摘 要：低温风电塔架尺寸大，焊接工程量多，焊接控制难度高。基于塔架参数与特征，优选埋弧自动焊焊接工艺，通过焊接材料选配、焊接工艺评定、焊接控制措施等方面进行研究，并实施焊接检验。检验表明：焊缝外观无缺陷，无损检测合格，通过了拉伸试验、弯曲试验、夏比冲击试验。该工艺既满足了风电塔架的高性能要求，也提高了生产效率，是一次成功的焊接技术创新。
关键词：风力发电；低温风电塔架；埋弧焊；夏比冲击试验
中图分类号：TG445 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-093-04
工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.025
引言
大力发展新能源产业对满足经济增长需要、保障能源战略安全、缓解环境压力和实现经济转型等方面具有重要意义。我国风力资源非常丰富，尤其近年来，随着风力发电技术日趋成熟和风电成本显著降低，风力发电产业得到了快速发展。
风电塔架是风力发电的重要设备之一，它将风力发电机组支撑到60 m以上的高空，其质量直接影响风力发电机组成套设备的安全运行。低温型大功率风力发电机组塔架极端工作温度通常约为-40℃乃至-50℃，且长期暴露于强烈阵风、湍流风、高温、低温、大瞬时冲击载荷等极度恶劣的自然环境下。因此，对于这类塔架的制作技术要求，尤其是焊接工艺创新，则成为施工工作的重中之重。
1 塔架参数与特征
表1所示为青海省锡铁山一风电场安装的运达WD110-2.0MW-H90A型风机塔架的基本参数。
该风机塔架结特征鲜明：
（1）尺寸巨大，重量超重。顶段塔架长度达27.3 m，其它塔架长度达15 m～22.5 m，最大直径达4.7 m，最大单段塔架重量达65.244 t；
（2）焊接工程量大，特别适合机械化生产。风电塔架占总量95%的主要焊缝是平板对接焊缝，包括纵向对接焊缝（纵缝）和环向对接焊缝（环缝）。大部分单条纵缝长度在2 m以上，大部分环缝长度在10 m以上；
（3）焊缝质量要求高。除附件少量焊缝外，其余所有焊缝均按照NB/T 47013中满足I级超声波探伤的熔透型焊缝；
（4）塔架法兰平面度及等尺寸精度要求高。
2 焊接方法优选与材料选择
低溫风电塔架筒体钢板为Q345E，锻造法兰为Q345E-Z35。材料碳当量为0.43%，大于0.4%，有一定的淬硬倾向[1]，尤其随着板厚增加，焊接接头裂纹倾向明显增加，生产中必须所采用合适的焊接工艺，方可保证焊接质量。
根据风机塔架焊接量大、对接焊缝较多、单节连接纵缝为长直焊缝等特点，采用埋弧自动焊焊接方法能够保证塔架焊缝成分稳定、力学性能好、焊缝质量高等高标准质量要求，尤其能够体现出埋弧焊焊接电流大，熔深大，焊接速度快，焊接效率高的优势[2]。另外，焊接弧光在焊剂下，辐射小，劳动条件好而强度低；同时，焊缝表面光洁，无需修磨焊缝表面，省略了辅助工序。
埋弧自动焊焊接材料是保证焊接质量和决定焊缝性能的重要因素。除了考虑埋弧焊高稀释率和高热输入的工艺特点外，还应充分了解焊剂种类对焊缝成分的影响。焊缝的最终化学成分是母材、焊丝和焊剂共同作用的结果，因此，埋弧焊焊丝和焊剂必须与母材相匹配。结构的提前失效，大多数是因接头韧性不足引起的，对低温环境运行的设备，保证焊缝金属具有不低于母材的韧性比保证强度性能更为重要。
综合考虑，选用H10Mn2高锰焊丝，配合SJ101焊剂，用于风电塔架焊接，保证焊缝金属具有较高的冲击韧度，在厚板多层多道埋弧焊，高碱度烧结焊剂的脱渣性优良。
3 焊接工艺评定
3.1 坡口制备
焊接坡口的几何形状、尺寸和制备方法直接影响焊接接头质量、焊接效率和经济性。选择坡口时，要充分利用埋弧自动焊熔深大的优势，保证焊缝焊透。同时，应尽量减少焊缝的横截面积，不仅可降低各种裂纹的潜在焊接残余应力，而且也可以减少焊接材料的消耗量，降低生产成本[3]。另外，在坡口设计中，要充分考虑到埋弧焊相比其他焊接方法的母材稀释率大，母材成分对焊缝性能影响较大。
试板Q345E采用I形和Y形焊接坡口，如图1（a）和图1（b）所示，其中对板厚16 mm的钢板采用I形坡口，试板编号WPS-1；对板厚20 mm的钢板采用Y形坡口，试板编号WPS-2。风电塔筒展开下料板一般为扇形，无法采用刨边机直接加工坡口，因此采用氧乙炔火焰切割进行坡口加工。
3.2 焊接工艺参数
埋弧自动焊选择工艺参数时应保证电弧稳定燃烧，焊缝良好成形，焊缝及接头力学性能满足技术要求。同时，应合理选择热输入，并充分考虑到焊缝成形系数和熔合比的影响[4]。在保证质量的前提下，力求较高的生产效率，消耗较低的电能和较少的焊接材料。综合各方面因素，拟定焊接工艺参数如表2所示。
3.3 接头力学性能检测
对试板各自进行X射线探伤，结果符合NB/T 47013的Ⅱ级，并进行焊接接头力学性能检测，检测结果见表3。可知：
（1）在拉伸试验中，I坡口埋弧焊PD-1试板、X坡口埋弧焊PD-2试板接头拉伸试样塑断于母材，σb分别为545 MPa/542 MPa，大于母材抗拉强度的下限值470 MPa/450 MPa，说明焊缝接头的抗拉强度符合要求，且高于母材强度。
（2）在弯曲试验中，所有试样经180°侧弯后均符合要求，表明焊缝具有良好的塑性。
（3）在-40℃夏比冲击试验中，焊接接头焊缝区、熔合线和热影响区的冲击吸收功均大于规范要求的34 J，表明焊缝接头具有较好的冲击韧性。
综合来看，焊缝接头各项性能指标较好，具有良好的综合机械性能，符合NB/T 47014焊接工艺评定规定。
4 焊接控制
风电塔架相邻筒体间连接焊缝多，有些单段塔架多达16条环缝，但对焊后尺寸精度要求高，例如要求法兰平面度顶法兰偏差不超过0.5 mm，其余法兰不超过2.0 mm；法兰内倾度偏差要求不超过1.5 mm，顶法兰偏差不超过0.5 mm；两端法兰平行度偏差不超过2.0 mm；法兰同轴度偏差不超过2.0 mm等。只有在科学、先进、合理的工艺指导下，严格控制焊接过程，方可达到要求。
法兰与单节筒体组焊也是过程质量控制的一个重要环节，直接关系到塔筒法兰平面度和塔段整体形体尺寸。塔架法兰与筒体焊接采用埋弧自动焊。通过法兰加工预设内倾，焊接前须将同规格的两节带法兰筒体用工艺螺栓把合在一起，内侧加塞1～2 mm垫片，将螺栓紧固好后方可焊接[5]。在焊接过程中，要随时检查螺栓的紧固情况，如发现有松动，应将螺栓把紧后再施焊。为防止法兰焊接时向一侧倾斜，必须采用对称焊。总体上，先焊接内侧焊缝，外侧清根后再焊接，并根据焊接变形情况，随时调整焊接顺序。
具体焊接控制原则还有：
（1）SJ101属于焊剂，对水、铁锈等杂物敏感，使用前经350℃保温，烘干2 h，以保证焊缝不致出现气孔、氢致裂纹等缺陷；
（2）当环境温度低于-5℃时，必须对焊接区预热，预热温度不低于50℃；
（3）焊前做好清理工作，对焊缝坡口两侧边缘50 mm范围内，清除铁锈等杂物，直至露出金属光泽；
（4）单节筒体经卷制，用圆弧样板检查合格后，对筒体的纵缝组对。组对筒体时，筒体对接间隙要均匀控制在0～1 mm，错边量0～1 mm，错口量不超过钢板厚度的1/4且不大于1.5 mm，然后定位焊，定位焊长度不小于50 mm；
（5）纵向焊缝两端必须安装长度小于150 mm的引弧板、熄弧板，并与所焊焊缝平齐；
（6）外环缝焊接时，焊丝应逆塔架旋转方向保持相当于塔架中心25～40 mm的偏移量，焊接熔池液體金属在重力和电弧作用下流向熔池尾部，电弧能够深入到熔池底部，以有利于焊透，也对保证焊缝成形有好处，最佳偏移量应根据焊缝成形的好坏做相应的调整；
（7）每道焊缝的各层接头应相互错开100 mm以上；
（8）多层多道焊接，每焊完一焊道应清除熔渣进行外观检查，发现缺陷如裂纹、气孔、焊瘤、夹渣、棍状焊道等应彻底清除，焊道突起处应用砂轮打磨至平滑过渡。如用碳弧气刨清除焊缝缺陷、定位板时，应用机械方法打磨气刨处及其被玷污的部位，至清洁、光滑并呈现金属光泽。
（9）在焊接第二面前应将第一面焊缝的根部用碳弧气刨或机械方法打磨至露出第一面焊缝的完好金属。如采用碳弧气刨清理根部，则应对气刨沟槽的凹凸等不规则处用砂轮打磨平滑并清理气刨的玷污部位。
5 焊接检验
焊接检验包括三方面：
（1）焊缝外观检查：焊缝表面不允许有裂纹、夹渣、气孔、漏焊、烧穿和未熔合等缺陷，需符合JB/T 7949-1999《钢结构焊缝外形尺寸》中的规定。
（2）无损检测：筒体纵、环焊缝100%超声波探伤，应符合NB/T 47013的I级要求。100%“T”型纵缝与环缝接头射线探伤必须布片两张，纵缝和环缝位置各一张。所有法兰和筒体间环向连接焊缝100%按照NB/T 47013进行，验收等级为磁粉探伤I级。
（3）产品焊接试板：10台为一批，每批中抽一台制作产品焊接试板，以同钢号、同厚度、同焊接工艺，按设计图样批量生产的塔筒，项目主要代表性焊接产品试板结果拉力试验抗拉强度σb达到550 MPa，侧弯试验4支试样全部合格，-40℃冲击试验冲击吸收功达到了168 J、132 J、146 J，热影响区达到了189 J、145 J、126 J。
6 结束语
新焊接工艺生产的产品焊接试板试验结果全部合格。风电塔架生产中，规范的制造流程，严格的控制措施，产品科学的检验保障，使得焊接一次验收合格率达99.98%以上，不仅提高了产品质量，还提升了生产效率，表明本文提出的焊接工艺措施有效。
参考文献
[1] 康学军， 朱锴年. 埋弧自动焊在风电塔筒生产中的应用[J]. 机电产品开发与创新， 2017， 30（1）： 23-25.
[2] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2001.
[3] 高俊英. 电站锅炉大板梁翼缘板的焊接工艺[J]. 河北电力技术， 2004， 23（6）： 45-46.
[4] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002.
[5] 钟艺谋， 朱锴年. 低温风机塔架焊接与变形控制[J]. 中国高新技术企业， 2013（21）： 70-73.