海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)焊接用金屬粉芯焊絲的研制和應(yīng)用

王志堅，李艷艷，孫建文，關(guān)幼耕，杜書鑫

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島266555

在低碳經(jīng)濟(jì)呼聲高漲的今天，研究開發(fā)新能源已成為世界各國關(guān)注的焦點。風(fēng)能因其易獲取、分布地域廣等優(yōu)勢而備受矚目，因此風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔可再生的能源技術(shù)脫穎而出。從理論研究的角度，風(fēng)能在滿足世界能源供應(yīng)、維護(hù)能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等方面的重要作用已不言而喻，以經(jīng)濟(jì)理論為支撐對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析評價有助于這一朝陽產(chǎn)業(yè)健康迅速的發(fā)展。

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司承攬了一系列海上風(fēng)電項目。一個海上風(fēng)電項目一般包括幾十座3～4 MW 的風(fēng)電機(jī)組和一座升壓站，坐落于距離海岸十幾千米左右的海域。海上風(fēng)電項目的風(fēng)場強度比陸上風(fēng)電項目的更大，對結(jié)構(gòu)的建造要求很高。該公司承攬的海上風(fēng)電升壓站項目包括一座導(dǎo)管架和一座上部組塊的建造，整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在3 500～4 500 t 左右。該項目的結(jié)構(gòu)材料選用船用鋼材——DH36.EH36、EN10025 S355ML 或EN10210 S355NLH，建造工程主要包括導(dǎo)管架管的制造、焊接和導(dǎo)管架及上部組塊的建造、焊接。以往單面焊的打底焊多采用實芯焊絲或焊條，實芯焊絲主要用于車間制管過程中的打底焊，焊條用于現(xiàn)場管對接的打底焊。采用實芯焊絲的打底焊對實芯焊絲的化學(xué)成分要求高，普通碳素鋼實芯焊絲的低溫沖擊性能較差；而焊條打底的焊接效率低。為了進(jìn)一步提高海上風(fēng)電項目的焊接效率和焊縫質(zhì)量，采用了一種新型的金屬粉芯焊絲進(jìn)行單面焊雙面成型打底，提高了單面焊縫的焊縫性能。

1 金屬粉芯焊絲

1.1 概述

藥芯焊絲的研制始于20 世紀(jì)60 年代中期，隨著研制工作的進(jìn)展，以前困擾藥芯焊絲企業(yè)的三大問題——氣孔（凹坑）、裂紋和送絲都得到明顯改善。國產(chǎn)自保護(hù)藥芯焊絲已成功用于西氣東輸二線的X80 鋼管道焊接，達(dá)到世界先進(jìn)水平。金屬粉芯藥芯焊絲的品質(zhì)提升和推廣應(yīng)用，是藥芯焊絲的一個重要發(fā)展方向[1]。金屬粉芯藥芯焊絲（以下簡稱金屬粉芯焊絲） 與傳統(tǒng)金紅石型或中性及堿性熔渣型藥芯焊絲相比，具有熔敷速度高、焊接熔渣少、焊接煙塵少、擴(kuò)散氫含量低、焊縫成形好、熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能容易調(diào)整等一系列優(yōu)點[2]。日本開發(fā)的各類金屬粉芯焊絲，偏重于提高熔敷速度和效率，大都只能進(jìn)行平焊和平角焊，少數(shù)品種可用于橫焊，基本不用于全位置焊接。美國的金屬粉芯焊絲在注重提高焊縫內(nèi)在質(zhì)量的同時，還注重改善焊接工藝性能，提高熔敷效率，一些品種可用于全位置焊接[3]。

焊接接頭的低溫沖擊韌性是海上風(fēng)電項目中最重要的力學(xué)指標(biāo)，這個指標(biāo)如果達(dá)不到，風(fēng)電結(jié)構(gòu)可能會在低溫下發(fā)生脆斷，因此在打底焊絲的研發(fā)中低溫沖擊韌性是一個重要指標(biāo)。以往實芯焊絲打底用的是A5.18 ER70S-6 或ER70S-G 的焊絲，焊道的低溫沖擊性能無法滿足-40 ℃時沖擊功34 J的要求；手工打底焊采用日本神鋼LB-52U 焊條，焊條的低溫沖擊功滿足-40 ℃時沖擊功34 J 的要求，但焊條價格高，采購周期長，焊接效率低。為此，開發(fā)了一款用于全位置焊的金屬粉芯焊絲，能夠滿足-40 ℃時沖擊功34J 的要求，從而保證海上風(fēng)電項目的焊接質(zhì)量。

1.2 合金成份及力學(xué)性能設(shè)計

現(xiàn)代X70 鋼尤其是 X80 鋼均采用了TMCP 技術(shù)，強度及韌性均較高，沖擊功（-20 ℃） 達(dá)到200 J 以上。在研究分析管線鋼的成分、組織、性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道施工過程中的焊接工藝和焊縫組織、性能特點[4]，利用合金元素的強韌化機(jī)理，研究設(shè)計管線鋼金屬粉芯焊絲的化學(xué)成分，焊絲成分設(shè)計的指導(dǎo)思想是低碳、微合金化，設(shè)計目標(biāo)是得到以針狀鐵素體為主的焊縫組織，以確保焊縫金屬獲得優(yōu)良的強韌性匹配。合金元素對低溫沖擊韌性的影響較為明顯。根據(jù)合金元素強韌化機(jī)理以及在焊縫金屬中的作用，從焊縫金屬強度、韌性、與管線鋼匹配性以及焊絲成本等多方面綜合考慮，選擇C、Si、Mn 作為焊絲成分的基本強化元素，Mo、Ni、Cr 作為焊絲的合金化元素，確保焊縫金屬的強韌性，加入Ti、B 等微合金元素提高針狀鐵素體比例。綜上所述，首先設(shè)計了管線鋼金屬粉芯焊絲的基礎(chǔ)成分，根據(jù)試驗結(jié)果，確定了管線鋼采用Ti-B 合金系和主要合金元素的含量范圍。表1 為金屬粉芯焊絲（KMX-70M） 的藥粉組分設(shè)計范圍。

表1 KMX-70M 的藥粉組分設(shè)計范圍/%

將所研制的金屬粉芯焊絲（KMX-70M） 熔敷后，測試其金屬化學(xué)成分如表2 所示。E70C-6M為美國AWS A5.18 所規(guī)定的成份，KMX-70M符合其規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。在此成分范圍內(nèi)，為能達(dá)到最佳力學(xué)性能，其熔敷金屬成份需要控制在C：0.03%～0.06%，Mn：1.3% ～ 1.5%，Si：0.35% ～ 0.45%，Ti：0.03%～0.06%，B：0.02%～0.04%。

表3 為KMX-70M的熔敷金屬力學(xué)性能。從表3 可看出其滿足美國AWS A5.18 所規(guī)定之力學(xué)性能。由于低碳與微合金化設(shè)計理念使得熔敷金屬具有針狀鐵素體組織，可達(dá)到最佳的低溫沖擊性能，在-40 ℃的低溫環(huán)境下，仍可具有高沖擊功。

表2 KMX-70M 的熔敷金屬化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表3 KMX-70M 的熔敷金屬力學(xué)性能

2 研制過程中的難點

2.1 抗氣孔性能

解決此問題的關(guān)鍵技術(shù)是降低金屬粉芯焊絲水分和焊絲表面油脂含量。對于水分含量，在制作焊絲前，預(yù)先對藥粉分類進(jìn)行不同溫度的烘焙，以去除藥粉結(jié)晶水和吸附水，降低藥粉中的水含量。焊絲表面油脂含量控制則通過使用特殊潤滑粉與表面處理技術(shù)，避免焊絲表面油脂殘留，并利用特殊表面處理加強焊絲耐銹性，避免了防銹油的使用。

2.2 低溫韌性控制

金屬粉芯焊絲研制過程中最關(guān)鍵的技術(shù)是合金化和微合金化的均勻穩(wěn)定。

（1） 合金成分的選擇：選擇合理的合金配置，采用Ti-B，同時在藥芯粉料中適當(dāng)調(diào)適Mn 與Si元素之比例，達(dá)到提高焊縫金屬強度與提高低溫抗沖擊韌性的目的。

（2） 原材料的選擇：選擇成分穩(wěn)定、純度高的原材料，優(yōu)先選擇純金屬粉，如金屬錳等，所有粉料嚴(yán)格限制粒度范圍。

（3） 所有原材料與鋼帶中的硫、磷等雜質(zhì)應(yīng)嚴(yán)格控制，而鋼帶中的氮、氧也應(yīng)從嚴(yán)控制。

2.3 低煙塵、低飛濺的控制

配方中加入K、Na 等易電離的物質(zhì)，保證電弧穩(wěn)定性。另外，加入低熔點的Mg 可使熔滴細(xì)小、過渡均勻、低飛濺。根據(jù)經(jīng)驗法則：Na 比例越多，熔滴過渡越快，電弧穿透力越強；K 比例越多，熔滴過渡越慢，電弧穿透力越弱。適當(dāng)調(diào)整配方中Na 與K 的比例，來改善因穿透力強而導(dǎo)致的易飛濺現(xiàn)象。

2.4 電弧穿透性的控制

金屬粉芯焊絲在根焊過程中實現(xiàn)單面焊雙面成形主要是靠電弧的穿透力和溶池的表面張力。電弧穿透力強，才能保證熔透根部從而避免缺陷的產(chǎn)生，在全位置立向下焊時，尤其是仰焊的位置，可以減少根部塌陷，形成高質(zhì)量的焊接接頭。金屬粉芯焊絲由薄鋼帶包裹粉劑制成，電流主要從鋼帶通過，其電流密度大，形成電磁收縮力，電流密度的大小決定了電弧穿透力。選擇合適的鋼帶及鋼帶與藥粉比重可以提高電弧穿透力，填充率為12%～17%時電弧穿透力最大，滿足根焊的要求。焊接熔池冶金反應(yīng)過程中，表面活性元素可以顯著降低液態(tài)金屬的表面張力，影響焊接過程中熔滴的過渡形式，改變?nèi)鄢罔F水的流動性，最終形成不同幾何形狀的焊縫。

適當(dāng)調(diào)整填充比，保證焊絲截面電流密度，保證電弧吹力的穿透力，單面焊雙面成型，焊縫成形美觀。

2.5 全位置焊接操作性

硅鐵的不同添加量直接決定了液態(tài)熔滴中Si表面活性元素的含量，可起到降低液態(tài)金屬表面張力的作用，通過大量焊接工藝對比試驗，當(dāng)硅鐵含量為7%時，熔池鐵水流動性最佳，與母材具有良好的潤濕性。

3 金屬粉芯焊絲焊接工藝評定

3.1 焊接方法設(shè)計

金屬粉芯焊絲主要用于單面焊雙面成型的打底焊接，焊接位置可以實現(xiàn)全位置焊接。海上風(fēng)電項目施工主要為大型結(jié)構(gòu)件的建造焊接，分為卷管的焊接和現(xiàn)場安裝焊接。在管徑小于600 mm 和壁厚小于20 mm 時，焊接接頭為單面V 型坡口。安裝作業(yè)時，會有大量的單面V 型坡口實施全位置焊接，因此焊接工藝評定設(shè)計了2 種焊接工藝。一種用于單面埋弧焊的打底焊接，根焊采用金屬粉芯焊絲焊接和熱焊采用藥芯焊絲，后續(xù)采用埋弧焊（SAW） 進(jìn)行填充和蓋面的焊接；另一種為全位置氣體保護(hù)藥芯焊的打底焊接，根焊采用金屬粉芯焊絲焊接，采用氣體保護(hù)藥芯焊進(jìn)行填充和蓋面。

焊接設(shè)備的選擇：金屬粉芯焊與實芯焊絲根焊類似，采用林肯公司的STT 焊機(jī)進(jìn)行焊接，F(xiàn)CAW和SAW 的焊接分別采用CO2氣保焊機(jī)和埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接。

3.2 焊接工藝評定母材

海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，主體材料的屈服強度為355MPa，焊接標(biāo)準(zhǔn)為AWS D1.1。進(jìn)行焊接工藝評定時選擇板 材 為 EN10025 S355ML，管 材 為 EN10210 S355NLH。試驗用母材的化學(xué)成份見表4，機(jī)械性能見表5。

表4 試驗材料化學(xué)成份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表5 試驗材料的機(jī)械性能

3.3 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)海上風(fēng)電項目的設(shè)計溫度（-40 ℃） 要求，藥芯焊絲、埋弧焊絲和焊劑選用碳素鋼焊材就可以滿足要求。GMAW+FCAW+SAW 采用廣泰的藥芯焊絲KFX-719J（A5.20 E71T-9J） 和埋弧焊絲KW-1 （A5.17 F7A4-EH14），GMAW+FCAW 采用廣泰的藥芯焊絲KFX-719J（A5.20 E71T-9J），兩種工藝均滿足-40 ℃低溫沖擊值不小于27 J 的要求。焊接工藝評定要求見表6 和表7。

表6 焊接工藝評定設(shè)計

表7 焊接工藝參數(shù)

STT 焊接為脈沖焊接，基值電流為51A，峰值電流為317A。

3.4 焊接工藝評定結(jié)果分析

3.4.1 焊接接頭外觀

金屬粉芯焊絲焊接的根焊接頭背部成型完美，坡口兩邊熔合很好，經(jīng)X 射線探傷和磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)根部未熔合和表面缺陷，見圖1。

圖1 金屬粉芯焊絲根焊背部/坡口內(nèi)成型

3.4.2 機(jī)械性能試驗結(jié)果

焊接工藝評定的焊后機(jī)械性能試驗結(jié)果見表8。

由表8 可以看出：焊接工藝評定的拉伸、彎曲和沖擊韌性均滿足項目的要求，低溫沖擊韌性的沖擊功可以滿足-40 ℃的低溫沖擊要求。

3.4.3 金相組織

國際焊接協(xié)會 （International Institute of Welding） 基于光學(xué)顯微鏡分析結(jié)果，將焊縫金屬微結(jié)構(gòu)組成鐵素體[5]分為晶界型鐵素體、含二次相鐵素體及針狀鐵素體。從圖2（a） 可看出，金屬粉芯焊絲焊縫組織大部份為針狀鐵素體與晶界型鐵素體組織；圖2（b） 為實芯焊絲焊縫中的金相組織，大部份由晶界型鐵素體與含二次相鐵素體組成。Bhadeshia[6]提出，可在焊縫金屬中添加合金元素來改變鐵素體的形態(tài)。Dolby[7]、Glover[8]、Onsoien[9]與Chang[10]研究指出，細(xì)小的針狀鐵素體可提高低溫沖擊韌性。與實芯焊絲的焊縫組織相比，金屬粉芯焊絲的焊縫組織較細(xì)小，而較多針狀鐵素體可提高焊縫拉伸強度與低溫沖擊韌性。

表8 碳鋼管道的焊后機(jī)械性能

圖2 金屬粉芯焊絲與實芯焊絲的金相組織

3.5 金屬粉芯焊絲焊接優(yōu)勢分析

（1） 焊接接頭的外觀成型優(yōu)良，特別是有良好的單面焊雙面成型效果。

（2） 焊接效率：由于金屬粉芯焊絲是由鋼帶包裹金屬粉后拉伸形成的焊絲，其電流密度大，熔化速度快。同時金屬粉芯焊絲的藥粉有大量的鐵粉、鐵合金和金屬粉，非金屬礦物質(zhì)含量較少，而鐵粉、鐵合金和金屬粉的熔點溫度比非金屬礦物粉的熔點低，使得熔化藥粉的能量降低，從而比實芯焊絲所需的焊接電流小。與實芯焊絲STT 打底焊接電流比較：金屬粉芯的焊接電流基值為51 A，峰值為317A；實芯焊絲的焊接電流基值為60～65A，峰值為380～390 A。金屬粉芯焊絲在大電流、大電壓的情況下，其焊接時產(chǎn)生的煙塵、飛濺不大，而實芯焊絲若采用大值焊接規(guī)范時，其焊道的成型將急劇惡化，飛濺和煙塵量將大幅提高，從全位置焊接（見圖3） 可以看出金屬粉芯焊絲的焊接飛濺很小。

圖3 金屬粉芯焊絲STT 全位置焊接

（3） 焊接成型：因為金屬粉芯焊絲較實芯焊絲有良好的電弧特性及低煙塵和小的飛濺，在整個焊接過程中就可以避免出現(xiàn)夾渣等焊接缺陷，方便了焊道的清理；而且焊接操作可見度好，易于操作者更好控制熔池形狀，獲得更好的焊接效果；同時還可避免出現(xiàn)實芯焊絲焊接時的指狀熔深，見圖4。

圖4 金屬粉芯焊絲與實芯焊絲的熔深狀況

（4） 焊縫性能：金屬粉芯焊絲的焊縫具有優(yōu)秀的低溫韌性，可以通過改變金屬粉芯焊絲的合金含量來提高焊絲的低溫沖擊韌性；而實芯焊絲的性能是相對固定的，只有通過鋼廠在生產(chǎn)實芯焊絲的原料時改變焊絲的成份，生產(chǎn)成本高。

4 結(jié)束語

（1） 金屬粉芯焊絲在打底焊時具有焊接線能量低、焊接飛濺小的特點，特別在高強鋼的焊接中具有焊接優(yōu)勢。

（2） 金屬粉芯焊焊縫的背部成型優(yōu)良，可以推廣應(yīng)用于工藝管道的打底焊接，有利于減小工藝管道的內(nèi)部流體阻力，提高流體的流速。

（3） 金屬粉芯焊的焊接接頭較實芯焊絲更容易滿足焊縫的低溫沖擊韌性，通過改變金屬粉芯焊絲的配方，可以滿足更低的低溫沖擊要求。