波形控制雙絲埋弧焊工藝在風塔制造中的應用

劉欣寧，孟慶輝，劉保軍

（1.河南工業職業技術學院機械工程學院，河南 南陽 473000；2.河南中光學集團有限公司，河南 南陽 473003）

0 前言

隨著清潔能源的興起，風電項目高速發展。目前風塔的焊接仍然采用傳統的單絲埋弧焊工藝，其缺點是焊接速度慢、焊縫成形難以控制、生產效率低，很難適應生產發展的需要。Power Wave AC/DC 1000波控電源是目前較為先進的埋弧焊電源，將兩臺或兩臺以上電源及其他輔助機構組成的雙絲或多絲埋弧焊接系統應用于大型風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性能，且改善焊縫成形，達到美觀的效果[1]。

2 Power Wave AC/DC 1000波形控制

Power Wave AC/DC 1000電源的特點為：將波形控制技術應用于埋弧焊電源，產生可變的交流輸出，頻率、頻幅、直流正向輸出和直流負向輸出的功能可調，操作者可控制熔敷率和熔深，能在單弧或多弧系統中提高焊接速度、焊接質量和焊接效率。在多弧系統中通過設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，功率因數達95%，使得在同等電力配置下可使用更多電源，減少動力容量的需求；可通過Arc-link、以太網和DeviceNetTM通訊進行焊接工藝的檢測及遙控；內置式網路電壓補償以及可靠的輸入電壓連接能夠確保在網路電壓±10%波動時焊機仍有穩定的輸出[2-3]。

2.1 波形控制原理

AC/DC波控電源的波形參數如圖1所示。Power Wave AC/DC 1000實現了對圖中各參數的控制，且調諧簡潔方便。

圖1 AC/DC波控電源的波形參數

2.2 應用波控電源時的調控目標

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

根據傳統經驗，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；采用標準方波或偏負向的波形以獲得較高的熔敷率；而為了美觀，可進一步調高負向波的頻寬和波幅。傳統的DC或AC電源只有一種固定波形，只有波控電源能夠達到這些目標[6]。

2.3 波形調控

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

3 雙絲埋弧焊工藝參數

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

3.1 焊接坡口設計

采用標準雙Y型坡口形式，坡口參數如表1所示。

3.2 焊接參數

經過多次試焊、對比，獲得表面和內部合格的焊縫，焊接參數如表2所示。

表1 焊接坡口的設計

表2 焊接參數

3.3 焊接材料

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

4 試驗結果及分析

4.1 焊劑對高速焊接的影響

試驗時雖然焊速較高，最高電流值較大（950A），但焊接時熔渣覆蓋性良好，表面成形正常，與普通埋弧焊無太大區別。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。在進行焊接工藝評定時，最難的是接頭低溫韌性達到要求值。因此，專門按ISO15614-1要求對接頭進行沖擊試驗，考慮到試板正反面所用能量有所不同，取最大板厚（25 mm）的焊縫的兩個層面進行試驗，結果如表3所示。

由表3可知，焊縫區及熱影響區的沖擊值滿足規范要求（≥27 J），與以往的單絲埋弧焊試驗相比，數值更高，數據穩定性也更好。理論認為，熱影響區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，用于雙絲焊時會有一些理論上的困惑，雙絲埋弧焊并非共熔池，但兩個熔池靠得很近，第二電弧進入前導熔池時，前導熔池并未完全冷凝，因此針對兩個熔池計算線能量會有理論上的困難。所以雙絲焊時線能量既不是兩個電弧能量相加，也不是單弧的線能量，只能通過實驗來驗證其接頭性能。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，實際線能量應處于兩者之間，焊接低合金鋼時這一能量值是可接受的[9]。

表3 焊接接頭的沖擊試驗值

4.3 焊接效率

在現場施工中，無論采用單絲還是雙絲，一般采用氣保護焊打底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，正常裝配正面（內側）用4道才能填滿，反面（外側）1道蓋面，如果誤差過大，焊接層次則更多。根據現場實測，單絲焊時速度為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間。因此，波控雙絲焊的實際效率應該是單絲焊的4倍以上。

4.4 應用問題

本試驗表2的參數可直接應用到類似坡口接縫的生產中，如果坡口形式變化，采用上述參數可保證穩定焊接，但焊道布置會有出入。今后要結合產品實際的坡口形式，探索出一套通用性更好的工藝參數[10-11]。

5 結論

Power Wave AC/DC 1000波控埋弧焊電源可方便地調整電流波形，以改善熔敷效率和焊縫成形，同時提高焊接質量。試驗結果表明，采用波控雙絲焊后，焊接速度比傳統單絲焊提高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，且韌性值更加穩定，達到制造冷溫型風塔的技術規范。隨著大功率風塔項目的不斷開發，中厚板的焊接問題會緊隨而來，單絲焊工藝已不再適應生產發展的形勢，風塔制造等行業應加快推廣波控雙絲埋弧焊技術的發展。