兆瓦級風電機組機架焊接返修工藝研究

文 | 譚楊，周意普，吳松廬，何輝

兆瓦級風電機組機架焊接返修工藝研究

文 | 譚楊，周意普，吳松廬，何輝

兆瓦級風電機組的機架作為機組重要焊接結構件之一，在機組運行過程中需要承受較大強度的疲勞載荷。該部件整體焊接，具有結構跨度大、焊縫長、焊接接頭多等特點。因此，機架的焊接質量對機組整體質量和壽命有重要影響。

機架的技術規范中要求在熱處理之前進行磁粉和超聲波探傷，對探傷發現的不合格缺陷必須及時返修。由于機架結構板材為低合金鋼，具有延遲裂紋傾向，可能出現細微的焊后冷裂紋，因此經過熱處理后，細微焊縫缺陷可能存在擴展或延伸，造成焊縫不符合無損檢測等級要求。在實際工作中，抽檢某一批次機架時遇見該類問題。因機架不能進行二次熱處理，這種情況下不能采用正常焊縫返修工藝，無法有效釋放焊接應力，控制焊接變形。因此需從焊接方式、消除缺陷方式、消除殘余應力方式等方面展開研究，尋找最佳的消缺處理方案。

焊接方式選擇

用于返修的最常見焊接方式為手工電弧焊（簡稱手弧焊），是以手工操作的焊條和被焊接的工件作為兩個電極，利用焊條與焊件之間的電弧熱量熔化金屬進行焊接的方法。其焊接質量對焊工技術依賴性強，焊接質量不易控制。機架同位置的返修不能超過兩次，必須嚴格控制焊接質量，因此手弧焊不適用于熱處理后的機架返修。

機架的焊接采用的是二氧化碳氣體保護焊，但是返修的后機架已經經過熱處理工藝，需考慮機架的焊接變形量，因此焊接變形量的控制應成為選擇返修焊接方式的主要因素。在常見焊接方式中，變形較小的焊接方式有熔化極惰性氣體保護電弧焊和鎢極氬弧焊。現就這三種焊接方式應用于返修時的優缺點進行比較，具體如下：

機架不能經過二次熱處理，必須選擇焊接變形小的焊接方式，熱處理后的機架表面有銹蝕，除銹過程不能保證完全清潔，必須降低銹蝕對焊接的影響。綜上所述，建議采用鎢極氬弧焊進行機架返修。

返修開始前，因焊接方式改變，須進行焊接工藝評定，驗證鎢極氬弧焊是否符合機架焊接要求，焊接工藝評定從以下幾方面進行。

（一）焊接試板準備

試板規格按JB4744的規定選取，材質為Q354D，與機架保持一致，板厚18mm。

（二）焊接接頭

焊接坡口的質量對焊縫成型質量有重要影響，為獲得高質量的焊接接頭，應根據母材厚度、焊接方法和工藝要求選擇坡口形式，主要滿足以下要求：

1.使熱源（電弧或火焰）達到根部，保證根部全熔透。

2.便于操作和清理焊渣。

3.調節母材金屬與填充金屬比例。

4.盡可能減小焊后變形。

參照《GB985-1988氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》選取Y型坡口，如圖1所示。焊前去除坡口周邊至少110mm范圍內的油污、銹蝕等。

表1 幾種焊接方式優缺點對比表

（三）填充焊絲

焊絲與機架焊絲一致，選用ER50-6，焊絲直徑2.0mm。焊絲化學成分及熔敷金屬力學性能分別見表2、表3。

（四）焊接參數

焊接要求及參數見表4、表5。

（五）評定結果及分析

焊接完成后，須對試塊進行焊縫外觀檢測、無損探傷檢測及力學性能試驗。焊縫外觀按照ISO 5817-B進行100%外觀檢查，焊縫按照JB/T 6061-2X和GB/T 11345-B的要求進行磁粉和超聲波探傷。檢驗合格后按照JB4744的標準制備焊接試樣。對試樣進行力學性能試驗，主要包括拉伸、彎曲和沖擊。具體試驗數據見表6－表8。

根據力學性能試驗結果可以判斷，焊縫的強度和韌性均優于母材，說明工藝評定滿足要求。且試驗結論和數據符合機架產品的技術要求，鎢極氬弧焊通過驗證，機架返修工藝可行。

表2 焊絲化學成分（質量分數）

表3 熔敷金屬力學性能

表4 焊接要求

表5 焊接參數

消除缺陷方式選擇

目前應用于返修工藝的消除缺陷方式主要有碳弧氣刨法和機械打磨法。

碳弧氣刨是使用碳棒或石墨棒作電極，與工件間產生電弧，將金屬熔化，并用壓縮空氣將熔化金屬吹除的一種表面加工溝槽的方法。具有靈活性大、可達性好、噪聲大、效率高等特點。清除焊縫的缺陷時，在電弧下可清楚地觀察到缺陷的形狀和深度。但是碳弧氣刨熱輸入值較高，會產生較大變形。

機械打磨法采用角磨機進行打磨，角磨機是利用高速旋轉的薄片砂輪以及橡膠砂輪、鋼絲輪等對金屬構件進行磨削、切削、除銹、磨光加工。角磨機打磨效率相對碳弧氣刨方式較低，但是熱輸入值相對較低，對焊件變形影響較小。

通過以上方法的對比，考慮熱量對機架的影響，因此優選機械打磨法對機架焊縫進行缺陷消除，同時要求打磨后對缺陷位置做MT確認。

表6 試樣拉伸試驗結果

表7 試樣彎曲試驗結果

表8 試樣沖擊試驗結果

消除應力方式選擇

減少焊接殘余應力和改善殘余應力可以從設計和工藝兩個方面解決。對于重要焊接結構，應設法在焊后消除殘余應力，以保證使用的安全性。消除殘余應力的方法有熱處理法、機械拉伸法、溫差拉伸法、振動法等。

因機架是局部焊縫返修，因此減少和消除應力方式受到限制。焊接過程減少應力僅能考慮工藝措施。可以使用錘擊焊縫的方式。用錘擊焊縫的方法調節焊接過程產生的殘余應力時，錘擊使金屬表層內產生局部雙向塑性延展，補償焊縫區的不協調應變，達到釋放殘余焊接殘余應力的目的。錘擊在每層焊道完成后進行，錘擊應保持均勻、適度，要避免錘擊過分而產生裂紋。

焊接完成后的消除應力方式中，僅有熱處理法中的局部高溫回火法和溫差拉伸法適用于機架的局部焊縫。溫差拉伸法需要通過火焰和水產生溫差，受場地等因素限制，因此在機架的焊縫返修中適合采用局部高溫回火的方式。為取得較好的消除殘余應力的效果，應保證有足夠的加熱寬度，一般應不小于工件厚度的4倍，并在加熱寬度范圍內，各點均應達到規定的溫度。在冷卻時，應用絕熱材料包裹加熱區域，以降低冷卻的速度，達到消除殘余應力的目的。

返修工藝驗證

機架焊縫缺陷的返修，應在施焊完成并在高溫回火完全冷卻后對焊縫進行外觀和無損探傷檢查。并按照機架焊接圖紙對機架焊接尺寸檢查，驗證返修的焊縫完全符合設計要求。

結束語

機架的焊接返修從焊接工藝的制定到實施均具有詳細依據，嚴格按照焊接返修工藝執行，能有效去除焊接缺陷，并將對產品的影響降到最低。

經研究確認，本次制定的鎢極氬弧焊的焊接返修工藝完全滿足機架的返修要求。

（作者單位：中車株洲電力機車研究所有限公司）