風電機組用QT400-18AL焊條電弧焊堆焊修復研究

劉洪冰，盧仁峰，陳超凡，姚 鵬，李振國，王金生

1.清華大學天津高端裝備研究院 洛陽先進制造產業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471003

2.大生清風（北京）科技有限公司，北京 100036

3.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014030

0 前言

風電具有綠色環(huán)保、裝機規(guī)模靈活、成本低廉等諸多優(yōu)勢，近年來在我國建設速度很快，走出了一條高質量發(fā)展之路［1］。其中，球墨鑄鐵QT400-18AL屬于高強度鑄鐵，并且具有良好的耐磨性和減震性，廣泛應用于風電機組中的偏航制動盤、主機架、齒輪箱箱體等結構，其質量占葉輪和機艙的20%～30%［2-3］。風電機組運行工況十分惡劣，長期工作在風載、沖擊載荷、低溫等工況下，加之球墨鑄鐵可能存在的質量問題，球墨鑄鐵結構件經過一段時間運行后容易出現(xiàn)裂紋等失效形式［2］。以往出現(xiàn)該問題時需要對風機機艙進行吊裝，進而更換相關部件。由于備件采購需要相當長的周期，因此風機停機期間的發(fā)電量損失較大，若是海上風電則損失更大［4］。因此，亟需研發(fā)一種無需吊裝、在塔上直接修復球墨鑄鐵件的技術。

焊接具有適應性廣、成本較低等優(yōu)勢，在金屬修復領域中有著廣泛的應用，尤其是風機的偏航齒圈、變槳齒圈等部件的修復［5］。球磨鑄鐵強度較好，但由于其碳含量高及含有雜質和球化劑，焊接時熱影響區(qū)冷卻速度太快，并且球化劑中的部分合金元素阻礙石墨化。其中，熱影響區(qū)內奧氏體會轉變?yōu)轳R氏體，形成淬硬組織，半熔化區(qū)易出現(xiàn)白口，淬硬組織和白口容易萌生裂紋，導致開裂。因此，球磨鑄鐵焊接需要采取合適的焊接材料及相應工藝，以便獲得良好的焊接接頭性能。趙悅光等［6］對QT400-18的焊補工藝開展研究，選用Z308、Z408等焊材進行試驗，發(fā)現(xiàn)焊后樣件的抗拉強度和屈服強度與母材基本一致，且Z308焊條焊接的樣件其硬度與母材更為接近，因此推薦選用Z308焊條。Tao Wei等［7］對不同補焊尺寸的QT400-18的拉伸行為進行分析，發(fā)現(xiàn)模量、強度和延展性隨著焊縫尺寸的增加而降低，進而建立了一種估算補焊鑄件宏觀有效模量的方法。張現(xiàn)杰等［9］指出QT500-7球墨鑄鐵焊接中應嚴格控制焊接熱輸入，防止馬氏體出現(xiàn)，可采用焊后錘擊等方式去除焊接應力。然而，以往研究未關注QT400-18AL的焊接及其性能，而低溫沖擊韌性是風力發(fā)電機組用球墨鑄鐵件的關鍵參數(shù)之一，且采用Z308和Z408依然容易出現(xiàn)焊接裂紋，焊接質量有待提升。

本文采用內蒙古第一機械集團有限公司研發(fā)的新型鑄鐵焊材LRF-01進行QT400-18AL堆焊修復工藝研究，并進行了射線檢測、著色探傷、拉伸試驗、金相檢驗、硬度檢驗、沖擊試驗及疲勞試驗。

1 材料及方法

1.1 母材

試驗材料為60 mm厚度QT400-18AL（-20℃）低溫球墨鑄鐵板件，其化學成分如表1所示［10］。

表1 QT400-18AL的化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of QT400-18AL（wt.%）

同時，《GB/T 25390-2010風力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》對QT400-18AL的機械性能有明確規(guī)定，將鑄件壁厚分為T≤30 mm、30＜T≤60 mm、60＜T≤200 mm三種情況，并給出了不同數(shù)值。本文采用的樣件厚度尺寸均在30 mm以下，因此擇取標準中的對應數(shù)值，如表2所示。

表2 《GB/T 25390-2010》標準規(guī)定的機械性能Table 2 Mechanical properties in "GB/T 25390-2010"

按照圖1所示尺寸焊接兩塊板件，U型槽深度30 mm。焊后沿圖中虛線切割樣件，保留虛線右部留做試驗。委托內蒙古第一機械集團股份有限公司計量檢測中心開展了拉伸試驗、硬度檢驗及金相檢驗，委托洛陽欣隆工程檢測有限公司開展著色探傷、射線檢測、焊縫區(qū)沖擊試驗和熱影響區(qū)沖擊試驗，委托青島艾德泰克檢測技術有限公司開展疲勞試驗。其中，使用WE600型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，使用XXH-3505定向射線機進行射線檢測，使用DPT-5型滲透檢測劑進行著色探傷，使用HV-1000顯微維氏硬度計進行硬度檢驗，使用BX53M金相顯微鏡進行金相檢驗，使用JB-300B擺錘式沖擊試驗機進行沖擊試驗，使用MT810疲勞試驗機進行疲勞試驗。

圖1 焊補樣件加工尺寸Fig.1 Size of the sample

1.2 焊接材料

選用φ3.2 mm鑄鐵焊條LRF-01，其化學成分如表3所示。其中，焊芯材料為鐵鎳合金。該焊條在研發(fā)時充分考慮了鑄鐵含碳量高、焊接時易出現(xiàn)裂紋的實際情況，在元素含量設計及加工工藝設計方面，將避免焊接裂紋作為重要指標，因此增加了Co元素，確保焊材在灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的焊接方面具有優(yōu)勢。

表3 LRF-01的化學成分（質量分數(shù)，%）Table 3 Chemical composition of LRF-01（wt.%）

1.3 焊接工藝

（1）焊前清理及預熱。使用角磨機、清洗劑等將樣件堆焊處及周圍20 mm范圍內的油污、水分、氧化皮等雜質清除干凈，堆焊處預熱溫度100～250℃。此外，若焊接環(huán)境溫度低于15℃，須采取加熱或防護措施。

（2）施焊。選用焊條電弧堆焊，焊接參數(shù)如表4所示。鑄鐵焊條LRF-01烘干溫度為350～400℃，保溫時間1.5～2 h，烘干后緩冷放置于100～120℃保溫箱中存放、待用。采用分段退步跳焊法，小電流快速焊，不擺動或微擺動操作技巧，道間搭接寬度為焊道寬度的1/3，每段焊縫焊接長度不超過40 mm，每次收弧時填滿弧坑，每次焊后使用鈍角小錘錘擊松弛應力，錘擊頻率為2次/s。每層焊縫厚度不超過3 mm，每道焊縫寬度不大于8 mm，盡可能多層多道焊接，直至將30 mm深U型坡口填充焊接完成。焊接過程中將層道間溫度嚴格控制在15～200℃范圍內，焊件不做焊后熱處理以模擬風電機組機艙內無法實施熱處理的工況。焊接后的試樣如圖2所示。

圖2 樣件焊接Fig.2 Welded sample

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

（3）打磨拋光切割。焊后對樣件進行打磨，去除表面多余部分，使焊后焊材高度與母材大致相同?？紤]到在高空并不具備使用銑床等加工裝備的條件，且修復后的表面平整度要求較低，因此由操作者手持角磨機進行打磨，故不對表面的平面度、粗糙度等參數(shù)提出要求。切割后共得到14塊樣件，分別用于拉伸、金相、顯微硬度、沖擊、疲勞等試驗，如圖3所示。

圖3 樣件切割Fig.3 Samples cutting

2 試樣結果及分析

2.1 焊接性能

樣件著色探傷結果如圖4所示，焊縫及熱影響區(qū)無裂紋。同時，對2個樣件做射線檢測，檢測比例100%，驗收標準為NB/T 47013.2，檢測結果為I級，表明該材料及工藝可有效減少裂紋。

圖4 著色探傷結果Fig.4 Penetrant inspection result

采用Z308焊條焊接尺寸材料相同的樣件，焊接工藝與LRF-01相同，將該樣件與LRF-01焊接的樣件一同做射線檢測，檢測結果如圖5所示?？梢钥吹?，采用Z308焊接的樣件中心存在一條較長的裂紋，而采用LRF-01焊接的樣件無裂紋。

圖5 射線檢測結果Fig.5 Radiographic testing results

2.2 金相組織

對母材、熱影響區(qū)和堆焊區(qū)域進行金相分析。母材金相組織以鐵素體為基體，同時彌散分布著大量球狀石墨組織（見圖6a）。熔合線周圍鑄鐵白口化不明顯（見圖6b），焊縫與母材之間的結合區(qū)寬度極窄，焊縫與基材達到良好的冶金結合。堆焊區(qū)域金相組織為奧氏體基組織（見圖6c）。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic structure

2.3 硬度檢驗

在距基材表面2 mm處劃1條硬度檢驗線，焊縫中心左、右兩側各打3個點，硬度檢驗結果見表5。

表5 HV10硬度檢驗結果Table 5 HV10 hardness testing results

2.4 機械性能

機械性能測試結果如表6所示。

表6 機械性能檢測結果Table 6 Mechanical properties of the samples

（1）抗拉強度。樣件抗拉強度為382 MPa（最小值），達到標準的95%以上，從修復要求角度看，基本滿足修復要求。

（2）屈服強度。樣件屈服強度達到320 MPa以上，高于標準要求。

（3）沖擊功。沖擊試樣完全冷卻到-20℃后，立即在擺錘沖擊試驗機上進行試驗。沖擊試驗結果表明，焊接后樣件的焊縫沖擊功平均值為12.7 J，最小值為12.0 J，達到標準要求。熱影響區(qū)-20℃沖擊功的平均值為6.8 J，最小值為6.5 J，低于標準要求的9 J，為標準值的72%。盡管熱影響區(qū)沖擊功相對較小，但從高空在線修復的角度而言，該數(shù)值已經可以滿足修復要求。且通過檢索文獻，也未見能夠達到更高數(shù)值的研究案例。若要提高熱影響區(qū)沖擊功，未來可考慮在條件允許的情況下進一步降低熱輸入。

（4）疲勞強度。《GB/T 25390-2010風力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》中并未對QT400-18AL的疲勞強度提出要求，但《GB/T 1348-2009球墨鑄鐵件》中給出了QT400-18的疲勞強度應達到195 MPa，可作為參考。綜合考慮風電機組的實際工況，將應力設定為100 MPa開展疲勞試驗。試驗表明，焊接后樣件的應力循環(huán)次數(shù)超過了1×107?？紤]到《GB/T 25390-2010風力發(fā)電機組球墨鑄鐵件》并未對QT400-18AL提出要求，且通過檢索文獻，也未見能夠實現(xiàn)更高數(shù)值的研究案例，因此本研究的測試結果可供參考。

3 工程應用

在試驗基礎上選擇江西某風場開展工程應用。該風場的風機為某國產1.5MW機型，其偏航制動盤的材質為QT400-18AL，經過數(shù)年運行，偏航制動盤發(fā)生了嚴重磨損。為恢復其尺寸，采用LRF-01焊材及工藝，在其表面采用對接焊縫形式焊接QT400-18AL制成的鑲塊，如圖7所示，著色探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。修復后風機已運行1年多，焊縫質量良好，未出現(xiàn)問題。

圖7 修復后的偏航制動盤Fig.7 Yaw brake disc after welding

4 結論

采用焊接是修復風電機組部件用QT400-18AL的重要方法之一，而現(xiàn)有研究對樣件焊接后的性能研究還不深入，如低溫沖擊功、疲勞強度等性能還未研究。本文介紹了一種新型焊條LRF-01及相應的焊接工藝，通過試驗得出以下結論：

（1）相對于Z308焊條，采用LRF-01焊條焊接QT400-18AL時，焊縫成形良好，焊接過程中出現(xiàn)裂紋的概率大大降低，對于提高焊接質量及焊接效率有一定意義。

（2）機械性能測試表明，抗拉強度、屈服強度基本能夠滿足相關標準的要求，低溫沖擊性能是LRF-01的亮點，疲勞強度也基本能夠滿足風電機組鑄鐵件的修復要求。

（3）工程實踐表明，采用LRF-01及相應工藝可以高效、可靠修復風電機組的球墨鑄鐵件，對于降低發(fā)電量損失、提高風場經濟性具有一定意義。

（4）未來可在本研究的基礎上繼續(xù)提升焊接后的材料抗拉強度、熱影響區(qū)沖擊功等性能的方法，以進一步提高修復的可靠性。