風力發電塔桿自動化焊接技術及設備

王軍

(北京中電華強焊接工程技術有限公司，北京 100076)

風力發電塔桿自動化焊接技術及設備

王軍

(北京中電華強焊接工程技術有限公司，北京 100076)

由于風力發電塔桿具有長度長、承重大、變截面等特點，對其制造過程中的焊接質量要求較高，尤其是海上風力發電。一根塔桿是由多條縱、環焊縫拼焊而成，每條焊縫又要焊接多層多道，焊接工作量很大。因此，開發自動化程度高和生產效率高的塔桿縱、環縫、筒體組對一整套自動化焊接生產線，勢必能顯著提高焊接質量和生產效率，推動風電制造業的發展，具有巨大的經濟和社會效益。

風力發電；焊接裝備；自動化技術

0 前言

風力發電是世界上增長最快的可再生能源之一，能有效解決常規能源尤其是石化、煤炭等帶來的資源消耗、環境污染及溫室效應等問題，全球每年的風能大約相當于每年耗煤量的1 000倍以上。目前，風力發電在發達國家已經形成相當的規模，在德國、西班牙、丹麥、美國和印度等國家和地區都得到了大規模的應用，2003～2006年，世界風能市場以每年40%的速度增長。

2006年以來，石油同煤炭價格持續上漲進一步加劇了風力發電的增長勢頭。國家在《可再生能源發展“十一五”規劃》中將風電發展目標翻了一番，但事實上，僅2007年全國風電并網發電裝機容量就已達403萬kW，同比增長94.4%，這一年的發展規模相當于2007年以前所有年份的總和，全國風力發電總裝機容量在2008年就遠遠超過了“十一五”末期500萬kW的規劃目標。風力發電的迅猛發展又進一步推動了發電機組和塔桿等主要配件的發展，因此，未來幾年我國對風力發電塔桿的需求將呈井噴式發展。

1 國內塔桿焊接設備現狀

目前國內對塔桿的焊接的裝備仍以通用的輔機具為主，難以實現多條焊縫同時高效、優質的焊接，國外相關產品極其昂貴，未能進入中國市場。

塔桿焊接的工作量極大，一條塔桿有多條焊縫，加工工序很長。對于環縫焊接，現有的焊接方式采用操作機配滾輪架方式，一根塔桿放于滾輪架上，多條焊縫通過操作機進行焊接，每焊完一條焊縫操作機挪一次位置。由于塔桿變截面等因素，這種焊接裝備一次僅能實現一條環縫的焊接，要想提高效率，只能采用更多的設備，或更大規模地擴大廠房面積。一節焊接工件和現有環縫焊接裝備如圖1所示。

圖1 一節焊接工件和現有環縫焊接裝備

現有焊接設備的自動化程度不高，工人的勞動強度大，直接影響焊接質量和生產效率。在國外，焊縫自動跟蹤系統，焊劑自動輸送系統已普遍使用，而國內基本使用人工的辦法。

2 改善國內塔桿焊接現狀的途徑

針對目前國內的生產現狀，提高生產效率，提高設備的自動化水平，降低工人的勞動強度，提高廠房單位面積的產值，是研究風力發電塔桿焊接設備的目標，綜合伺服送絲技術、焊縫跟蹤技術、數字化焊機網絡通信技術、過程故障智能判定技術、模糊控制技術和焊接工藝，設計工作范圍大、控制精度高的大型自動焊設備。

3 中電華強塔筒焊接設備簡介

在吸取國外同類產品優點的基礎上，結合我國發展現狀，充分發揮中電華強在自動焊專機方面的人才優勢、技術優勢和經驗積累，在國內首次開發出風力發電塔桿大型自動化焊接專機，實現變截面塔桿5條環縫同時焊接，可顯著提高工作效率，縮短生產周期，設備如圖2所示。改變了多臺焊機同時焊接時需要到不同的控制箱處調節焊接參數或是給定不準的實用現狀。主機控制系統通過總線方式實時控制多臺焊機，所有焊接參數的調節和顯示集中到操作臺和觸摸屏，可控制多臺焊槍在多條焊縫同時焊接，各焊縫采用焊縫跟蹤技術，自動調節焊槍位置，操作員通過視頻在線監控多條焊縫，可顯著節省人力。

圖2 多頭埋弧環縫焊接裝備

3.1 焊接系統設計和技術路線

外環縫采用大跨度龍門結構，多焊接小車實現多焊縫同時焊接，內環縫由位于長梁操作架的多個焊接小車實現多焊縫同時焊接，內縱縫主體由操作機及相應配套小車組成，外縱縫主體由立柱與升降平臺組成；焊接參數由多交流伺服電機和焊接參數反饋系統等實現多閉環控制，信號傳輸充分考慮抗干擾能力；焊縫跟蹤引入PI調節和智能模糊控制。

3.2 機械結構設計

(1)外環縫自動焊機。

由大跨度可移動龍門操作架、焊接小車、滾輪架、專用埋弧焊機、焊劑輸送回收系統、電視監控系統、焊縫自動跟蹤器等部分組成。大跨度龍門架前后各有兩組立柱，由型鋼及鋼板拼焊而成，每組立柱底部有一組滾輪，前面兩組為驅動輪，由一臺交流變頻器控制其同步及調速。焊接小車可在橫梁上行走，到達焊接位置，其上裝有驅動電機、焊槍垂直升降柱及徑向調整滑架、焊縫跟蹤滑架及跟蹤頭、埋弧焊機頭、焊絲盤及單元操作控制箱。

(2)內縱縫自動焊機。

由立柱、橫梁、滑板機構、行走小車、機頭電動微調滑架及等組成。立柱是內縱縫操作機的主要支撐部件。立柱固裝在地車上，并可水平轉動。立柱上還加工有導軌，通過滑板機構帶動橫梁上下移動。橫梁安裝在滑板機構上。焊接機頭安裝在小車上，由電機驅動沿著橫梁上的導軌和齒條行走，完成焊接。小車行走速度變頻無級可調。行走小車上還安裝有焊劑輸送回收系統及電動十字滑架，可隨時調整焊槍，達到最佳的焊接位置。

(3)外縱縫自動焊機。

由立柱、可升降平臺，焊接小車等組成。立柱上帶有提升裝置，可提升平臺，以便適應不同的筒體直徑。焊接小車裝有電動滑架和機頭，安裝在平臺上的橫梁上，在橫梁上無級調速運行，變頻調速。平臺上方為操作臺，帶安全護欄，方便操作人員的操作。

(4)滾輪架。

由一臺主動滾輪架和一臺從動滾輪架構成，主動滾輪架主要由底座、滾輪、電機減速機構、控制系統等組成，采用鋼板及型鋼焊接而成的框架結構，保證了良好的剛性和工作狀態中設備的穩定性。從動滾輪架主要由底座、滾輪座、從動輪裝置等組成。其底座、滾輪、滾輪座的結構和用途同主動滾輪架，從動輪裝置主要由軸承和滾輪組成，為被動回轉機構。

從動滾輪架的從動輪可液壓升降，保證內外焊縫在焊接時處于水平位置。

3.3 控制系統

控制系統用三菱Q系列PLC、DA轉換模塊、485通訊模塊、觸摸屏等作為主要控制部件。由于逆變焊機為大功率開關器件，易出現高頻干擾，因此部分電路中要加入TTL光電隔離電路和RC濾波電路。

(1)焊接參數控制。

為保證送絲質量，送絲控制由常用的焊機控制改成PLC在線控制，送絲裝置采用伺服電機，利用電機上的旋轉編碼器信號作為位置和速度反饋。PLC直接控制送絲速度，并給定焊接電壓，根據焊機返回的實際焊接參數判斷調整焊接電壓、電流、送絲速度的匹配關系，以及過載、粘絲、缺絲等的智能判定。由于桿體變截面，各焊縫角速度一致但線速度不同，PLC還需根據各環縫的桿體直徑調整各焊縫的送絲量，確保各焊縫成型一致，并保證熔深、熔寬等符合工藝要求，每條焊縫的焊接參數控制方式如圖3所示。

圖3 焊接參數控制框圖

由于該專機為大型焊接專機，控制系統離焊接電源和焊接機頭距離較大，焊接參數采樣必須考慮抗干擾能力，采樣頻率必須遵守采樣定理，即采樣頻率ωs必須大于信號x(t)中最高頻率ωm的兩倍，即ωs≥2ωm。圖4為擬采用的信號調理及限幅電路原理圖，此電路主要將傳感器的輸出電流調整為AD模塊要求的電壓信號，并加入限幅電路以防止電壓過高，損壞AD模塊。

(2)焊縫跟蹤系統。

焊縫跟蹤部分擬采用機械探針式傳感器，高精度直流電機控制十字滑板實現焊接過程，硬件部分采用韓國Dongjoo公司的成熟產品，控制主體采用單片機、晶閘管、固態繼電器、DA模塊等電子器件實現。為保證焊縫跟蹤精度，傳感器需要對偏移量反應靈敏，由于慣性和電動機反應滯后等原因，實際跟蹤過程中易出現振蕩現象，為此需要加入PI調節器或模糊控制等智能控制算法，控制結構如圖5所示，被控對象為水平和升降滑板，檢測參數為焊縫位移傳感器。

3.4 主要技術指標

(1)工件參數。

可焊工件直徑2 500～5 000 mm，工件最大厚度8～45 mm，每節最大長度3 000 mm。

(2)焊接參數。

焊接方法為埋弧焊，最大電流1 000 A，焊絲直徑3 mm、4 mm、5 mm。

(3)焊縫自動跟蹤器參數。

載重50 kg，檢測范圍x、y各200 mm，檢測速度為170 mm／min，精度為±0.25 mm，允許承載力矩1 400 kg／cm，驅動電機為高精度直流電機。

(4)滾輪架技術參數。

承載80 t，滾輪線速度120～1 200 mm／min，滾輪直徑580 mm，滾輪寬度320 mm。

圖4 信號調理及限幅電路原理

圖5 焊縫跟蹤控制方式

4 與國外同類產品或技術競爭力分析

由于國外目前用于塔桿焊接的自動化焊接專機及生產線的價格十分昂貴，一般需要幾百萬美金，成為制約其在中國發展的主要因素。國外專業公司的產品主要面向歐洲客戶，對工件的坡口加工精度和裝配精度遠高于國內產品，因此國外自動焊接設備進入中國市場后，并不一定能達到理想的焊接效果。目前自行研發的風塔焊接生產線是針對我國的現場狀況設計的，采用了焊縫跟蹤技術、焊接參數控制及檢測技術，已成功地應用于生產，具有較強的綜合競爭力。

5 結論

(1)加大國產埋弧焊電源開發力度，提高國產埋弧焊電源的可靠性和焊接質量。目前有些出口塔桿，甲方要求必須用進口焊機進行焊接，這說明國內的焊接電源與進口的比還有很大差距。

(2)塔桿生產企業要加大設備投入力度，尤其是焊前數控下料、坡口加工，目前絕大多數生產廠坡口加工采用火焰切割小車，由于筒體長邊帶有弧線，火焰切割小車采用機械跟蹤的辦法，切割的坡口角度不均，鈍邊薄厚不一，為后序焊接帶來很大的麻煩，采用冷加工的辦法可很好的解決破口不均的問題，為自動化焊接打下基礎，提高焊接質量和效率。

(3)采用新的焊接工藝，減少碳弧氣刨工序，改善工人的勞動環境和強度。采用熔化極氣保焊打底，埋弧焊填充、蓋面工藝，可減少碳弧氣刨工序，大大提高生產效率。

Welding technology and equipment of wind turbine tower

WANG Jun
(Wise Welding Technology＆Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100076，China)

Because of wind power turbine has long length，heavy duty，variable cross-section of its characteristics，such as in the process of manufacturing welding quality request higher，especially the sea wind turbines.Therefore，the development and the production efficiency，high automation degree of longitudinal，transmission tower pole，cylinder of a group，automatic welding line can significantly improve the welding quality and production efficiency，promote the development of the manufacturing industry，has the wind the huge economic and social benefits.

wind turbine；welding equipment；automation technology

TG47

B

1001-2303(2010)08-0010-04

2010-07-20

王 軍(1962—)，男，遼寧黑山人，學士，工程師，主要從事焊接設備的設計工作。