焊接風電塔筒工藝技術的改進措施

李毓文

（廣西水工機械廠，廣西 柳州 545100）

引言

風力發電具有清潔、綠色環保、可循環使用的特點，因此，在很多風能資源豐富地區得到了廣泛應用。風力發電機組的壽命一般為20a，塔架高度至少有80m，直徑4m以上，鋼板的厚度達40cm。安置于塔架頂部的機艙的重量也有幾十噸。當前風力發電機組的單臺設計容量的發展趨勢是越來越大，塔架的發展趨勢是越來越高，這也為塔架的性能與質量提出了更高的要求。常用的塔架有管塔式與桁架式兩種，管塔式塔架也稱為塔筒，與桁架式塔架相比，管塔式塔架具有維護簡易、外形美觀、堅固耐用等優點。塔筒生產的最關鍵程序就是焊接，因此，塔筒焊接技術的先進性直接影響到塔筒的質量與性能。

1 傳統塔筒焊接工藝

為了讓法蘭與筒體在焊接完成后，角變形量符合設計要求，采用的方法是先將單個的法蘭與筒體的對接點固焊組成一體后，再進行焊接。這個焊接操作一般需要埋弧焊，可以選用型號為MZ9-1250自動弧焊機與ZD5-1250型弧焊整流器，直流反接。焊絲可以選用H10Mn2，直徑為4mm，焊劑選擇SJ101。整個焊接過程共分為3個層次，第1層先要進行筒體外側焊接，內側使用碳弧氣刨清根，加工出一個U字形的坡口，完成清根操作后，用砂輪，也可以使用角向磨光機將坡口進行打磨，讓坡口兩側20cm范圍內的金屬光澤裸露出來，將表現的氧化物或是碳化物等雜質清除掉，檢查一下是否存在夾渣、裂紋之類的缺陷。第2層焊接與第3層焊接是從塔筒的內側進行的。由于塔筒承受的載荷為疲勞載荷，因此，焊縫就應具有較高的耐沖擊性，此有較高的韌性，因此，應在焊接完成后，馬上進行消氫處理，此操作的適宜溫度為200～350℃下進行，時間至少要在2h以上。焊接應力受焊接順序、坡口大小和焊接熱輸入等因素影響，控制好焊接應力，就可以控制好焊接后的角變形。焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

2 傳統塔筒焊接工藝存在的問題

2.1 增加了工人勞動強度

這種先進行法蘭外側焊接，再在內側用碳弧氣刨清根，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難實施，焊工的勞動強度大大增加，從而影響了工期。

2.2 產品質量有可能受到影響

由于背面坡口清根與坡口打磨操作不易進行，在清根操作時，經常會使坡口變形，坡口的打磨也會留有殘渣，產生缺陷，這就容易在焊接時有氣孔出現在焊縫中，最終影響到塔筒的質量。

2.3 法蘭角出現變形

在焊接過程中，法蘭角的變形由焊接工藝參數來決定，也就是受背面的焊縫應力影響，這種情況下，法蘭角的變形容易出現不一致的情況，嚴重的甚至會影響到塔筒的質量與性能。

2.4 塔筒焊接工藝改進措施

如上所述，傳統的塔筒焊接工藝具有一些缺點，常會使筒體出現一些缺陷，因此，要進行焊接工藝的改進。風電塔筒的生產制作是將法蘭與筒節之間采用直角焊縫連接，但是由于風電塔的塔架法蘭的直徑至少都有40cm左右，并且厚度都達到40cm，因此，焊接后容易出現變形，法蘭的平面度、橢圓度等重要性能指標產生影響。傳統的焊接方法多是采用手工操作難以實現焊角的尺寸相同，更是容易出現一些缺陷。將法蘭變形的可能性降到最低，可以通過法蘭與筒節之間的自動CO2現氣體保護焊和埋弧自動焊接，以此保證焊角尺寸達到要求，更是可省去變形后的校形操作。改進工藝的具體實施過程中如下所述：

2.4.1 可以采用雙面埋弧焊焊接、反面弧氣刨清根

選擇的焊接材料為埋弧焊焊比+焊劑（H10Mn2+SJ101），采用的焊接機為羅尼維爾十字臂焊接機和美國林肯埋弧焊焊機。進行熱處理的設備選定智能電腦溫控儀和自動溫度記錄儀。在進行焊接前，先要預熱，溫度控制在80～120℃。

2.4.2 縱焊縫和環焊縫的焊接

無論是縱焊縫和環焊縫都應先進行內側焊接，完成內部焊接后，再進行外側碳弧氣刨清根，完成清根工作手，再采用與內側焊接工藝相同的工藝進行外側焊接，但是前幾層的焊縫厚度就薄一些。在進行環焊縫焊接時，一定要將完成內側3～4層，而內側2層的焊接與外側碳弧氣刨清根打磨同時進行，焊縫成形系數要控制在2.0以內。完成焊接后，應測量一下法蘭的外翻，根據法蘭的外翻情況來確定內側與外側的焊接工作。

2.4.3 計算出法蘭與筒節連接后的總體長度

將法蘭與筒節連接后的總體長度計算出來，計算結果作為船型焊工裝的整體長度的確定依據，這樣筒節在焊接過程中的穩定性就得到保證了。得出工裝傾斜角度的精確數值，這也是影響塔筒質量的重要因素。在計算數值時，應注意以下兩點：角度的大小應適中，尤其不能過大，如果角度偏大，筒節在焊接過程中，容易不穩定，埋下安全隱患，使接下來的后續工作難度增加，最終對焊縫的成型產生影響；角度也不宜過小。過小的角度容易使焊槍的前傾角度受到影響，還會影響到焊絲伸出的長度，這樣法蘭與筒節之間進行焊固的意義就不有了。經過多次實驗，得出了25°的角是最科學合理的，可以保證工裝中焊接過程中可靠穩定。

2.4.4 組裝焊接

在經過選材、裝配、焊接等工序后，最后進行的是法蘭與筒節的工裝設計與制作。在進行工裝設計時，需要考慮主要因素為焊接工藝參數，因為這也是影響工裝效果的最重要因素。焊接的質量容易受到法蘭與筒節裝配縫隙的影響，如果縫隙過大，容易使工裝的輔助意義喪失，如果遇到這種情況，可以通過調解焊角的角度將工裝的輔助效果發揮到極限；如果法蘭的厚度、筒節的厚度不一樣，應科學的選擇焊接參數，焊接電流、焊接電壓以及焊接速度、焊絲長度都要相互配合，注意科學的處理，如果處理不當，就會增加焊接操作的難度，還容易產生飛濺或是電弧燃燒不穩定的情況；為了保證焊縫的質量，應要焊接前將焊縫處的鐵銹、油漬等徹底的清除，如果清理的不徹底容易產生氣孔、夾渣等缺陷；要預防焊機設備與工裝之間的摩擦阻力。焊絲盤不應與法蘭接觸，因為二者接觸容易造成焊絲變曲或是扭彎，致使焊接進行過程中焊絲旋轉或是出絲不順暢，焊縫的成型質量受到了影響；CO2、CO氣體的純度至少要在99.5%以上。

2.4.5 在進行焊接時，要注意層間清理

層間清理會對焊接的質量產生影響，清理完成后，要馬上使用手弧焊進行修補，然后再進行焊接。同樣，清根質量也會對焊接質量產生影響，因此，清根區域的清理一定要做到干凈徹底，可以看到金屬光澤。焊接劑還要在250～350℃烘焙2h以上。

3 結語

CO2氣體保護自動焊的自動化程度高，易于實現，安全可靠，焊接質量有保障，成型的焊縫美觀，滿足要求，塔筒的質量與性能都可以得到保證。采用適當改進措施的焊接方法既有利于生產率的提高，有利于節省人力，還有利于塔筒質量的提高。任何一項技術的發展都需要一個過程，伴隨著風力發電技術在我國的廣泛使用，風電塔筒的焊接技術也會進一步提高。改進的焊接技術不但可以防止法蘭的角發生嚴重變形，還保證了焊縫的外觀與內在品質。但是在采用焊接工藝改進措施時，也要考慮生產現場的實際情況，綜合考慮材料、環境以及產品標準等多方面因素，因地制宜的設計與實現科學生產。

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