風電機座焊接工藝方法

張志勇

摘要：風力發(fā)電是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模、最具發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。發(fā)展風電對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等都具有非常重要的意義。塔架應具有足夠的剛度和強度，承受作用在風輪、機艙和塔架上的靜載荷和動載荷，滿足風力發(fā)電機組的設計壽命。因此，作為整個發(fā)電機組的重要部件，其質(zhì)量至關(guān)重要，而門框與塔架之間的焊接是T形接頭連接。門框是塔架筒節(jié)的薄弱環(huán)節(jié)、焊接過程中產(chǎn)生的變形會影響塔架筒節(jié)的直線度、筒節(jié)的橢圓度、塔架底法蘭的平面度、降低筒節(jié)的剛度、降低承載能力等，對整個塔架的質(zhì)量影響很大。因此，對塔架門框焊接變形的控制及其焊接工藝的設計具有較重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：風電;機座焊接;工藝方法

引言

風電機座系風電機組的主要載體（以下簡稱機座），整體重量15-20t，屬于大型厚板焊接結(jié)構(gòu)件，除承擔所有機械和電控部分的部件外，還承受所有外力，如包括靜載和動載，同時要承受野外惡劣的天氣情況，因此機座焊縫質(zhì)量有著很高的要求。

1車間生產(chǎn)組織優(yōu)化的推進

在公司評審會通過了“鍛壓車間電機風電機座鉚焊流水生產(chǎn)線規(guī)劃布局方案”后，車間成立“鉚焊流水生產(chǎn)線作業(yè)模式建立”項目組，數(shù)次召開“頭腦風暴”論證會，提出如何將“一個流”作業(yè)、操作過程標準作業(yè)、準時化生產(chǎn)、生產(chǎn)流程均衡化、信息化、自動化等融入到生產(chǎn)線布局優(yōu)化和工藝流程再造設計方案中，從生產(chǎn)流程設計、新設備調(diào)研選型、人員培訓配置、舊設備調(diào)整定位、輔助工夾具設計制作等方面集思廣益，逐項落實。

1.1生產(chǎn)流程設計實施

依照精益生產(chǎn)“一個流”業(yè)方式，車間總體生產(chǎn)流程布局從零件下料到零件配套裝配、焊接生產(chǎn)，均按照連續(xù)流作業(yè)以及“最短路徑”布設，同時兼顧設備區(qū)域集中原則，盡量擴大鉚焊作業(yè)面積，預留產(chǎn)能空間。

在區(qū)域生產(chǎn)流程布局方面一是將車間東跨設計為裝配焊接區(qū)。設計思路是按照“一個流”的目標布設一條從半成品零件備料;組部件裝配、焊接、校平;機座鉚裝、焊接、打磨、檢驗流水化生產(chǎn)線。二是將車間西跨設計為：下料成型區(qū)。設計思路按照工藝工序流程路徑布局，結(jié)合“最短路徑”原則，分區(qū)域布局各類下料、校平、卷圓、沖壓等工藝設備。

按照“一個流”作業(yè)模式對車間6大工種24道工序進行梳理優(yōu)化為13道工序，無重復性工序，高效快捷。

1.2鉚焊作業(yè)工藝可視化設計與應用

對電機、風電的“裝配、組對”實現(xiàn)了生產(chǎn)可視化操作指導，針對機座裝配、組對工藝的可視化進行設計編制。設計制定可視化工藝圖例，繪制零部件三維圖。使電機、風電鉚焊生產(chǎn)工序中最重要的裝配、組對工序操作一目了然，員工知道自己的工作任務及要求，三維圖直觀清晰，指導性強，有效地提升工作效率;對焊接采用焊接變位裝置，按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、特性對焊接工序進行“一個流”焊接，內(nèi)、外焊縫焊接按操作技能高低分配，加強了焊接質(zhì)量進行有效的控制，提高工效。

1.3物流系統(tǒng)的優(yōu)化設計及應用

鉚焊流水連續(xù)作業(yè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是機座零件及機座組部件流轉(zhuǎn)方式是否順暢、高效。目前采用的是天車吊裝，人工采用自制小車進行零件在各工位周轉(zhuǎn)，效率低，由于生產(chǎn)往往是多型號機型同時加工，零件品種雜、數(shù)量多，備料時間過長，嚴重制約了裝配、焊接后續(xù)的加工。在生產(chǎn)流程及工藝設計中引入了“組合式柔性梁式起重機”配合“電動托盤車”、“標準物料拖架”實現(xiàn)物流的高效、安全運轉(zhuǎn)，自工序即可完成零部件的吊裝轉(zhuǎn)運。

2風電機座焊接工藝方法

2.1塔架中的殘余應力

目前，由于風力發(fā)電機組單機容量的不斷提高，風電塔架常采用的材料也在不斷地進行升級，塔架的材料多采用大厚度的低合金材料Q345E。這種材料雖然碳當量小、焊接性好，但在焊接過程中，由于不均勻的溫度場或機械因素以及預熱、后熱等焊接工藝問題，會使塔架在冷卻過程中產(chǎn)生焊接變形，焊縫中會產(chǎn)生殘余應力。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀。焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料的結(jié)構(gòu)剛度和靜載強度。此外，焊接殘余應力還會對塔架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞強度以及應力腐蝕開裂有不同程度的影響。因此，塔架在制造過程中必須要采取相關(guān)措施，以降低焊縫中存在的殘余應力。

2.2殘余應力的處理方法

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接件常用的消除焊縫殘余應力的工藝主要有：振動時效、焊后熱處理以及自然時效等。振動時效是利用振動使工件內(nèi)部殘余內(nèi)應力和附加振動應力的矢量和超過材料屈服強度，焊縫產(chǎn)生較大的壓塑性變形，使塔架焊縫內(nèi)部的內(nèi)應力得以松弛和減輕，并且提高了焊接接頭的疲勞強度。這種方法因為設備價格較低，易于購買，使用方便而被廣泛采用，但通過研究發(fā)現(xiàn)，振動時效只能消除30%～50%的應力。焊后熱處理是通過熱處理設備對焊縫進行局部加熱，使局部達到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并保持有一定時間，使工件的殘余應力得到松弛，然后緩慢的降低溫度，使工件在冷卻后處于低應力狀態(tài)，這樣既能消除焊縫的殘余應力，又能改善焊縫的組織，同時還能降低焊縫中的含氫量。這樣能消除50%～70%的焊接殘余應力，效果良好。但是生產(chǎn)實踐表明，如果在升溫、保溫和降溫過程中工藝參數(shù)選擇不當，或操作時不嚴格遵守合理的工藝規(guī)范，往往得不到消除應力的結(jié)果，甚至增大工件的應力。自然時效不需要投資且沒有能耗，消除殘余應力2%～10%，時效周期1年，無能耗限制、無污染。因受到工期等因素的影響而不便使用。

過近年來各風電塔架生產(chǎn)廠家的實際應用來看，熱處理設備如加熱爐等設備投資大、時效周期約在8h以上，能耗大，并且需要專用的爐體或大容量電源，這勢必會受到場地的限制。另外，熱處理還有燃料廢氣的排放，在如今嚴格要求環(huán)保的社會環(huán)境下，使用成本過高。振動時效周期只有0.5個小時左右，其能耗只有熱時效的5%左右，在生產(chǎn)場地只需要有380V的電源即可使用，除了有些許噪聲污染外并無其他污染源，相對較為友好。因此，近年來大多使用振動時效來消除塔架、塔架與法蘭焊縫處的殘余應力。

2.3焊前預熱及焊后消應力

塔架門框厚度較大，焊接時較容易出現(xiàn)焊接應力、焊接拘束度和焊接裂紋等危害，這些危害會造成塔架結(jié)構(gòu)的形狀變形、尺寸精度降低、承載強度減弱，進而會較大地縮短塔架服役壽命、危及生命安全，存在造成重大經(jīng)濟損失的隱患。為了避免以上隱患的產(chǎn)生，控制焊接結(jié)構(gòu)變形，保證焊接質(zhì)量是非常重要的。因此，塔架門框焊接前進行預熱可以較好地降低焊接應力、焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，有利于焊縫金屬中擴散氫的溢出，避免焊接裂紋。同時，焊接厚度越厚，焊后殘余應力值就越大，焊后殘余應力將會影響到焊件的抗腐蝕、抗開裂、抗疲勞等機械性能以及焊接結(jié)構(gòu)和尺寸。所以塔架門框焊接結(jié)束后需進行熱處理消應力，但從實際情況出發(fā)，門框焊接在大型風電機組塔架上后，由于尺寸較大不適合進行熱處理消應力。從可實施性和高效低能耗的角度考慮，采用振動時效加超聲波沖擊時效的方法可以較好地達到消除和均勻化塔架門框焊后殘余應力的目的。

結(jié)束語

多數(shù)焊接接頭韌塑性儲備較多，能夠作為風電機座生產(chǎn)的工藝依據(jù)，有效減小焊接變形，提高UT檢測一次合格率及焊縫外觀質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 謝春唐.風電機座焊接工藝方法[J/OL].中國科技信息，2019（13）：67-69[2019-07-07].

[2] 石南輝.風電塔架制造工藝及質(zhì)量控制研究[J].裝備機械，2018，（02）：10-12，21.

[3] 羅桂鑫.1.25MW風力發(fā)電機塔筒與混合式塔架的受力性能對比研究[D].內(nèi)蒙古科技大學，2013.

（作者身份證號碼：130406197904080615）