:田小林 吴正峰 沈波 单位:南通振华重型装备制造有限公司