【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料焊接，具体涉及一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法。
技术介绍
1、风电机组（以下简称风机）是海上风电的核心装备之一，其承载基础的安全可靠性直接关乎着整个风电系统的安全。风机承载基础包括上部和下部承载基础两部分，上部基础主要为钢制塔架，下部基础主要有固定式基础（重力式、负压桶式、桩基础、导管架等）和漂浮式基础两类，其中，钢管桩这种单桩基础是目前国内外海上风机应用最广泛的下部承载基础形式，占比~80%。近年来，随着近海海域可利用空间的渐趋饱和，海上风电开发向深远海发展成为必然，对风机承载基础的力学性能提出更高要求：高强度、高塑性和高韧性。
2、深远海大容量风机承载基础-管桩和塔架为典型的大拘束度高承载焊接结构，其结构特点是大：大厚度、大直径、大长度和大质量，如国能集团渤中 500mw海上风电 8.5mw风机管桩长度 71 米，总质量~1020t，最大壁厚和外径分别为85mm 和 7.5m；塔架长度 114米，总质量~550t，最大壁厚和外径分别为 47.5mm和 7.5m。随着大叶片、大容量风机的不断发展和海上风电进一步向深远海进军，管桩和塔架也越来越大，直径超过 11m，壁厚超过120mm，长度超过 130m，管桩质量超过 2400t，塔架质量超过 900t。管桩和塔架的基本制造工序主要为：（1）钢板下料和焊接坡口加工→（2）外形与尺寸检验→（3）钢板压边、卷圆→（4）筒体外形与尺寸（周长、同轴度、椭圆度等）检验→（5）筒体纵焊缝焊接→（6）焊接检验（焊缝外观与尺寸、ut 无
3、管桩和塔架材质多为 355mpa 级 dh36、dh36-z35 和 q355nd-z35 低合金高强钢，从材料焊接性分析，上述低合金高强钢碳当量 ceq 不高，如dh36-z35ceq 为 0.45，有一定的淬硬倾向，但材料熔化焊焊接性尚好。针对具体产品的结构焊接性分析，产品结构尺寸加大，如厚度加大，势必严重恶化其结构焊接性：一方面，产品结构尺寸加大，焊接拘束度增大，熔化焊时不均匀的局部加热和冷却使焊接部位在结构自身及外部拘束下无法自由膨胀收缩而导致很大的焊接应力，显著增大焊接热裂和冷裂倾向；另一方面，产品结构尺寸加大，结构散热快会导致焊缝和焊接热影响区 haz（heat affected zone-haz）焊接冷却速度过大而出现异常的贝氏体组织甚至马氏体淬硬组织而恶化塑性和韧性，同时，在拘束应力较大和扩散氢含量较高的情况下，必须采取焊前预热、焊后缓冷热处理等措施以防止冷裂纹的产生。因此，上述低合金高强钢大厚度板对接焊时，目前国内外应用最为广泛的焊接制造技术是采用全焊透的双面多层多道埋弧自动焊以及半自动气体保护熔化极弧焊打底+埋弧自动焊双面填充与盖面焊接。为抑制焊接裂纹、软化淬硬部位并改善焊接接头（包括焊缝和 haz）组织以提高焊接接头综合力学性能，上述低合金钢中厚板（≥40mm）要进行焊前预热（预热温度通常为 80~120℃）和焊后缓冷热处理（缓冷热处理温度通常为~200℃，保温 1小时），并严格控制焊接层间温度。为确保根部良好的熔透性以及焊接缺陷和力学性能控制，双面多层多道埋弧自动焊焊时，背面焊接前通常要进行碳弧气刨清根和机械打磨，获得良好的焊接坡口以及去除渗碳层（渗碳层严重恶化塑性和韧性），半自动气体保护熔化极弧焊打底+埋弧自动焊双面填充与盖面焊接时，打底焊通常也要进行碳弧气刨清根和机械打磨。针对碳弧气刨清根和机械打磨，由于会造成烟雾和粉尘污染，加长焊接周期、降低焊接生产效率和增加生产成本，因此，取代或者取消碳弧气刨清根得到研究开发，如文献cn107442891a 公开了一种中厚板纵、环缝焊接接头及焊接工艺，埋弧双面焊，机械清根代替碳弧气刨；文献 cn106944724a 公开了一种埋弧焊全熔透不清根焊接方法，在坡口背面设置不清根衬垫。用机械方法或衬垫取代碳弧气刨清根，一定程度上减少了污染，但操作技术难度增加或不可行（很多产品无法放置和去除衬垫），生产效率降低，应用非常有限。文献cn108788507a 公开了一种中等厚度钢板（厚度 30mm）的对接焊接工艺，双面焊接，正面药芯焊丝二氧化碳气体保护焊打底后进行埋弧焊焊接，反面无需清根直接埋弧焊，但钢板材质与焊接后的力学性能未述及。针对焊前预热，由于其需要提供较多设备、能源、人工等投入才能完成，生产成本高且生产周期长，因此，取消焊前预热的焊接技术也得到研发，如文献cn109967842b 公开了一种 eh36 高强度钢厚板（厚度≤64mm）的不预热埋弧焊方法，半自动 co2 气体保护焊在 x 型焊接坡口处完成定位焊，定位焊缝长 50mm，焊缝间距300mm，埋弧双面焊，虽取消焊前预热，但焊接中采用碳弧气刨和机械打磨清根，实施例中经过焊接工艺评定测试，焊接接头抗拉强度≥490mpa，弯曲试验在弯芯直径 4a 下弯曲 180°接头试样表面的开口缺陷长度≤3mm 或没有开口缺陷，冲击温度- 20℃下接头各区域平均冲击功≥34j，该文献未述及焊接接头的断后伸长率力学性能指标。迄今，尽管已有中厚钢板不清根和不预热焊接技术的文献报道，但是，受到传统焊接流程的制约，上述 355mpa 级低合金高强钢中厚板焊接中的焊前预热、焊后缓冷热处理以及打底焊清根这三个主要的焊接制造环节并未全部取消，要么是单单只取消了打底焊清根，要么单单只是取消了焊前预热，同时全部取消焊前预热、焊后缓冷热处理以及打底焊清根的短流程焊接技术还是空白。对于深远海大容量风机承载基础-管桩和塔架这类 355mpa 级低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构而言，由于其大厚度、大直径、大长度和大质量特性，焊前预热和焊后缓冷热处理要保证预热、焊后缓冷热处理温度以及加热区域的准确性，技术操作比较繁杂，生产制造周期和成本大幅度增加。另外，对于金属材料而言，强度与塑性和韧性通常呈倒置关系，而焊接接头往往是整个焊接结构中性能最薄弱的环节，因此，保证焊接质量并获得同时具有高强度、高塑性和高韧性的焊接接头也是目前大拘束度高承载焊接结构亟待解决的技术难题。针对以上存在的技术难题，研究开发出低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，焊前不预热，打底焊不清根，焊后不缓冷热处理，且获得高强度、高塑性和高韧性力学特性的对接焊接接头，具有重要的工业应用意义，应用前景非常广阔。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服以上的不足，提供一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，突破传统焊接制造流程制约，专利技术一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法：焊前不预热，半自动混合气体熔化极弧焊打底焊后不清根直接进行埋弧自动焊填充与盖面层焊接，焊后不缓冷热处理，能显著缩短焊接生产周期且获得同本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，焊前不预热，直接采用半自动混合气体保护熔化极弧焊正面打底焊接，打底焊后不清根，先采用自动埋弧焊进行正面填充与盖面层焊接，然后采用自动埋弧焊进行背面填充与盖面层焊接，焊后不进行缓冷热处理。
2.根据权利要求1所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，获得高强度、高塑性和高韧性的对接焊接接头，正火态DH36-Z35大厚板焊接后，焊接接头屈服强度ReH≥455MPa，抗拉强度Rm≥547MPa，断后伸长率A≥38.9%，-20℃焊缝KV2≥118J，-20℃热影响区KV2≥154J，-40℃焊缝KV2≥18J，-40℃热影响区KV2≥57J，强度和塑性高于正火态DH36-Z35母材。
3.根据权利要求2所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用ABAQUS有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计对接接头坡口形状与尺寸：双面V型非对称坡口，正面坡口角度50
4.根据权利要求3所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用ABAQUS有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计焊接顺序：半自动混合气体保护熔化极弧焊正面打底焊后直接进行埋弧自动焊正面填充层和盖面焊接，然后进行埋弧自动焊背面填充层和盖面焊接。
5.根据权利要求4所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用ABAQUS有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计焊层数与道数：半自动混合气体熔化极弧焊正面打底焊接1层，熔敷2~3道；埋弧自动焊正面填充层和盖面层数S正=正面坡口深度（单位mm）/（9.2~10.8mm），埋弧自动焊背面填充层和盖面层数S背=背面坡口深度（单位mm）/（4.6~5.4mm），焊道数逐层递增1，填充层第一层熔敷2道，第2层熔敷3道，第S层熔敷S+1道。
6.根据权利要求5所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用ABAQUS有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计各焊层与焊道的焊接线能量：半自动混合气体熔化极弧焊正面打底焊焊接线能量15.18~17.19KJ/cm；埋弧自动焊正面和背面填充焊第1层焊接线能量分别为30.48~32.43KJ/cm和29.46~31.46KJ/cm，正面和背面填充焊第S+1层焊接线能量Es+1与第1层呈线性递增关系：Es+1=（1+0.0361×s）×E1；埋弧自动焊正面和背面盖面层焊接线能量分别为34.25~36.23KJ/cm和31.43~33.43KJ/cm。
7.根据权利要求6所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，半自动混合气体熔化极弧焊保护气为70%Ar+30%CO2，直流反接，焊丝为GBER50-6，直径Φ2mm；埋弧自动焊正面填充层和盖面层焊接，直流反接，焊丝为GB H10Mn2，直径Φ5mm，焊剂为GB/T 5293F5A2-H10Mn2。
8.根据权利要求6所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，对接纵缝两端分别用手工电弧焊固定一副引弧板和一副熄弧板，引弧板和熄弧板尺寸120mm×120mm，厚度、材质、热处理状态、焊接坡口与焊接产品一致。
...【技术特征摘要】
1.一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，焊前不预热，直接采用半自动混合气体保护熔化极弧焊正面打底焊接，打底焊后不清根，先采用自动埋弧焊进行正面填充与盖面层焊接，然后采用自动埋弧焊进行背面填充与盖面层焊接，焊后不进行缓冷热处理。
2.根据权利要求1所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，获得高强度、高塑性和高韧性的对接焊接接头，正火态dh36-z35大厚板焊接后，焊接接头屈服强度reh≥455mpa，抗拉强度rm≥547mpa，断后伸长率a≥38.9%，-20℃焊缝kv2≥118j，-20℃热影响区kv2≥154j，-40℃焊缝kv2≥18j，-40℃热影响区kv2≥57j，强度和塑性高于正火态dh36-z35母材。
3.根据权利要求2所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用abaqus有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计对接接头坡口形状与尺寸：双面v型非对称坡口，正面坡口角度50°~60°，背面坡口角度70°~80°，钝边2mm，正面坡口深度=2/3母材厚度-2（单位mm），焊接间隙0。
4.根据权利要求3所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用abaqus有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性能模拟计算、焊接热模拟并通过实际焊接试验修正，精准设计焊接顺序：半自动混合气体保护熔化极弧焊正面打底焊后直接进行埋弧自动焊正面填充层和盖面焊接，然后进行埋弧自动焊背面填充层和盖面焊接。
5.根据权利要求4所述一种低合金高强钢大拘束度高承载焊接结构短流程焊接制造方法，其特征在于，基于弹塑性力学理论，采用abaqus有限元焊接热循环和焊接应力以及力学性...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱军，罗伟，窦战国，董金瓯，吴帅宇，林文娟，
申请(专利权)人：南通泰胜蓝岛海洋工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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