1、DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2022.4061前言风能作为一种清洁的可再生能源，是实现“清洁替代、电能替代”不可或缺的能量来源1。风力发电设备中，中厚板主要用于塔架和基础部分，其中塔架是风力发电机组的支撑结构，将风力发电机与地面连接使风力发电机支撑在有利高度以实现最经济和安全的风能利用2。考虑到运输和安装的便利性，常见的风机塔架会分为若干段，相邻段之间通过螺栓进行连接3，每个塔段上通常包括数十条环焊缝和纵焊缝，为了提高塔架结构的可靠性，在设计时必须充分考虑塔架结构中焊缝的强度和质量，可以说焊缝的性能和质量决定了塔架的寿命4-5。尤其是近年来风力发电机组向
2、大功率、大叶片和高塔架方向发展6，对塔架底部供人员和设备进出的门框用钢板提出了大厚度、易焊接、高强度和低温韧性要求，为保证塔架结构的安全性，对风电结构用耐低温特厚钢板的进行焊接试验研究便尤为重要。风电结构用耐低温SM490YB特厚钢板的焊接性能研究（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江阴 214400）摘 要：以115mm厚风电结构用耐低温SM490YB钢板为研究对象，选用1.2mm 的DW-A55L、双面U型坡口、80%Ar+20%CO2混合气体保护、预热温度150、道间温度200的工艺进行焊接试验，对其焊接接头显微组织和力学性能进行试验研究。试验结果表明：在焊接热输入量为15kJ/cm的条件下，焊
3、接接头可获得良好的综合性能，板厚1/2位置焊接接头抗拉强度490MPa，板厚1/2处焊缝中心、FL、FL+2、FL+5和最大通过热影响区的-50冲击功平均值均100J。关键词：风电结构；低温；SM490YB；特厚钢板；焊接性能中图分类号：TG457.11文献标志码：A文章编号：1674-0971（2022）-004-04Xu Guangqin,Zhang Lina,Lang Yongsheng（Jiangying Xingcheng Specail Steel Works CO.,Ltd.,Jiangyin 214400,Jiangsu,China）Abstract:This paper fo
4、cuses on the welding performance of low-temperature resistant steel plate SM490YBwith a thickness of 115mm for wind power structure.The welding test selected a process of 1.2mm DW-A55Lwelding wire,double-sided U-shaped groove,mixed gas protection of 80%Ar+20%CO2,preheating temperatureof 150 and inte
5、rlayer temperature 200C for testing the microstructure and mechanical properties of thewelded joint.The test results show that under the condition of welding heat input of 15kJ/cm,the welded jointachieves good comprehensive performance with the tensile strength higher than 490MPa at the position of
6、half theplate thickness,and the average impact energy of-50 higher than 100J in the weld center,FL,FL+2,FL+5 andthe heat-affected zone of half the plate thickness,.Keywords:wind power structure,low temperature,SM490YB,extra heavy plate,welding performance收件日期：2022-06-14作者简介：徐光琴（1983），女，工程师，2006年毕业于安
7、徽工业大学材料成型及控制工程专业，现供职于江阴兴澄特种钢铁有限公司，主要从事宽厚板产品的研究和开发工作。特钢技术Special Steel Technology第28卷 总第113期2022年第4期Vol.28（113）2022.No.4徐光琴张丽娜郎永胜Research on welding performance of extra-heavy steel plate SM490YBwith low-temperature capability for wind power structure本文以兴澄特钢开发的115mm厚风电结构用耐心部-50低温冲击SM490YB特厚钢板为研究对象，对其
8、在15kJ/cm热输入量条件下的焊接接头进行显微组织和综合力学性能分析，以掌握其基本焊接性，为风电结构用耐低温SM490YB特厚钢板提供参考焊接工艺。1试验材料及方法试验钢选用厚度115mm的风电结构用耐低温SM490YB钢板，其化学成分如表1所示。根据国际焊接协会（IIW）所推荐的碳当量计算公式计算出试验钢的碳当量为0.43%，具有一定的淬硬倾向，且随着板厚的增加，焊接接头的裂纹倾向明显增加7，可通过焊前预热的方式减少冷裂纹的产生几率。试验钢的板厚1/2处组织形貌如图1所示，为典型的铁素体+珠光体组织，晶粒度评级为8级。表2为试验钢板的力学性能，可以看出其心部拉伸性能和-50低温冲击韧性优异
9、，完全满足标准要求。为了评价焊接接头综合性能，考虑材料的焊接特性、生产实际条件和使用工况，采用“高强匹配”的原则，焊接材料选用1.2mm的DW-A55L，焊接工艺采用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊接工艺，同时由于试验钢厚度大，焊接试验板组对采用双U型坡口，坡口示意图如图 2 所示。预热温度为150，道间温度200，焊接热输入量为 15kJ/cm，焊接条件如表3所示。在试验钢的焊接接头处按国标制取和加工拉伸、冲击、侧弯、硬度和金相试样。拉伸试样采用平行长度部分的宽度为25mm厚的板拉试样，取样位置位于板厚1/4、板厚1/2和板厚3/4处。冲击试验采用标准夏比V型缺口试样，在板厚1/4、板
10、厚1/2和板厚3/4位置处的焊缝中心、熔合线（FL）、FL+2mm、FL+5mm和最大通过热影响区取样，冲击试样尺寸为 55mm10mm10mm，冲击试验温度为-50。侧弯试样宽度为40mm，覆盖焊接接头全厚度。维氏硬度检测选择标线法，每间隔1mm第28卷第4期徐光琴 张丽娜 郎永胜：风电结构用耐低温SM490YB特厚钢板的焊接性能研究表1 SM490YB钢板化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the SM490YB steel plate(mass fraction)元素熔炼成分标准要求C0.09-0.140.20Si0.20-0.500.55
11、Mn1.30-1.601.65P0.0100.020S0.0030.005Nb适量0.05V0.12Ti0.05Ni0.60Alt0.020-0.0400.02图1 SM490YB试验钢板板厚1/2处显微组织（200）Fig.1 Microstructure at 1/2 of SM490YB test steel platethickness（200）表2 115mm厚SM490YB试验钢板力学性能Table 2 Mechanical properties of SM490YB test steel plate of 115mm thickness项目成品性能（板厚1/4）成品性能（板厚1/
12、2）成品性能（板厚3/4）标准要求拉伸试验（横向）ReH/MPa358344382315Rm/MPa521506518490610A/%41344121夏比（V型缺口）冲击试验（纵向）温度/-50-50-50-50KV2/J315，259，261299，260，276286，256，28741图2 坡口示意图Fig.2 Schematic diagram of the groove 42(a)粗晶区(b)细晶区(c)母材图5 试验钢板厚1/2处焊接接头金相组织（500）Fig.5 Metallographic structure of the welded joint at 1/2thickn
13、ess of test steel plate（500）图6 焊接接头硬度分布图Fig.6 Hardness distribution of the welded joint打一个点，加载载荷为10kg，测量位置为距上表面2mm处、板厚1/4处和板厚1/2处。金相试样取样位置为板厚1/2处，放置于4%浓度的硝酸酒精溶液中腐蚀后，观察母材和热影响区组织。2试验结果与讨论图3是试验钢焊接接头横截面的低倍酸蚀检验形貌，表明在选定的焊接条件下，焊接接头熔合良好，按GB/T 11345-2013标准C级进行焊缝无损探伤，结果为合格。图4是试验钢焊接接头上表面、板厚1/4和板厚1/2处的金相试样照片，可知
14、焊接热影响区的宽度为24mm。2.1焊接接头的显微组织和硬度图5是试验钢焊接接头板厚1/2处的粗晶区、细晶区和母材的显微组织，可知粗晶区组织主要由铁素体和贝氏体组成，细晶区组织主要由铁素体、珠光体和贝氏体组成，母材组织主要由铁素体和珠光体组成。图6(a)、(b)和(c)分别是焊接接头距上表面2mm、板厚1/4和板厚1/2位置的硬度分布，可知焊接接头的HV10硬度值处于150280之间，热影响区最高，焊缝次之，母材最低，且不同位置的硬度变化趋势一致。第28卷第4期特钢技术表3 焊接条件Table 3 Welding condition焊丝材料DW-A55L焊丝直径/mm1.2焊接电流/A2901
15、0焊接电压/V282焊接速度/(cmmin-1)332预热温度/150道间温度/200焊接热输入量/（kJcm-1）15图3 焊接接头的低倍酸蚀检验形貌Fig.3 Macroscopic morphology of the welded joint after etching图4 焊接接头的金相试样照片Fig.4 Metallographic sample of the welded joint表4 SM490YB试验钢板焊接接头拉伸和弯曲性能Table 4 Tensile and bending properties of the weldedjoints of SM490YB test s
16、teel plate厚度方向位置板厚1/4处板厚1/2处板厚3/4处拉伸性能抗拉强度Rm/MPa516499511断裂位置基体基体基体弯曲性能侧弯（d=4a，180）合格合格合格 43第28卷第4期徐光琴 张丽娜 郎永胜：风电结构用耐低温SM490YB特厚钢板的焊接性能研究试验钢焊接过程中，距熔合线不同距离的各位置峰值温度和冷却速率决定了热影响区的组织变化，由融合线附近至母材方向，峰值温度逐渐下降8，于是形成粗晶区和细晶区，分别见图5（a）和图5（b）。比较图5（a）、（b）和（c），热影响区的铁素体和珠光体尺寸较之母材显著降低，且出现贝氏体组织转变，可见试验钢焊接造成的热影响晶粒细化和组织转变是造成其硬度增加的主要因素。2.2焊接接头拉伸和弯曲性能试验钢焊接接头的拉伸和弯曲性能如表4所示，拉伸试样均在基体部位断开，板厚1/4、1/2和3/4 处 的 抗 拉 强 度 分 别 为 516MPa、499MPa 和511MPa，均可满足标准490MPa的要求，侧弯试样外侧无裂纹，拉伸和弯曲试样如图7所示。2.3焊接接头低温韧性试验钢板厚1/4、1/2和3/4处焊接接头的焊缝中心、熔合线（FL
