風(fēng)電塔架80 mm門(mén)框頂弧焊接卷制工藝研究與應(yīng)用*

王平軍，張兆鳳，辛月紅

(1.甘肅酒鋼集團(tuán) 西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100; 2.甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)以風(fēng)電、光伏發(fā)電為代表的清潔新能源發(fā)展成效顯著，裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)居全球首位，其中風(fēng)電是清潔能源的重中之重。要實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和風(fēng)電長(zhǎng)足發(fā)展，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其它設(shè)備必須優(yōu)先研究、優(yōu)先發(fā)展。大型風(fēng)電塔架頂弧焊接門(mén)框卷制、焊接工藝的成功研究及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電塔架核心部件的“自產(chǎn)轉(zhuǎn)化”及批量化生產(chǎn)，為大型發(fā)電機(jī)組風(fēng)電塔架的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

筆者針對(duì)80 mm頂弧焊接生產(chǎn)工藝難點(diǎn)問(wèn)題和大型發(fā)電機(jī)組需求，通過(guò)對(duì)頂弧焊接門(mén)框結(jié)構(gòu)的研究分析，提出了“整體下料，整體卷制”和“先卷制，然后切割，最后焊接”的合理、經(jīng)濟(jì)、可行的工藝方案，實(shí)現(xiàn)了頂弧焊接門(mén)框的零突破，同時(shí)擴(kuò)大了風(fēng)電門(mén)框生產(chǎn)規(guī)格及型號(hào)，頂弧焊接門(mén)框生產(chǎn)工藝的成功應(yīng)用，為后續(xù)頂弧焊接門(mén)框批量化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝優(yōu)勢(shì)及目標(biāo)

1.1 工藝優(yōu)勢(shì)

門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大型發(fā)電機(jī)組，焊縫布局主要以橢圓弧頂點(diǎn)中心位置為主，此焊接方案對(duì)整個(gè)塔筒強(qiáng)度的影響最小；此焊接方案也是未來(lái)使用趨勢(shì)，如圖1所示。

圖1 頂弧焊接方案

1.2 工藝范圍

門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝主要應(yīng)用于卷制門(mén)框；與鍛造門(mén)框、整體下料門(mén)框相比，卷制門(mén)框材料浪費(fèi)小、利用率高、強(qiáng)度高、成本低、生產(chǎn)難度低。

1.3 工藝目標(biāo)

根據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用情況的調(diào)研，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，門(mén)框也將以60～82 mm規(guī)格的門(mén)框?yàn)橹鳎T(mén)框頂弧焊接、卷制工藝主要應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)組風(fēng)電塔架60～82 mm門(mén)框。

2 頂弧焊接門(mén)框主要參數(shù)及生產(chǎn)難點(diǎn)分析

文中重點(diǎn)對(duì)頂弧焊接門(mén)框主要參數(shù)及技術(shù)要求進(jìn)行了研究分析，以下主要闡述頂弧焊接門(mén)框的生產(chǎn)難點(diǎn)和生產(chǎn)工藝思路。

2.1 頂弧焊接門(mén)框主要參數(shù)

外形尺寸為3 000 mm×1 020 mm×245 mm，內(nèi)圓尺寸為2 840 mm×860 mm×245 mm；橢圓尺寸為長(zhǎng)軸為1 010 mm，短軸為860 mm；鋼板厚度為80 mm；焊縫處按照J(rèn)B/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級(jí)要求對(duì)焊縫進(jìn)行100%UT超聲波探傷。如圖2所示。

圖2 風(fēng)電塔架80 mm頂弧焊接門(mén)框

2.2 生產(chǎn)難點(diǎn)分析

圖2所示頂弧焊接門(mén)框制作難點(diǎn)為：①鋼板厚度達(dá)到80 mm且卷制半徑非常小；②焊縫處應(yīng)力集中，在焊縫處卷制橢圓弧難度大；③焊縫布局在橢圓弧頂點(diǎn)中心處。綜合分析研究，為了降低卷制難度，確保門(mén)框符合圖紙要求，采取“整體下料，整體卷制”和“先卷制，然后切割，最后焊接”工藝思路進(jìn)行生產(chǎn)。

3 門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝

直線段焊接工藝生產(chǎn)工序?yàn)椤胺侄蜗铝?2件)→卷制→組對(duì)→焊接”，生產(chǎn)工序較短、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)難度較小。

門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝不同于直線段焊接工藝，主要特點(diǎn)是生產(chǎn)工序較長(zhǎng)、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度較大，采用“整體下料，整體卷制”工藝思路，生產(chǎn)工序?yàn)椋赫w下料(1件)→整體卷制→頂弧切斷→組對(duì)→焊接→卷制→焊接。

文中根據(jù)門(mén)框頂弧焊接、卷制工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)從生產(chǎn)工藝的“下料→第一次卷制→切割→組對(duì)→焊接→第二次卷制→組對(duì)→焊接”等8個(gè)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行分析研究，制定了可行、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的工藝方案，實(shí)現(xiàn)了頂弧焊接門(mén)框的技術(shù)突破。

3.1 下 料

圖2門(mén)框展開(kāi)尺寸為6 588 mm，按照6 588×245×80 mm尺寸編程、模擬、下料，無(wú)需預(yù)留工藝尺寸。

3.2 確定卷制基準(zhǔn)線

圖2門(mén)框圓弧段長(zhǎng)度1 236 mm，以圓弧的頂端為基準(zhǔn)確定三段圓弧卷制基準(zhǔn)線，①、②、③段圓弧的基準(zhǔn)線分別為130、349、757 mm；由于壓輥直徑為φ400 mm，所以卷制基準(zhǔn)線為圓弧基準(zhǔn)線加壓輥半徑R 200 mm，即①、②、③段圓弧的卷制基準(zhǔn)線分別為330、549、957 mm；在卷制過(guò)程中，壓輥的軸線必須與圓弧基準(zhǔn)線平行，且基準(zhǔn)線的圓弧面與壓輥圓柱面相切。

3.3 制作樣板

制作①、②、③段橢圓部分整體檢測(cè)樣板、橢圓弧1/2檢測(cè)樣板，用于卷形過(guò)程中各圓弧尺寸和三段圓弧的整體過(guò)渡尺寸的檢測(cè)。

3.4 壓輥下壓量參數(shù)

卷制③段圓弧時(shí)，壓輥下壓量為1 mm/次；卷制②段圓弧時(shí)，壓輥下壓量0.75 mm/次；卷制①段圓弧時(shí)，壓輥下壓量0.5 mm/次；橢圓弧接近成形時(shí)，下壓量不大于0.5 mm/次，防止鋼板出現(xiàn)微裂紋。

3.5 第一次卷制

(1) 采用W11NC-82×500多用型三輥卷板機(jī)卷制圓弧，每次壓輥運(yùn)行距離為卷制基準(zhǔn)線2倍，①、②、③段圓弧卷制尺寸分別為660、1 098和1 914 mm，如圖3所示。

圖3 門(mén)框鋼板第一次卷制

(2) 按照③、②、①順序卷制圓弧，在卷制過(guò)程中用1/2樣板進(jìn)行檢查，鋼板第一次U型卷形完畢，經(jīng)整體樣板檢查發(fā)現(xiàn)橢圓弧、中心距、860 mm各尺寸符合圖紙要求,如圖4、5所示。

圖4 門(mén)框卷制U形 圖5 門(mén)框U形校形

(3) 檢查完畢，按照J(rèn)B/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級(jí)要求對(duì)橢圓弧外表面進(jìn)行100%MT磁粉探傷[1]。

3.6 倒 角

U型門(mén)框A、B端倒角，鋼板80 mm中心線的內(nèi)、外側(cè)倒角均為20 mm；在橢圓頂弧中心C處(氣割槍頭角度45°)切開(kāi)成L形，鋼板40 mm中心線的內(nèi)、外側(cè)倒角分別為20 mm、15 mm,如圖6所示[2]。

圖6 U形平切成L形

3.7 第一次組對(duì)、焊接

(1) 組對(duì)

圖6兩件鋼板A、B端水平放置在平臺(tái)并按照?qǐng)D7組對(duì)，組對(duì)時(shí)確保兩張鋼板直線段平直，無(wú)彎曲、扭曲、變形等問(wèn)題；焊接時(shí)防止焊接變形，如圖7所示。

圖7 兩件L形組對(duì)

(2) 焊接參數(shù)

采用NB-500二氧化碳?xì)獗：笝C(jī)，直徑為φ1.6 mm的SQJ501Ni(L)藥芯焊絲進(jìn)行焊接，具體焊接工藝參數(shù)[3]見(jiàn)表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

(3) 焊接

門(mén)框焊接工藝符合JB4708-2000要求，焊接采用多層、多道焊的焊接方法；正面的焊縫焊接完畢，鋼板翻轉(zhuǎn)180°焊接背面的焊縫,背面的焊縫在焊接之前，采用ZX7-400及B508C炭弧氣刨碳棒(φ8×355 mm)對(duì)焊縫進(jìn)行清根處理，使其符合探傷焊縫的焊接標(biāo)準(zhǔn)[4]，詳見(jiàn)表2。

表2 炭弧氣刨工藝參數(shù)表

(4)按照正面的工藝焊接背面的焊縫。

(5)按照J(rèn)B/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級(jí)要求對(duì)焊縫進(jìn)行100%UT超聲波探傷。

3.8 第二次卷制

按照橢圓弧的工藝卷制第二段橢圓弧，C-C焊接面合攏，如圖8所示。

圖8 門(mén)框焊縫C-C合攏

3.9 第二次組對(duì)、焊接

(1) 組對(duì)、校正

卷制完畢，按照門(mén)框尺寸在平臺(tái)放樣；制作專用組對(duì)胎具對(duì)焊縫C-C進(jìn)行組對(duì)、合口，如圖9所示；制作專用胎具，如圖10所示，對(duì)門(mén)框進(jìn)行校正，使圖紙尺寸間隙控制在2～3 mm；對(duì)門(mén)框用橢圓弧及各尺寸進(jìn)行檢查。

圖9 焊縫C-C組對(duì)合口 圖10 門(mén)框校正及工裝

(2) 焊接

為了降低焊接難度，提高焊接探傷合格率和焊接效率，制作專用的焊接工裝，將門(mén)框傾斜15°～20°，豎放在焊接工裝上，將“C-C立縫焊接”改為“平縫焊接”，如圖11所示；按照第一道焊縫焊接工藝焊接第二條焊縫，內(nèi)側(cè)焊縫焊接完畢，門(mén)框橫放在25°平臺(tái)上焊接外側(cè)焊縫[2]。

圖11 門(mén)框焊接工裝

(3) 橢圓弧頂端的兩條焊縫按照J(rèn)B/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級(jí)要求進(jìn)行100%MT和100%UT探傷，門(mén)框外表面進(jìn)行100%MT探傷。

(4) 整體門(mén)框校形，采用專用胎具對(duì)門(mén)框尺寸校形，確保門(mén)框全方位尺寸符合圖紙要求，且門(mén)框與門(mén)板附件具有互換性[5]。

(5) 振動(dòng)時(shí)效處理，采用HK2000全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀消除釋放門(mén)框的焊接、卷制應(yīng)力[6]。

通過(guò)以上對(duì)門(mén)框頂弧焊接工藝的分析研究，結(jié)合工藝方案逐步實(shí)施、驗(yàn)證、完善，實(shí)現(xiàn)了門(mén)框頂弧焊接工藝的成功應(yīng)用，解決了門(mén)框生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題，為后續(xù)門(mén)框生產(chǎn)工藝改進(jìn)、完善奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，在大型發(fā)電機(jī)組的塔架生產(chǎn)項(xiàng)目上有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)頂弧焊接門(mén)框卷制、焊接工藝研究，實(shí)現(xiàn)了門(mén)框頂弧焊接工藝成功開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，生產(chǎn)工藝各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)要求且成功進(jìn)入國(guó)內(nèi)的先進(jìn)行列，門(mén)框生產(chǎn)能力及技術(shù)實(shí)力大幅提升，實(shí)現(xiàn)核心部件的“自產(chǎn)轉(zhuǎn)化”，從技術(shù)的角度徹底解決了制約生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率，降低了采購(gòu)成本，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電裝備“延鏈、強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈”及可持續(xù)發(fā)展，為公司風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。