隨著陸上風電資源逐漸飽和，越來越多的國家將海上風電資源的開發與利用作為風電發展的重要目標[1-2]。相比于陸上風電，海上風電具有更持續穩定的風資源和更高的能源密度，且不受土地面積限制，是一種極具潛力的清潔能源發電方式[3-4]。風電塔筒是支撐風力發電機組的主要結構部件，為了滿足穩定性和耐久性的要求，常采用高強度鋼板如Q355C低合金高強鋼板[5]、Q420級別高強鋼板等通過焊接工藝進行制造。海上風電塔筒的服役環境更加惡劣，傳統的Q355和Q420等高強鋼板已難以滿足一些極端條件下塔架設計承載極限的技術要求。Q500M系列鋼板屬于低合金高強度鋼板，具有良好的焊接性能，其中E級鋼板的沖擊韌性優于D級和C級，在更低溫度下能保持較好性能，更適用于對鋼材性能要求苛刻的環境。Q500ME鋼板是一種熱機械軋制高強鋼板，抗拉強度在610~770 MPa，屈服強度不低于500 MPa，相較于Q420高強鋼板具有更優的綜合力學性能和更低的成本，是海上風電塔筒的優選材料之一。
國內海上風電塔筒的焊接工藝以埋弧焊、焊條電弧焊和CO2氣體保護焊為主，其中埋弧焊的現場生產效率較高，更符合實際生產需求。風電塔筒所用高強鋼板的厚度變化范圍較大（通常在17.5~54.0 mm），會顯著影響焊接效果，而目前關于海上風電塔筒用不同厚度Q500M系列鋼板埋弧焊接研究較少。作者以厚度分別為20，40 mm的Q500ME鋼板為母材，利用KGF-70FD埋弧焊絲搭配KGF-102G焊劑進行埋弧焊接試驗，研究了不同鋼板厚度下接頭的組織及力學性能，以期為海上風電塔筒的生產和應用提供技術支持和保障。
母材為山鋼集團生產的Q500ME鋼板，厚度分別為20，40 mm，碳當量為0.47，抗拉強度為648 MPa，屈服強度為521 MPa，斷后伸長率為18%，－40 ℃沖擊吸收功為（111.6±7.1） J，滿足GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》的要求；焊接材料為KGF-70FD埋弧焊絲與KGF-102G焊劑的組合，由蘇州騏驥焊材公司提供，焊絲直徑為4.0 mm。母材與KGF-70FD埋弧焊絲的化學成分見表1，KGF-102G焊劑通常由SiO2、CaF2和Al2O3等氧化物組成。按照GB/T 5293—2018《埋弧焊用非合金鋼及細晶粒鋼實心焊絲、藥芯焊絲和焊劑》對焊絲熔敷金屬的力學性能進行檢驗，測得抗拉強度為696 MPa，屈服強度為629 MPa，斷后伸長率為23%，－40 ℃沖擊吸收功為（127.3±5.7） J。
| 材料 | 質量分數/% | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu | |
| Q500ME鋼 | 0.10 | 0.22 | 1.66 | 0.008 | 0.003 | 0.35 | 0.04 | 0.01 |
| KGF-70FD埋弧焊絲 | 0.07 | 0.21 | 1.56 | 0.006 | 0.003 | 0.33 | ||
為了確定合理的預熱溫度，按照GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗》，采用前述的焊接材料，對2種厚度鋼板進行室溫（20 ℃）不預熱以及80 ℃預熱的斜Y型坡口焊接裂紋試驗，采用埋弧焊工藝，焊接電流為550 A，電弧電壓為31 V，焊接速度為420 mm·min−1。焊接完成后目視檢查，所有接頭焊縫均未出現明顯的表面裂紋和根部裂紋，表面裂紋率和剖面裂紋率均為0。故選擇室溫不預熱條件進行后續焊接試驗。
焊接前對試樣表面可能存在的氧化皮、銹蝕、油脂、水等雜質進行清理，采用ZD5-1000E型埋弧焊機在室溫不預熱條件下進行埋弧焊接試驗，待焊試樣尺寸分別為600 mm×400 mm×t（t為鋼板厚度），焊接坡口形式及焊道排布如圖1所示，焊接工藝參數如表2所示。
| 施焊步驟 | 焊接電流/A | 電弧電壓/V | 焊接速度/（mm·min−1） |
|---|---|---|---|
| 打底 | 480~520 | 28~30 | 500 |
| 填充 | 500~550 | 30~32 | 420 |
| 蓋面 | 550~620 | 30~34 | 400~420 |
焊接完成后，對接頭進行磁粉檢測和射線檢測，確保接頭中不存在裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。以焊縫為中心在檢測合格的接頭上取樣，經過打磨、拋光及腐蝕后，采用BX51M-OLYMPUS型光學顯微鏡觀察顯微組織。以焊縫為中心垂直于焊接方向切取如圖2所示的全厚度拉伸試樣和尺寸為150 mm×10 mm×t的全厚度彎曲試樣，去掉焊縫余高。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 2651—2023《金屬材料焊縫破壞性試驗 橫向拉伸試驗》以及GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，采用SY-YQ-01/SY-YQ-126型微機控制電液伺服萬能試驗機進行室溫拉伸和橫向側彎試驗，拉伸速度為24 mm·min−1，采用圓形壓頭使試樣彎曲，壓頭直徑為40 mm。
在接頭上距上表面2 mm處垂直于焊接方向截取夏比V型沖擊試樣，缺口分別位于焊縫中心及熱影響區（距熔合線2 mm處），按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用SY-YQ-127型金屬擺錘式沖擊試驗機進行低溫沖擊試驗并測試沖擊吸收功，試驗溫度為－40 ℃，測3個平行試樣取平均值。沖擊試驗完成后，將試樣斷口依次用Alconox清洗劑和無水乙醇進行超聲清洗，烘干，采用德國ZEISS EVO 18型掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口形貌。
2種接頭均由焊縫、熱影響區和母材組成，其中熱影響區包括過熱區、正火區和不完全正火區。由圖3可知：2種接頭焊縫的組織均主要由先共析鐵素體（PF）、針狀鐵素體（AF）和粒狀貝氏體（GB）組成，過熱區和正火區均為貝氏體，不完全正火區為粒狀貝氏體、鐵素體（F）和珠光體（P）；40 mm鋼板厚度下焊縫中還存在無碳化物貝氏體（CFB）組織，該貝氏體從奧氏體晶界先共析鐵素體的側面以板條狀向晶內生長，而20 mm鋼板厚度下焊縫中幾乎不存在無碳化物貝氏體；20 mm鋼板厚度下焊縫中的晶粒相較于40 mm鋼板厚度下更細小，分布更均勻。當鋼板厚度為40 mm時，熱量散失較慢，為無碳化物貝氏體的生長和晶粒長大提供了形成溫度和時間。
當接頭拉伸試樣的厚度為20 mm時，測得的抗拉強度為666 MPa，厚度為40 mm時為692 MPa，均高于母材，40 mm厚度下的抗拉強度相對略高。圖4中虛線為經過FeCl3溶液腐蝕后確定的熔合線位置。可見40 mm厚度下拉伸試樣在焊縫處斷裂，但大多數拉伸試樣在母材處斷裂，且靠近熔合線。20，40 mm厚度下接頭強度與母材強度的比值[6]分別為1.02，1.07，接頭為高組配接頭，母材相對薄弱，拉伸斷裂位置通常出現在母材處。當40 mm厚度下接頭在焊縫處斷裂可能與焊接殘余應力有關：鋼板厚度的增加會導致焊接過程中產生的熱量和熱變形難以迅速散失，使接頭產生較大的殘余應力[7]，拉伸時在局部應力集中的作用下，焊縫也會成為裂紋源。經過180°彎曲后不同鋼板厚度下接頭均未發生開裂，具有良好的彎曲性能。
由表3可知，焊縫中心的沖擊吸收功在鋼板厚度為40 mm時達到93.0 J，高于厚度為20 mm時的75.7 J，而熱影響區的沖擊吸收功在厚度為20 mm時達到291.8 J，高于厚度為40 mm時的265.2 J。相較于40 mm厚鋼板，20 mm厚鋼板接頭的散熱更快，焊縫晶粒相對細小且分布均勻，晶界數量更多，抵抗位錯移動和塑性變形的能力增強，當受到沖擊作用時，晶界能夠有效阻止裂紋擴展，從而提高韌性[8-9]；理論上20 mm鋼板厚度下接頭的沖擊韌性應整體優于40 mm鋼板厚度下，但焊縫中心處的試驗結果卻與此相反，這可能與40 mm鋼板厚度下焊縫中還存在無碳化物貝氏體組織有關。無碳化物貝氏體中存在高密度位錯和殘余奧氏體，不存在硬而脆的碳化物；高密度位錯會通過運動耗散沖擊能量，殘余奧氏體能夠通過相變來吸收能量并提高韌性，二者協同作用提高了接頭的沖擊吸收能力[10]。
| 厚度/mm | 缺口位置 | 沖擊吸收功/J | |
|---|---|---|---|
| 測試值 | 平均值 | ||
| 20 | 焊縫中心 | 81.5，68.8，76.8 | 75.7 |
| 熱影響區 | 303.5，304.6，267.2 | 291.8 | |
| 40 | 焊縫中心 | 83.6，104.8，90.6 | 93.0 |
| 熱影響區 | 251.5，249.1，294.9 | 265.2 | |
由圖5可知，不同接頭試樣的沖擊斷口中均存在韌性斷裂區域（DFZ）和解理斷裂區域（CFZ），斷裂形式均為混合斷裂。解理斷裂區域相對平坦，伴有明顯的解理面與河流花樣，并且可觀察到撕裂棱；韌性斷裂區域出現斷裂韌帶，斷裂方式均為微孔聚集斷裂。不同厚度鋼板焊接接頭焊縫中心韌性斷裂區的韌窩形態不同：焊縫中心沖擊斷口的韌性斷裂區域在鋼板厚度為20 mm時主要由深度相對較淺的剪切韌窩組成，基本呈拋物線狀，開口朝向缺口根部，在鋼板厚度為40 mm時主要存在等軸韌窩。熱影響區沖擊斷口的韌性斷裂區域在不同鋼板厚度條件下均出現明顯的撕裂傾向，撕裂方向與所受沖擊載荷的作用方向一致，韌窩被拉長，且尺寸普遍較大。
（1）在20 ℃不預熱條件下，埋弧焊接不同厚度Q500ME鋼板接頭焊縫的組織均主要為先共析鐵素體+針狀鐵素體+粒狀貝氏體，當鋼板厚度為40 mm時焊縫中還存在無碳化物貝氏體。
（2）接頭全厚度（20，40 mm）拉伸試樣的抗拉強度分別達666，692 MPa，均高于母材，并且經過180°彎曲后接頭試樣均未發生開裂，具有良好的彎曲性能。與20 mm鋼板厚度條件下相比，40 mm鋼板厚度條件下焊縫中心的－40 ℃沖擊吸收功更大，熱影響區的沖擊吸收功更小。
（3）不同鋼板厚度條件下，接頭焊縫和熱影響區的沖擊斷口均為韌性斷裂與解理斷裂共存的混合斷裂。焊縫中心的韌性斷裂區域在鋼板厚度為20 mm條件下存在較淺的剪切韌窩，在厚度為40 mm時存在等軸韌窩；熱影響區的韌性斷裂區域存在較為明顯的撕裂傾向。
文章來源——材料與測試網
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