一种新型风电塔筒用Q420D钢热加工性能及焊接性研究

杨延丽; 李利霞; 张国栋; 田浩楠; 刘中柱; 何江里

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.12.13

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专辑

一种新型风电塔筒用Q420D钢热加工性能及焊接性研究
Research on the Hot Processing Performance and Weldability of Q420D Steel for a New Type of Wind Power Tower Tube
2025年55卷第12期页码：91-99
收稿：2025-06-08，

修回：2025-07-23，

纸质出版：2025-12-20
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.12.13
稿件说明：

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杨延丽，李利霞，张国栋，等.一种新型风电塔筒用Q420D钢热加工性能及焊接性研究［J］.电焊机，2025，55（12）：91-99. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.12.13.

YANG Yanli, TIAN Haonan, DU Zhenkun, et al.Research on the Hot Processing Performance and Weldability of Q420D Steel for a New Type of Wind Power Tower Tube[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(12): 91-99. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.12.13.

摘要

为满足风力发电机大型化发展对风电塔筒用钢高强度、高疲劳性能的需求，某钢厂开发了一种25 mm厚新型Q420D高强钢，其疲劳强度较传统材质提升10%以上。为了解此材质的热加工性能及焊接性，通过火焰切割试验、火焰热矫试验、小铁研试验、焊接热影响区最高硬度试验及焊接工艺评定试验，结合力学性能测试与微观组织分析，开展全面性能研究。结果表明，火焰切割对母材硬度的影响深度约为5 mm，实际加工需预留不少于5 mm的表面加工余量；在600~800 ℃热矫温度范围内，母材力学性能均满足GB/T 1591—2018标准要求，热矫后-20 ℃冲击吸收能量均值超300 J，力学性能稳定；小铁研试验中，常温至100 ℃预热条件下焊缝表面及根部裂纹率均为0，焊接热影响区最高硬度仅251.7 HV

，远低于ISO 15614-1：2017标准限定值380 HV

，表明该材质冷裂纹敏感性低、淬硬倾向小，可焊性优异；采用气保焊打底+埋弧焊填充/盖面的复合焊接工艺制备单V形坡口接头，其抗拉强度、冲击韧性、弯曲性能及硬度均符合ISO 15614-1：2017等级2标准，焊缝区与热影响区微观组织为铁素体+粒状贝氏体（热影响区呈粗晶特征），母材为多边形铁素体+少量粒状贝氏体，焊缝冲击断口为准解理断裂，热影响区为韧性断裂，接头强韧匹配性良好。

Abstract

To meet the demand for high strength and high fatigue performance of steel materials used in wind turbine towers driven by the trend toward larger-scale wind turbine generators

a certain steel plant has developed a novel 25 mm-thick Q420D high-strength steel with over 10% improvement in fatigue strength compared to conventional materials. To investigate its thermomechanical processing properties and weldability

comprehensive performance studies were conducted through flame cutting tests

thermal straightening tests

small iron research tests (e.g.

Tekken test)

maximum hardness tests in heat-affected zones (HAZ)

and welding procedure qualification tests

combined with mechanical property evaluations and microstructural analyses.

Results

indicate that flame cutting induces hardness variation in the base metal at a depth of approximately 5 mm

necessitating a minimum surface machining allowance of 5 mm during practical processing. Within the thermal straightening temperature range of 600-800 ℃

all mechanical properties of the base metal comply with GB/T 1591—2018 standards

achieving an average impact absorption energy exceeding 300 J at -20 °C after thermal straightening

demonstrating stable mechanical performance. In the small iron research tests under ambient temperature to 100 °C preheating conditions

both surface and root crack rates in welds are zero

while the maximum HAZ hardness reaches only 251.7 HV10

significantly below the ISO 15614-1:2017 limit of 380 HV10. This indicates low cold crack sensitivity

minimal hardening tendency

and excellent weldability. Using a composite welding process combining gas metal arc welding (GMAW) for root pass and submerged arc welding (SAW) for filling/capping passes

single-V groove joints were fabricated. These joints exhibit tensile strength

impact toughness

bending properties

and hardness fully compliant with ISO 15614-1:2017 Level 2 requirements. Microstructural analysis reveals ferrite + granular bainite (with coarse-grained characteristics in HAZ) in weld and HAZ regions

while the base metal consists of polygonal ferrite + minor granular bainite. Fracture surfaces show quasi-cleavage morphology in welds and ductile fracture in HAZ

indicating optimal strength-toughness matching in joints.

关键词

Keywords

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