感应热处理工艺在风塔筒建造中的应用

作者：万举惠单位：东风柳州汽车有限公司来源：《金属加工（热加工）》杂志风塔塔筒是采用高强度低合金钢材的中厚板，作为一种大型焊接工程结构，其焊接区域是塔架结构中最薄弱的部位，同时塔架长期处于低温、强风等恶劣环境下，特别是海上风力发电塔架，焊接部位极易产生裂纹。通常在焊接后需要对关键焊接部位进行热处理，改善其低温断裂韧性，保证塔架安全运行，但塔架焊接部位多，进行热处理施工周期长，成本高，焊接时热影区易淬硬，对氢的敏感性强，易产生氢致延迟裂纹。尤其是当焊接接头承受较大应力时更容易产生各种裂纹，因此除了焊接时必须严格考虑焊材与母材强韧性的合理匹配，选用适合高效的焊接工艺，优化焊接参数外，热处理设备和工艺的选择也是至关重要的。传统的热处理工艺采用陶瓷电阻加热器外加石棉保温进行，缺点是温度控制误差大，厚壁杆件内外温度的均匀性差，焊缝硬度高，效率低，安全性差（电阻丝外露）大量使用石棉等对人体和环境有害的物质，瓷片的布设费时费力，大量的易耗品，如图1所示。基于以上原因，开发采用中频感应热处理工艺对风塔塔筒的焊缝进行热处理，成功地解决了大唐黄岛5MW风电塔筒焊后热处理难题，达到了风塔塔筒的焊接质量控制要求，保证塔筒整体质量。

一、风塔塔筒材料及感应热处理原理1. 风塔材料大唐黄岛5MW风电项目风塔塔筒母材采用Q345D，板厚36mm，法兰材质采用Q345E-Z35，70mm。塔筒直径4260mm。其力学性能和化学成分符合GB/T1591-2008，要求焊缝接头-40℃下，冲击吸收能量AKV≥34J，需要热处理的部分法兰和塔筒的主要参数见表1；焊接坡口采用V形坡口，碳弧气刨清根，CO2气体流量15～20L/min，埋弧焊焊剂SJ101，其他焊接参数见表2。表1 法兰和塔筒的主要参数部位材质厚度基础环法兰Q345E-Z3570塔筒Q345D36表2 法兰和塔筒焊接工艺材料焊接方法焊丝焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/㎝·min﹣1牌号直径/mmQ345DSAWH08Mn24480～60028～3535～40Q345D- Q345E-Z35FCAWE501T-1L1.2200～25026～2718～25Q345E-Z35FCAWE501T-1L1.2200～25026～2718～252. 感应热处理原理及模型线圈内的交变电流产生交变磁场，使工件中产生感应电流，靠感应电流加热工件。感应加热时工件整个截面都有感应加热电流，内部温度梯度小，最热区域在工件表面下方，热量在金属内部快速传导，如图2所示。图3为塔筒焊缝感应热处理示意。热处理前将柔性加热电磁感应线圈缠分布于塔筒焊缝两侧，热电磁感应线圈小于塔筒壁厚，保温部位、加热部位、电流带依次覆盖。

图 2   感应热处理原理

图3 塔筒焊缝感应热处理示意二、热处理工艺及结果测定1.热处理工艺采用ProHeat35型中频感应加热设备进行热处理；采用内部通水的柔性加热电磁感应线圈；热处理焊缝采用岩棉进行保温；K型热电偶丝测温8个，内部安装4个、外部安装4个分别监控塔筒内外壁的温度，位置分别位于塔筒的12点、3点、6点、9点方位，如图4所示。

图4  内部的热电偶位置焊前预热，80～125℃；焊后热处理工艺：焊缝温度300℃以上升温速度90～104℃/h，降温速度100～130℃/h；300℃以下可不控制温升速度。恒温保温温度630℃±15℃，保温2.5h，焊后热处理要在焊后12h内完成。焊后热处理工艺曲线如图5所示。

图5 焊缝热处理工艺2.测试结果与分析（1）内外壁温差图6为感应热处理时内外壁温度。从图6可以看出，8个测温点测量内外壁数据表明内外壁的温差较小，基本上可以控制在20℃以内，相对于陶瓷加热或电阻加热内外壁较为均匀。

图6  内外壁温度（2）热处理后焊缝硬度硬度测试根据ASTM E92，测试结果见图7。硬度测试表明热处理后的热影响区硬度略高于20HV，焊缝区硬度＞200HV，依据要求，Q345钢材经过热处理后的硬度值应小于320HV。

图7  热处理后焊缝硬度（3）弯曲性能测试对采用相同热处理工艺的焊接工艺评定样件进行了弯曲性能测试，结果表面弯曲试验未在外表面发现裂纹，结果合格。（4）工艺评定对采用相同热处理工艺的焊接工艺评定样件按照BS EN10045.1在-40℃下进行夏比V型缺口试验。冲击试验机型号JBN-500-086。冲击测试结果见表3。冲击结果表明，热影响区冲击吸收能量大于焊缝区。-40℃冲击试验焊缝金属和热影响区的冲击韧性远高于标准值。表3 夏比V型缺口冲击测试结果位置冲击吸收能量测试值/J平均值/J焊缝区152147131143热影响区180180199186三、结语感应热处理工艺加热均匀，效率高，节电效果明显，加热速度快，成本低，达到了焊后热处理工艺要求。实践证明，感应热处理工艺预热有利于去除母材表面水分和加速氢气的溢出，从而降低焊道产生裂纹的敏感性，消除焊接结构的焊接残余应力，降低焊接区的硬度，促使扩散氢溢出，稳定组织，改善力学性能和高温性能，避免产生脆断和延迟裂纹，进行焊后热处理，残余应力可降低80%～90%，焊缝硬度也可降低10～15HBW。说起感应加热，就不得不提醒大家第五届高端感应热处理技术交流会终于要跟大家见面了！！今年定在湖北十堰！还是熟悉的配方，会议分为讲座形式+答疑形式，讲究高端与先进，汇集这个行业国内外顶级的装备商、行业专家和应用企业。我们将特邀感应热处理行业的知名专家、知名国际企业参会，让每一位参会者都不虚此行，有问题的及时解决问题，注重实用、先进。会议代表构成：汽车零部件、齿轮、轴承、曲轴、工程机械、机车车辆、风电、粉末冶金、重工机械、机床及热处理专业厂和设备提供商等专业从事感应热处理的领导、专家与工程技术人员。拟邀请企业：应达、高周波热炼、SAET萨伊、EMA艾玛应泰、EFD易孚迪、德国eldec、ELOTHERM西马克艾洛特姆、宫电高周波设备（上海）、GH、FLUXTROL等国外品牌，以及十堰天舒、十堰恒进、十堰高周波、洛阳三恒、洛阳升华、洛阳科诺、洛阳法拉地、天津天高、万领高频、上海恒精、郑州科创、北京亿磁电热科技、山东荣泰、杭州帝森科技等国内品牌。具体的会议信息如下：主办：机械工业信息研究院金属加工杂志社日期：2021年11月15日—17日地点：维也纳国际酒店(十堰绿洲美景店）位置：湖北省十堰市茅箭区东岳路16号绿洲5A商务中心维也纳国际酒店维也纳酒店(十堰绿洲美景店)位置：湖北省十堰市茅箭区东岳路16号绿洲5A商务中心1层【出行路线】若您乘坐飞机参会：1.从十堰武当山机场打车（不堵车的情况下）约40分钟，预估费用50（以实际情况为准）。2.从武当山机场乘坐机场公交快线2号线，在【用心人行署大药房】换乘27路公交车，到【中国人寿保险】公交站下车，步行1分钟即可抵达酒店。全程预计1个小时10分钟（不堵车的情况下）。若您乘坐高铁参会：从【高铁十堰东站】乘96路公交车出发，【文化广场】站换乘22路公交车到【中国人寿保险】站下车即可抵达维也纳国际酒店，全程预计1小时（不堵车的情况下）。若您乘坐火车参会：从【武当山火车站】乘202路公交车，到【顾家岗】站换乘10路公交车，【市群艺馆】站下车，步行6分钟即可抵达维也纳国际酒店。全程预计1小时20分钟。（不堵车的情况下）以上是小编目前认知里几条较优且高效的路线，若诸参会代表还想咨询其他路线请在公众号下方留言，小编再为您查找。一、会议拟邀内容和企业会议内容：先进感应热处理技术的应用与发展感应电源的技术与发展感应器的设计与应用先进感应热处理装备选型与应用全自动柔性淬火机床智能化、信息化技术在感应热处理中的应用典型零部件感应热处理案例感应热处理常见缺陷分析与质量控制加热能量追踪与控制工业机器人系统在感应热处理中的应用感应热处理检验与检测技术感应热处理材料及配套元器件二、会议费与住宿费用1.会议费：1600元/人（11月5日前提前汇款：1400元/人）2.住宿费用自理，普通标间是228元，单间（大床房）是228元请将会议费汇至下列账户：户 名：机械工业信息研究院帐 号：0200001409014473834开户行：中国工商行北京百万庄支行三、注意事项疫情尚且存在，但是幸运的是，加强针现在已经可以开始接种了，建议各位参会人员根据自身情况安排接种，对内做好自身安全保障工作~对外请各位代表服从酒店、会场及用餐防疫安排，做好防控，保障自身和他人安全。购买热处理设备、投递广告请咨询：孙哿手机：[phone]