焊接风电塔筒工艺技术的改进措施

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摘 要：风电塔筒系风电塔筒系圆锥筒形焊接结构件，分段制造，每段高度在十几米至三十几米，每段节间采用连接法兰连接，顶部安装风力发电机。风电塔筒制造难点在于解决各段连接法兰之间的平面度、平行度与焊接变形之间的矛盾。本文探讨了塔筒焊接技术，先是对传统的焊接技术进行了分析，指出传统焊接技术中存在的不足，提出了相应的改进措施，希望为风电塔筒焊接技术人员提供参考。

关键词：焊接工艺；风电塔筒；改进措施

中图分类号：TG445 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）11-0214-01

引言

风力发电具有清洁、绿色环保、可循环使用的特点，因此，在很多风能资源丰富地区得到了广泛应用。风力发电机组的寿命一般为20a，塔架高度至少有80m，直径4m以上，钢板的厚度达40cm。安置于塔架顶部的机舱的重量也有几十吨。当前风力发电机组的单台设计容量的发展趋势是越来越大，塔架的发展趋势是越来越高，这也为塔架的性能与质量提出了更高的要求。常用的塔架有管塔式与桁架式两种，管塔式塔架也称为塔筒，与桁架式塔架相比，管塔式塔架具有维护简易、外形美观、坚固耐用等优点。塔筒生产的最关键程序就是焊接，因此，塔筒焊接技术的先进性直接影响到塔筒的质量与性能。

1 传统塔筒焊接工艺

为了让法兰与筒体在焊接完成后，角变形量符合设计要求，采用的方法是先将单个的法兰与筒体的对接点固焊组成一体后，再进行焊接。这个焊接操作一般需要埋弧焊，可以选用型号为MZ9-1250自动弧焊机与ZD5-1250型弧焊整流器，直流反接。焊丝可以选用H10Mn2，直径为4mm，焊剂选择SJ101。整个焊接过程共分为3个层次，第1层先要进行筒体外侧焊接，内侧使用碳弧气刨清根，加工出一个U字形的坡口，完成清根操作后，用砂轮，也可以使用角向磨光机将坡口进行打磨，让坡口两侧20cm范围内的金属光泽裸露出来，将表现的氧化物或是碳化物等杂质清除掉，检查一下是否存在夹渣、裂纹之类的缺陷。第2层焊接与第3层焊接是从塔筒的内侧进行的。由于塔筒承受的载荷为疲劳载荷，因此，焊缝就应具有较高的耐冲击性，此有较高的韧性，因此，应在焊接完成后，马上进行消氢处理，此操作的适宜温度为200～350℃下进行，时间至少要在2h以上。焊接应力受焊接顺序、坡口大小和焊接热输入等因素影响，控制好焊接应力，就可以控制好焊接后的角变形。焊接工艺参数如表1所示。

2 传统塔筒焊接工艺存在的问题

2.1 增加了工人劳动强度

这种先进行法兰外侧焊接，再在内侧用碳弧气刨清根，使后面的清根操作以及清根操作完成后的坡口打磨操作很难实施，焊工的劳动强度大大增加，从而影响了工期。

2.2 产品质量有可能受到影响

由于背面坡口清根与坡口打磨操作不易进行，在清根操作时，经常会使坡口变形，坡口的打磨也会留有残渣，产生缺陷，这就容易在焊接时有气孔出现在焊缝中，最终影响到塔筒的质量。

2.3 法兰角出现变形

在焊接过程中，法兰角的变形由焊接工艺参数来决定，也就是受背面的焊缝应力影响，这种情况下，法兰角的变形容易出现不一致的情况，严重的甚至会影响到塔筒的质量与性能。

2.4 塔筒焊接工艺改进措施

如上所述，传统的塔筒焊接工艺具有一些缺点，常会使筒体出现一些缺陷，因此，要进行焊接工艺的改进。风电塔筒的生产制作是将法兰与筒节之间采用直角焊缝连接，但是由于风电塔的塔架法兰的直径至少都有40cm左右，并且厚度都达到40cm，因此，焊接后容易出现变形，法兰的平面度、椭圆度等重要性能指标产生影响。传统的焊接方法多是采用手工操作难以实现焊角的尺寸相同，更是容易出现一些缺陷。将法兰变形的可能性降到最低，可以通过法兰与筒节之间的自动CO2现气体保护焊和埋弧自动焊接，以此保证焊角尺寸达到要求，更是可省去变形后的校形操作。改进工艺的具体实施过程中如下所述：

2.4.1 可以采用双面埋弧焊焊接、反面弧气刨清根

选择的焊接材料为埋弧焊焊比+焊剂（H10Mn2+SJ101），采用的焊接机为罗尼维尔十字臂焊接机和美国林肯埋弧焊焊机。进行热处理的设备选定智能电脑温控仪和自动温度记录仪。在进行焊接前，先要预热，温度控制在80～120℃。

2.4.2 纵焊缝和环焊缝的焊接

无论是纵焊缝和环焊缝都应先进行内侧焊接，完成内部焊接后，再进行外侧碳弧气刨清根，完成清根工作手，再采用与内侧焊接工艺相同的工艺进行外侧焊接，但是前几层的焊缝厚度就薄一些。在进行环焊缝焊接时，一定要将完成内侧3～4层，而内侧2层的焊接与外侧碳弧气刨清根打磨同时进行，焊缝成形系数要控制在2.0以内。完成焊接后，应测量一下法兰的外翻，根据法兰的外翻情况来确定内侧与外侧的焊接工作。

2.4.3 计算出法兰与筒节连接后的总体长度

将法兰与筒节连接后的总体长度计算出来，计算结果作为船型焊工装的整体长度的确定依据，这样筒节在焊接过程中的稳定性就得到保证了。得出工装倾斜角度的精确数值，这也是影响塔筒质量的重要因素。在计算数值时，应注意以下两点：角度的大小应适中，尤其不能过大，如果角度偏大，筒节在焊接过程中，容易不稳定，埋下安全隐患，使接下来的后续工作难度增加，最终对焊缝的成型产生影响；角度也不宜过小。过小的角度容易使焊枪的前倾角度受到影响，还会影响到焊丝伸出的长度，这样法兰与筒节之间进行焊固的意义就不有了。经过多次实验，得出了25°的角是最科学合理的，可以保证工装中焊接过程中可靠稳定。

2.4.4 组装焊接

在经过选材、装配、焊接等工序后，最后进行的是法兰与筒节的工装设计与制作。在进行工装设计时，需要考虑主要因素为焊接工艺参数，因为这也是影响工装效果的最重要因素。焊接的质量容易受到法兰与筒节装配缝隙的影响，如果缝隙过大，容易使工装的辅助意义丧失，如果遇到这种情况，可以通过调解焊角的角度将工装的辅助效果发挥到极限；如果法兰的厚度、筒节的厚度不一样，应科学的选择焊接参数，焊接电流、焊接电压以及焊接速度、焊丝长度都要相互配合，注意科学的处理，如果处理不当，就会增加焊接操作的难度，还容易产生飞溅或是电弧燃烧不稳定的情况；为了保证焊缝的质量，应要焊接前将焊缝处的铁锈、油渍等彻底的清除，如果清理的不彻底容易产生气孔、夹渣等缺陷；要预防焊机设备与工装之间的摩擦阻力。焊丝盘不应与法兰接触，因为二者接触容易造成焊丝变曲或是扭弯，致使焊接进行过程中焊丝旋转或是出丝不顺畅，焊缝的成型质量受到了影响；CO2、CO气体的纯度至少要在99.5%以上。

2.4.5 在进行焊接时，要注意层间清理

层间清理会对焊接的质量产生影响，清理完成后，要马上使用手弧焊进行修补，然后再进行焊接。同样，清根质量也会对焊接质量产生影响，因此，清根区域的清理一定要做到干净彻底，可以看到金属光泽。焊接剂还要在250～350℃烘焙2h以上。

3 结语

CO2气体保护自动焊的自动化程度高，易于实现，安全可靠，焊接质量有保障，成型的焊缝美观，满足要求，塔筒的质量与性能都可以得到保证。采用适当改进措施的焊接方法既有利于生产率的提高，有利于节省人力，还有利于塔筒质量的提高。任何一项技术的发展都需要一个过程，伴随着风力发电技术在我国的广泛使用，风电塔筒的焊接技术也会进一步提高。改进的焊接技术不但可以防止法兰的角发生严重变形，还保证了焊缝的外观与内在品质。但是在采用焊接工艺改进措施时，也要考虑生产现场的实际情况，综合考虑材料、环境以及产品标准等多方面因素，因地制宜的设计与实现科学生产。

参考文献

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