劉欣寧，孟慶輝，劉保軍

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 南陽 473000；2.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 473003）

0 前言

隨著清潔能源的興起，風(fēng)電項(xiàng)目高速發(fā)展。目前風(fēng)塔的焊接仍然采用傳統(tǒng)的單絲埋弧焊工藝，其缺點(diǎn)是焊接速度慢、焊縫成形難以控制、生產(chǎn)效率低，很難適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。Power Wave AC/DC 1000波控電源是目前較為先進(jìn)的埋弧焊電源，將兩臺或兩臺以上電源及其他輔助機(jī)構(gòu)組成的雙絲或多絲埋弧焊接系統(tǒng)應(yīng)用于大型風(fēng)塔工程可顯著提高焊接速度并改善焊縫外觀。

1 波形控制的目的

波形控制的主要目的是控制熔敷率和熔深，在較小線能量下獲得更多的熔敷金屬，既能提高焊接效率，又可保證焊縫金屬具有良好的力學(xué)性能，且改善焊縫成形，達(dá)到美觀的效果[1]。

2 Power Wave AC/DC 1000波形控制

Power Wave AC/DC 1000電源的特點(diǎn)為：將波形控制技術(shù)應(yīng)用于埋弧焊電源，產(chǎn)生可變的交流輸出，頻率、頻幅、直流正向輸出和直流負(fù)向輸出的功能可調(diào)，操作者可控制熔敷率和熔深，能在單弧或多弧系統(tǒng)中提高焊接速度、焊接質(zhì)量和焊接效率。在多弧系統(tǒng)中通過設(shè)置不同的相位角度和頻率，得到最小的電弧干擾和磁偏吹。通過同軸變壓器技術(shù)減少了各元件的磁泄漏及熱損耗，從而提高效率和可靠性；采用逆變電源，功率因數(shù)達(dá)95%，使得在同等電力配置下可使用更多電源，減少動(dòng)力容量的需求；可通過Arc-link、以太網(wǎng)和DeviceNetTM通訊進(jìn)行焊接工藝的檢測及遙控；內(nèi)置式網(wǎng)路電壓補(bǔ)償以及可靠的輸入電壓連接能夠確保在網(wǎng)路電壓±10%波動(dòng)時(shí)焊機(jī)仍有穩(wěn)定的輸出[2-3]。

2.1 波形控制原理

AC/DC波控電源的波形參數(shù)如圖1所示。Power Wave AC/DC 1000實(shí)現(xiàn)了對圖中各參數(shù)的控制，且調(diào)諧簡潔方便。

圖1 AC/DC波控電源的波形參數(shù)

2.2 應(yīng)用波控電源時(shí)的調(diào)控目標(biāo)

波形變化對焊接電源的影響如圖2所示，波形變化引起焊接電弧變化，而焊接電弧直接影響焊縫成形，這種變化關(guān)系如圖3所示[4-5]。

圖2 波形變化對焊接電源的影響

圖3 波形變化對焊縫成形的影響

根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，打底層需獲得較大熔深，填充層能有較高的熔敷率，而蓋面層兼具高效率和平坦美觀。因此，為獲得較大熔深，選用較大正向電流；采用標(biāo)準(zhǔn)方波或偏負(fù)向的波形以獲得較高的熔敷率；而為了美觀，可進(jìn)一步調(diào)高負(fù)向波的頻寬和波幅。傳統(tǒng)的DC或AC電源只有一種固定波形，只有波控電源能夠達(dá)到這些目標(biāo)[6]。

2.3 波形調(diào)控

電流、電壓是一個(gè)平均值，直接設(shè)定；頻率（單位：Hz）的高低將影響電弧的穩(wěn)定性，直接設(shè)定；平衡（單位：%DC+）——調(diào)整正負(fù)半波占控比，即改變了正負(fù)波的頻寬；直流偏置量（單位：%）——通過疊加一個(gè)直流，可改變正負(fù)波波幅；相位——在雙弧或多弧系統(tǒng)中，為防止相互干擾，必須進(jìn)行移相操作，對波控電源而言實(shí)施較為容易。

3 雙絲埋弧焊工藝參數(shù)

雙絲埋弧焊參數(shù)還包括干伸長、兩絲間距角度、跟隨電極角度、焊接速度等。對操作者而言，調(diào)控如此眾多的參數(shù)非常困難，用戶希望先進(jìn)設(shè)備也能匹配成熟的工藝。為此探討適合風(fēng)塔板厚范圍內(nèi)的工藝參數(shù)，方便用戶參照使用。需解決的問題主要有：選擇目前風(fēng)塔生產(chǎn)中應(yīng)用最多的板厚規(guī)格13mm、19 mm、25 mm作為試驗(yàn)對象，根據(jù)各板厚找出合適的工藝參數(shù)；研究高速埋弧焊時(shí)焊劑對焊縫成形的適應(yīng)性；大線能量對接頭韌性的影響程度[7]。

3.1 焊接坡口設(shè)計(jì)

采用標(biāo)準(zhǔn)雙Y型坡口形式，坡口參數(shù)如表1所示。

3.2 焊接參數(shù)

經(jīng)過多次試焊、對比，獲得表面和內(nèi)部合格的焊縫，焊接參數(shù)如表2所示。

表1 焊接坡口的設(shè)計(jì)

表2 焊接參數(shù)

3.3 焊接材料

試驗(yàn)選擇林肯公司的兩種焊接材料組合，焊劑均為燒結(jié)型，焊絲為低合金鋼焊絲，將其命名為A組、B組。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 焊劑對高速焊接的影響

試驗(yàn)時(shí)雖然焊速較高，最高電流值較大（950A），但焊接時(shí)熔渣覆蓋性良好，表面成形正常，與普通埋弧焊無太大區(qū)別。因此選用的兩組焊材均滿足焊接工藝性要求[8]。

4.2 接頭的沖擊韌性

冷溫型（CWE型）風(fēng)塔對低溫韌性的要求很高，因此對焊接線能量亦有特別要求。在進(jìn)行焊接工藝評定時(shí)，最難的是接頭低溫韌性達(dá)到要求值。因此，專門按ISO15614-1要求對接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，考慮到試板正反面所用能量有所不同，取最大板厚（25 mm）的焊縫的兩個(gè)層面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的沖擊值滿足規(guī)范要求（≥27 J），與以往的單絲埋弧焊試驗(yàn)相比，數(shù)值更高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也更好。理論認(rèn)為，熱影響區(qū)沖擊韌性受線能量影響很大。但線能量的定義有其狹義的一面，一般是針對同一種焊接方法的比較試驗(yàn)，用于雙絲焊時(shí)會(huì)有一些理論上的困惑，雙絲埋弧焊并非共熔池，但兩個(gè)熔池靠得很近，第二電弧進(jìn)入前導(dǎo)熔池時(shí)，前導(dǎo)熔池并未完全冷凝，因此針對兩個(gè)熔池計(jì)算線能量會(huì)有理論上的困難。所以雙絲焊時(shí)線能量既不是兩個(gè)電弧能量相加，也不是單弧的線能量，只能通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其接頭性能。如果從單弧能量來看，由于焊接速度的提高，表2中最高線能量僅24 kJ/cm，雙弧疊加為48.5 kJ/cm，實(shí)際線能量應(yīng)處于兩者之間，焊接低合金鋼時(shí)這一能量值是可接受的[9]。

表3 焊接接頭的沖擊試驗(yàn)值

4.3 焊接效率

在現(xiàn)場施工中，無論采用單絲還是雙絲，一般采用氣保護(hù)焊打底1～2層。目前施工中多采用單面V型坡口，焊接厚度為25 mm塔體時(shí)，正常裝配正面（內(nèi)側(cè)）用4道才能填滿，反面（外側(cè)）1道蓋面，如果誤差過大，焊接層次則更多。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，單絲焊時(shí)速度為30～40 cm/min，因此僅從焊速方面比較，波控雙絲焊比單絲焊快一倍，由于熔敷速度快，雙絲焊焊接層次可減少1/2，從而減少大量的焊接輔助時(shí)間。因此，波控雙絲焊的實(shí)際效率應(yīng)該是單絲焊的4倍以上。

4.4 應(yīng)用問題

本試驗(yàn)表2的參數(shù)可直接應(yīng)用到類似坡口接縫的生產(chǎn)中，如果坡口形式變化，采用上述參數(shù)可保證穩(wěn)定焊接，但焊道布置會(huì)有出入。今后要結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際的坡口形式，探索出一套通用性更好的工藝參數(shù)[10-11]。

5 結(jié)論

Power Wave AC/DC 1000波控埋弧焊電源可方便地調(diào)整電流波形，以改善熔敷效率和焊縫成形，同時(shí)提高焊接質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用波控雙絲焊后，焊接速度比傳統(tǒng)單絲焊提高4倍以上。此外，雙絲焊雖然焊接能量提高，但接頭的低溫沖擊韌性并未下降，且韌性值更加穩(wěn)定，達(dá)到制造冷溫型風(fēng)塔的技術(shù)規(guī)范。隨著大功率風(fēng)塔項(xiàng)目的不斷開發(fā)，中厚板的焊接問題會(huì)緊隨而來，單絲焊工藝已不再適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的形勢，風(fēng)塔制造等行業(yè)應(yīng)加快推廣波控雙絲埋弧焊技術(shù)的發(fā)展。