Arc Welding Process and Properties for QT400-18AL in Wind Turbines

风电机组用QT400-18AL焊条电弧焊堆焊修复研究 Arc Welding Process and Properties for QT400-18AL in Wind Turbines 1 2 first-author 刘洪冰（1988—），男，博士，主要从事风电机组核心部件再制造的研究。E-mail：liuhb@lamic.com.cn。 刘洪冰（1988—），男，博士，主要从事风电机组核心部件再制造的研究。E-mail：liuhb@lamic.com.cn。 liuhb@lamic.com.cn 3 2 1 2 2 清华大学天津高端装备研究院 洛阳先进制造产业研发基地,河南 洛阳 471003 清华大学天津高端装备研究院 洛阳先进制造产业研发基地,河南 洛阳 471003 Luoyang Advanced Manufacturing Industry Center Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Luoyang 471003, China Luoyang Advanced Manufacturing Industry Center Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Luoyang 471003, China 大生清风(北京)科技有限公司,北京 100036 大生清风(北京)科技有限公司,北京 100036 Dasheng Tsing Wind (Beijing) Technology Co., Ltd., Beijing 100036, China Dasheng Tsing Wind (Beijing) Technology Co., Ltd., Beijing 100036, China 内蒙古第一机械集团有限公司,内蒙古 包头 014030 内蒙古第一机械集团有限公司,内蒙古 包头 014030 Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Baotou 014030, China Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Baotou 014030, China 风电机组中多处使用球墨铸铁QT400-18AL，包括偏航制动盘、发电机高速制动盘、偏航减速器底座等。经过一段时间运行，以上部件容易出现裂纹等失效形式，需要进行塔上在线修复。采用铸铁焊材LRF-01对QT400-18AL进行焊接试验，并测量其机械性能。试验结果表明：相对于Z308等传统焊材，采用LRF-01焊接QT400-18AL时，有效降低了裂纹、气孔等缺陷出现的概率，焊后机械性能满足风电机组的要求，证明LRF-01焊材可用于风电机组的部件修复。 QT400-18AL is widely used in wind turbines, such as yaw brake disc, generator brake disc, yaw reducer foundation. Cracks and other failures of these components will occur after the wind turbine operates for some time. Thus, repairing them as soon as possible is of great significance. We weld QT400-18AL with a new kind of welding rod LRF-01, and measure the mechanical properties and obtain the results. LRF-01 has its advantages compared to traditional welding rod, such as Z308. Welding defects such as cracks, blowholes are reduced. The mechanical properties of the welding samples can meet the requirements of the wind turbines. LRF-01 can be applied for repairing some components of wind turbines. 球墨铸铁QT400-18AL 铸铁焊材LRF-01 焊接性能 机械性能 风电机组 QT400-18AL spheroidal graphite cast iron LRF-01 welding performance mechanical property wind turbine 前言 1 风电具有绿色环保、装机规模灵活、成本低廉等诸多优势，近年来在我国建设速度很快，走出了一条高质量发展之路 ［ 1 1 ］ 。其中，球墨铸铁QT400-18AL属于高强度铸铁，并且具有良好的耐磨性和减震性，广泛应用于风电机组中的偏航制动盘、主机架、齿轮箱箱体等结构，其质量占叶轮和机舱的20%~30% ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。风电机组运行工况十分恶劣，长期工作在风载、冲击载荷、低温等工况下，加之球墨铸铁可能存在的质量问题，球墨铸铁结构件经过一段时间运行后容易出现裂纹等失效形式 ［ 2 2 ］ 。以往出现该问题时需要对风机机舱进行吊装，进而更换相关部件。由于备件采购需要相当长的周期，因此风机停机期间的发电量损失较大，若是海上风电则损失更大 ［ 4 4 ］ 。因此，亟需研发一种无需吊装、在塔上直接修复球墨铸铁件的技术。 焊接具有适应性广、成本较低等优势，在金属修复领域中有着广泛的应用，尤其是风机的偏航齿圈、变桨齿圈等部件的修复 ［ 5 5 ］ 。球磨铸铁强度较好，但由于其碳含量高及含有杂质和球化剂，焊接时热影响区冷却速度太快，并且球化剂中的部分合金元素阻碍石墨化。其中，热影响区内奥氏体会转变为马氏体，形成淬硬组织，半熔化区易出现白口，淬硬组织和白口容易萌生裂纹，导致开裂。因此，球磨铸铁焊接需要采取合适的焊接材料及相应工艺，以便获得良好的焊接接头性能。赵悦光等 ［ 6 6 ］ 对QT400-18的焊补工艺开展研究，选用Z308、Z408等焊材进行试验，发现焊后样件的抗拉强度和屈服强度与母材基本一致，且Z308焊条焊接的样件其硬度与母材更为接近，因此推荐选用Z308焊条。Tao Wei等 ［ 7 7 ］ 对不同补焊尺寸的QT400-18的拉伸行为进行分析，发现模量、强度和延展性随着焊缝尺寸的增加而降低，进而建立了一种估算补焊铸件宏观有效模量的方法。张现杰等 ［9］ 指出QT500-7球墨铸铁焊接中应严格控制焊接热输入，防止马氏体出现，可采用焊后锤击等方式去除焊接应力。然而，以往研究未关注QT400-18AL的焊接及其性能，而低温冲击韧性是风力发电机组用球墨铸铁件的关键参数之一，且采用Z308和Z408依然容易出现焊接裂纹，焊接质量有待提升。 本文采用内蒙古第一机械集团有限公司研发的新型铸铁焊材LRF-01进行QT400-18AL堆焊修复工艺研究，并进行了射线检测、着色探伤、拉伸试验、金相检验、硬度检验、冲击试验及疲劳试验。 材料及方法 1 母材 2 试验材料为60 mm厚度QT400-18AL（-20 ℃）低温球墨铸铁板件，其化学成分如 表1 表1 所示 ［ 10 10 ］ 。 C Si Mg Re Ni Mn P S Ti Cr 3.65±0.15 2.10±0.05 0.046±0.008 0.007±0.002 0.80±0.03 ≤0.10 ≤0.028 ≤0.015 ≤0.018 ≤0.023 同时，《GB/T 25390-2010风力发电机组 球墨铸铁件》对QT400-18AL的机械性能有明确规定，将铸件壁厚分为 T ≤30 mm、30＜ T ≤60 mm、60＜ T ≤200 mm三种情况，并给出了不同数值。本文采用的样件厚度尺寸均在30 mm以下，因此择取标准中的对应数值，如 表2 表2 所示。 抗拉强度 （最小值） R m /MPa 屈服强度 （最小值） R eL /MPa -20 ℃冲击功（平均值） A KV2 /J（Avg） -20 ℃冲击功（最小值） A KV2 /J（min） 400 240 12 9 按照 图1 图1 所示尺寸焊接两块板件，U型槽深度30 mm。焊后沿图中虚线切割样件，保留虚线右部留做试验。委托内蒙古第一机械集团股份有限公司计量检测中心开展了拉伸试验、硬度检验及金相检验，委托洛阳欣隆工程检测有限公司开展着色探伤、射线检测、焊缝区冲击试验和热影响区冲击试验，委托青岛艾德泰克检测技术有限公司开展疲劳试验。其中，使用WE600型万能材料试验机进行拉伸试验，使用XXH-3505定向射线机进行射线检测，使用DPT-5型渗透检测剂进行着色探伤，使用HV-1000显微维氏硬度计进行硬度检验，使用BX53M金相显微镜进行金相检验，使用JB-300B摆锤式冲击试验机进行冲击试验，使用MT810疲劳试验机进行疲劳试验。 焊接材料 2 选用 <math id="M1"><mi mathvariant="normal">ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292249&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292245&type= 1.94733346 3.38666677 3.2 mm铸铁焊条LRF-01，其化学成分如 表3 表3 所示。其中，焊芯材料为铁镍合金。该焊条在研发时充分考虑了铸铁含碳量高、焊接时易出现裂纹的实际情况，在元素含量设计及加工工艺设计方面，将避免焊接裂纹作为重要指标，因此增加了Co元素，确保焊材在灰口铸铁和球墨铸铁的焊接方面具有优势。 C Mn Si P S Ni Cu Al Co 其他 ≤2.0 ≤2.5 ≤4.0 ≤0.03 ≤0.03 35~50 ≤1.5 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 焊接工艺 2 （1）焊前清理及预热。使用角磨机、清洗剂等将样件堆焊处及周围20 mm范围内的油污、水分、氧化皮等杂质清除干净，堆焊处预热温度100~250 ℃。此外，若焊接环境温度低于15 ℃，须采取加热或防护措施。 （2）施焊。选用焊条电弧堆焊，焊接参数如 表4 表4 所示。铸铁焊条LRF-01烘干温度为350~400 ℃，保温时间1.5~2 h，烘干后缓冷放置于100~120 ℃保温箱中存放、待用。采用分段退步跳焊法，小电流快速焊，不摆动或微摆动操作技巧，道间搭接宽度为焊道宽度的1/3，每段焊缝焊接长度不超过40 mm，每次收弧时填满弧坑，每次焊后使用钝角小锤锤击松弛应力，锤击频率为2次/s。每层焊缝厚度不超过3 mm，每道焊缝宽度不大于8 mm，尽可能多层多道焊接，直至将30 mm深U型坡口填充焊接完成。焊接过程中将层道间温度严格控制在15~200 ℃范围内，焊件不做焊后热处理以模拟风电机组机舱内无法实施热处理的工况。焊接后的试样如 图2 图2 所示。 焊接电压 U /V 焊接电流 I /A 焊条直径 <math id="M2"><mi mathvariant="normal">ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292271&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292264&type= 1.43933344 2.45533323 /mm 焊速 v /（mm·s -1 ） 预热温度 T 1 /℃ 道间温度 T 2 /℃ 20~26 80~110 3.2 1.5~2.5 100 15~200 （3）打磨抛光切割。焊后对样件进行打磨，去除表面多余部分，使焊后焊材高度与母材大致相同。考虑到在高空并不具备使用铣床等加工装备的条件，且修复后的表面平整度要求较低，因此由操作者手持角磨机进行打磨，故不对表面的平面度、粗糙度等参数提出要求。切割后共得到14块样件，分别用于拉伸、金相、显微硬度、冲击、疲劳等试验，如 图3 图3 所示。 试样结果及分析 1 焊接性能 2 样件着色探伤结果如 图4 图4 所示，焊缝及热影响区无裂纹。同时，对2个样件做射线检测，检测比例100%，验收标准为NB/T 47013.2，检测结果为I级，表明该材料及工艺可有效减少裂纹。 采用Z308焊条焊接尺寸材料相同的样件，焊接工艺与LRF-01相同，将该样件与LRF-01焊接的样件一同做射线检测，检测结果如 图5 图5 所示。可以看到，采用Z308焊接的样件中心存在一条较长的裂纹，而采用LRF-01焊接的样件无裂纹。 1;2; 金相组织 2 对母材、热影响区和堆焊区域进行金相分析。母材金相组织以铁素体为基体，同时弥散分布着大量球状石墨组织（见 图6a） 图6a） 。熔合线周围铸铁白口化不明显（见 图6b） 图6b） ，焊缝与母材之间的结合区宽度极窄，焊缝与基材达到良好的冶金结合。堆焊区域金相组织为奥氏体基组织（见 图6c） 图6c） 。 1;2;3; 硬度检验 2 在距基材表面2 mm处划1条硬度检验线，焊缝中心左、右两侧各打3个点，硬度检验结果见 表5 表5 。 序号 焊缝中心左侧硬度/HV 焊缝中心右侧硬度/HV 1 182 185 2 187 180 3 173 180 机械性能 2 机械性能测试结果如 表6 表6 所示。 机械性能 数值 抗拉强度（最小值） R m /MPa 382 屈服强度（最小值） R eL /MPa 320 焊缝-20 ℃冲击功（平均值） A KV2 /J 12.7 焊缝-20 ℃冲击功（最小值） A KV2 /J 12.0 热影响区-20 ℃冲击功（平均值） A KV2 /J 6.8 热影响区-20 ℃冲击功（最小值） A KV2 /J 6.5 100 MPa条件下的应力循环次数 > 1×10 7 （1）抗拉强度。样件抗拉强度为382 MPa（最小值），达到标准的95%以上，从修复要求角度看，基本满足修复要求。 （2）屈服强度。样件屈服强度达到320 MPa以上，高于标准要求。 （3）冲击功。冲击试样完全冷却到-20 ℃后，立即在摆锤冲击试验机上进行试验。冲击试验结果表明，焊接后样件的焊缝冲击功平均值为12.7 J，最小值为12.0 J，达到标准要求。热影响区-20 ℃冲击功的平均值为6.8 J，最小值为6.5 J，低于标准要求的9 J，为标准值的72%。尽管热影响区冲击功相对较小，但从高空在线修复的角度而言，该数值已经可以满足修复要求。且通过检索文献，也未见能够达到更高数值的研究案例。若要提高热影响区冲击功，未来可考虑在条件允许的情况下进一步降低热输入。 （4）疲劳强度。《GB/T 25390-2010风力发电机组 球墨铸铁件》中并未对QT400-18AL的疲劳强度提出要求，但《GB/T 1348-2009 球墨铸铁件》中给出了QT400-18的疲劳强度应达到195 MPa，可作为参考。综合考虑风电机组的实际工况，将应力设定为100 MPa开展疲劳试验。试验表明，焊接后样件的应力循环次数超过了1×10 7 。考虑到《GB/T 25390-2010风力发电机组 球墨铸铁件》并未对QT400-18AL提出要求，且通过检索文献，也未见能够实现更高数值的研究案例，因此本研究的测试结果可供参考。 工程应用 1 在试验基础上选择江西某风场开展工程应用。该风场的风机为某国产1.5MW机型，其偏航制动盘的材质为QT400-18AL，经过数年运行，偏航制动盘发生了严重磨损。为恢复其尺寸，采用LRF-01焊材及工艺，在其表面采用对接焊缝形式焊接QT400-18AL制成的镶块，如 图7 图7 所示，着色探伤未发现裂纹等缺陷。修复后风机已运行1年多，焊缝质量良好，未出现问题。 结论 1 采用焊接是修复风电机组部件用QT400-18AL的重要方法之一，而现有研究对样件焊接后的性能研究还不深入，如低温冲击功、疲劳强度等性能还未研究。本文介绍了一种新型焊条LRF-01及相应的焊接工艺，通过试验得出以下结论： （1）相对于Z308焊条，采用LRF-01焊条焊接QT400-18AL时，焊缝成形良好，焊接过程中出现裂纹的概率大大降低，对于提高焊接质量及焊接效率有一定意义。 （2）机械性能测试表明，抗拉强度、屈服强度基本能够满足相关标准的要求，低温冲击性能是LRF-01的亮点，疲劳强度也基本能够满足风电机组铸铁件的修复要求。 （3）工程实践表明，采用LRF-01及相应工艺可以高效、可靠修复风电机组的球墨铸铁件，对于降低发电量损失、提高风场经济性具有一定意义。 （4）未来可在本研究的基础上继续提升焊接后的材料抗拉强度、热影响区冲击功等性能的方法，以进一步提高修复的可靠性。 参考文献 秦海岩 . “十三五”风电保持高质量发展 ［J］. 中国电力企业管理 ， 2019 （ 04 ）： 40 - 41 . “十三五”风电保持高质量发展 QIN Haiyan . 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