文 | 賈勤飛，郭文輝

風(fēng)力發(fā)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模、最具發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。發(fā)展風(fēng)電對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等都具有非常重要的意義。塔架應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，承受作用在風(fēng)輪、機(jī)艙和塔架上的靜載荷和動(dòng)載荷，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命。因此，作為整個(gè)發(fā)電機(jī)組的重要部件，其質(zhì)量至關(guān)重要，而門框與塔架之間的焊接是T形接頭連接，如圖1所示。門框是塔架筒節(jié)的薄弱環(huán)節(jié)、焊接過程中產(chǎn)生的變形會(huì)影響塔架筒節(jié)的直線度、筒節(jié)的橢圓度、塔架底法蘭的平面度、降低筒節(jié)的剛度、降低承載能力等，對(duì)整個(gè)塔架的質(zhì)量影響很大。因此，對(duì)塔架門框焊接變形的控制及其焊接工藝的設(shè)計(jì)具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔架門框焊接所涉及到的變形控制、坡口選擇、焊接工藝設(shè)計(jì)等問題，結(jié)合上海泰勝風(fēng)能裝備股份有限公司十多年來大量的塔架生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證，提出了可行的方案，為風(fēng)電機(jī)組塔架門框的焊接提供了參考。

風(fēng)電機(jī)組塔架門框焊接變形的影響因素

風(fēng)電機(jī)組塔架與門框的焊接是T形接頭連接，焊接過程中產(chǎn)生的變形主要是橫向收縮變形和縱向收縮變形。焊接變形主要是由焊接坡口形式、門框裝配方式、焊接順序、焊接方法、焊接參數(shù)等因素的綜合作用引起的。

不同的焊接坡口形式形成不同的焊縫截面，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)有不同程度的影響。同一個(gè)焊接構(gòu)件采用不同的裝配方式、不同的焊接順序，焊后產(chǎn)生的變形也不一樣。不同的焊接順序和方向會(huì)使焊接過程中的熱量分布不同，引起焊縫不同程度的膨脹和收縮。不同的焊接方法如焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、氣保焊，需要匹配的焊接參數(shù)如焊接電流、焊接電壓、焊接速度也不同。焊接參數(shù)不同，焊件受熱也就不同，焊件變形量也各不同，熱輸入越大，焊接變形量也越大。

為了確保風(fēng)電機(jī)組塔架門框焊后筒節(jié)直線度、橢圓度、法蘭平面度等技術(shù)指標(biāo)符合產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)上述塔架門框焊接變形的影響因素分析，對(duì)焊接坡口形式、門框裝配、焊接方法、焊接順序、焊接參數(shù)等方面進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究。

圖1 風(fēng)電機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)示意圖

塔筒筒節(jié)與門框焊接的坡口形式

筒節(jié)與門框焊接的坡口形式和大小是控制門框焊后變形的主要因素之一。門框厚度t1范圍一般為40mm-100mm，筒體厚度t2范圍一般為30mm-50mm。在筒節(jié)的坡口設(shè)計(jì)上，經(jīng)過大量生產(chǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用火焰切割的方法預(yù)制單邊非對(duì)稱V形坡口（如圖2），內(nèi)側(cè)坡口角度35°-40°，鈍邊2mm，間隙0mm-2mm，用CO2氣保焊在門框外側(cè)面連續(xù)焊定位，然后先焊接門框內(nèi)側(cè)，再清根外側(cè)。這樣的坡口不僅好切割，而且通過碳弧氣刨的方法清根門框外側(cè)，獲得類似K形的焊縫截面，能較好地減少角變形，保證塔架底法蘭的平面度0mm-2mm的要求。

門框的開孔及裝配

底段筒體焊接結(jié)束檢查合格后，在筒體內(nèi)部相應(yīng)位置畫出門框的中心線，及最高、最低點(diǎn)，然后如圖3所示，叉車將門框送入筒體內(nèi)部，使其中心線對(duì)準(zhǔn)所畫中心線，調(diào)整最高、最低點(diǎn)，用石筆沿門框四周在筒體上畫出相貫線，然后采用氧乙炔火焰切割開孔。筒體開孔后檢查尺寸，去毛刺打磨后開坡口。

門框裝配前，按照?qǐng)D紙要求的門框伸出筒體尺寸，在門框的兩端焊接定位板，以便于門框裝配時(shí)支撐門框?qū)R尺寸。焊接定位板后，調(diào)整好筒體開孔方位，將門框吊到筒體開孔上方，放入孔內(nèi)，定位板與筒體內(nèi)側(cè)接觸。裝配時(shí)，使用兩個(gè)液壓缸支撐門框，調(diào)整門框兩端高度（如圖4），直至達(dá)到要求的尺寸，再進(jìn)行點(diǎn)焊固定。

門框的焊接工藝設(shè)計(jì)

門框焊接工藝的設(shè)計(jì)包括了焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的匹配、焊接順序及焊后處理的設(shè)計(jì)?？茖W(xué)合理地設(shè)計(jì)焊接工藝，對(duì)控制焊接變形、保證焊接質(zhì)量是至關(guān)重要的。

一、焊接方法的選擇

風(fēng)電機(jī)組塔架的材質(zhì)通常為低合金結(jié)構(gòu)鋼，可供選擇的常用焊接方法為埋弧自動(dòng)焊、CO2氣保焊和焊條電弧焊。對(duì)于塔架門框和筒體的焊接，考慮到該焊縫路徑為橢圓形，使用埋弧自動(dòng)焊的方法較難實(shí)施。與焊條電弧焊相比，CO2氣保焊具有連續(xù)自動(dòng)送絲、表面無熔渣、熔深大、焊接速度快、變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此針對(duì)塔架門框焊接的接頭形式、焊接位置的情況，選用操作靈活、效率高的CO2氣保焊較為合適。

二、焊接參數(shù)

為了減小焊接變形，盡量采用小線能量，多層多道焊進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)及熱輸入見表1。

圖2 坡口形式示意圖

圖3 叉車將門框送入筒體示意圖

圖4 門框裝配示意圖

三、焊接順序

合理的焊接順序可以有效降低焊接變形，對(duì)于塔架門框的焊接采用對(duì)稱交叉退焊法可以較好地控制焊接變形。兩名焊工采用相同的焊接參數(shù)按照?qǐng)D5焊接順序進(jìn)行焊接，先焊接直線焊縫，再焊接曲線焊縫，可以有效減小焊縫縱向收縮引起的變形。內(nèi)側(cè)坡口焊到2/3的深度后，門框外側(cè)用碳弧氣刨進(jìn)行清根，將外側(cè)坡口填滿，最后將內(nèi)側(cè)坡口剩余深度焊滿，這樣可以進(jìn)一步較好地減少焊接變形。為了提高焊接可操作性，保證焊接質(zhì)量，門框外側(cè)需進(jìn)行平焊位置焊接。為此，專門設(shè)計(jì)了門框焊接操作平臺(tái)（如圖6），操作平臺(tái)是一個(gè)以中間開方孔的花紋板為底，四面護(hù)欄由方管焊接而成的框式鋼結(jié)構(gòu)。操作平臺(tái)位于塔架門框正上方，門框穿過平臺(tái)中間位置，平臺(tái)吊裝固定后，兩名焊工在平臺(tái)上進(jìn)行門框外側(cè)焊縫的焊接作業(yè)。

表1 門框焊接工藝參數(shù)

圖5 門框焊接順序示意圖

圖6 門框焊接操作平臺(tái)

四、焊前預(yù)熱及焊后消應(yīng)力

塔架門框厚度較大，焊接時(shí)較容易出現(xiàn)焊接應(yīng)力、焊接拘束度和焊接裂紋等危害，這些危害會(huì)造成塔架結(jié)構(gòu)的形狀變形、尺寸精度降低、承載強(qiáng)度減弱，進(jìn)而會(huì)較大地縮短塔架服役壽命、危及生命安全，存在造成重大經(jīng)濟(jì)損失的隱患。為了避免以上隱患的產(chǎn)生，控制焊接結(jié)構(gòu)變形，保證焊接質(zhì)量是非常重要的。因此，塔架門框焊接前進(jìn)行預(yù)熱可以較好地降低焊接應(yīng)力、焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的溢出，避免焊接裂紋。

同時(shí)，焊接厚度越厚，焊后殘余應(yīng)力值就越大，焊后殘余應(yīng)力將會(huì)影響到焊件的抗腐蝕、抗開裂、抗疲勞等機(jī)械性能以及焊接結(jié)構(gòu)和尺寸。所以塔架門框焊接結(jié)束后需進(jìn)行熱處理消應(yīng)力，但從實(shí)際情況出發(fā)，門框焊接在大型風(fēng)電機(jī)組塔架上后，由于尺寸較大不適合進(jìn)行熱處理消應(yīng)力。從可實(shí)施性和高效低能耗的角度考慮，采用振動(dòng)時(shí)效加超聲波沖擊時(shí)效的方法可以較好地達(dá)到消除和均勻化塔架門框焊后殘余應(yīng)力的目的。

風(fēng)電機(jī)組塔架門框的焊接實(shí)例

上海泰勝風(fēng)能裝備股份有限公司制造風(fēng)電機(jī)組塔架已有十多年的歷史，有著成熟的風(fēng)電機(jī)組塔架焊接經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。公司為某項(xiàng)目生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)備部分實(shí)景圖，如圖7-圖10所示。圖7和圖8分別是塔架門框焊接結(jié)束后的內(nèi)、外側(cè)實(shí)圖，風(fēng)電機(jī)組塔架的所有焊縫無損檢驗(yàn)合格后進(jìn)行防腐處理。圖9和圖10分別是現(xiàn)場(chǎng)服役的風(fēng)電機(jī)組塔架門框圖和風(fēng)電機(jī)組主體外觀圖。

圖7 塔架門框內(nèi)側(cè)實(shí)景圖

圖8 塔架門框外側(cè)實(shí)景圖

圖9 某服役的風(fēng)電機(jī)組塔架門框圖

圖10 風(fēng)電機(jī)組主體外觀圖

結(jié)語

通過設(shè)計(jì)合理的坡口形式、塔筒門框裝配方式，選用合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝參數(shù)等綜合措施，并且在塔架門框焊接結(jié)束后進(jìn)行熱處理或振動(dòng)時(shí)效加超聲波時(shí)效可以較好地消除焊接應(yīng)力，有效地控制了塔架門框的焊接變形，保證塔架門框焊接的設(shè)計(jì)和質(zhì)量要求，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。