風(fēng)電機(jī)座焊接工藝方法

張志勇

摘要：風(fēng)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(fēng)電對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等都具有非常重要的意義。塔架應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，承受作用在風(fēng)輪、機(jī)艙和塔架上的靜載荷和動(dòng)載荷，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命。因此，作為整個(gè)發(fā)電機(jī)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(huì)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(duì)整個(gè)塔架的質(zhì)量影響很大。因此，對(duì)塔架門框焊接變形的控制及其焊接工藝的設(shè)計(jì)具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電;機(jī)座焊接;工藝方法

引言

風(fēng)電機(jī)座系風(fēng)電機(jī)組的主要載體（以下簡稱機(jī)座），整體重量15-20t，屬于大型厚板焊接結(jié)構(gòu)件，除承擔(dān)所有機(jī)械和電控部分的部件外，還承受所有外力，如包括靜載和動(dòng)載，同時(shí)要承受野外惡劣的天氣情況，因此機(jī)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(jìn)

在公司評(píng)審會(huì)通過了“鍛壓車間電機(jī)風(fēng)電機(jī)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(xiàng)目組，數(shù)次召開“頭腦風(fēng)暴”論證會(huì)，提出如何將“一個(gè)流”作業(yè)、操作過程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)、生產(chǎn)流程均衡化、信息化、自動(dòng)化等融入到生產(chǎn)線布局優(yōu)化和工藝流程再造設(shè)計(jì)方案中，從生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)、新設(shè)備調(diào)研選型、人員培訓(xùn)配置、舊設(shè)備調(diào)整定位、輔助工夾具設(shè)計(jì)制作等方面集思廣益，逐項(xiàng)落實(shí)。

1.1生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)實(shí)施

依照精益生產(chǎn)“一個(gè)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(shè)，同時(shí)兼顧設(shè)備區(qū)域集中原則，盡量擴(kuò)大鉚焊作業(yè)面積，預(yù)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(shè)計(jì)為裝配焊接區(qū)。設(shè)計(jì)思路是按照“一個(gè)流”的目標(biāo)布設(shè)一條從半成品零件備料;組部件裝配、焊接、校平;機(jī)座鉚裝、焊接、打磨、檢驗(yàn)流水化生產(chǎn)線。二是將車間西跨設(shè)計(jì)為：下料成型區(qū)。設(shè)計(jì)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(shè)備。

按照“一個(gè)流”作業(yè)模式對(duì)車間6大工種24道工序進(jìn)行梳理優(yōu)化為13道工序，無重復(fù)性工序，高效快捷。

1.2鉚焊作業(yè)工藝可視化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

對(duì)電機(jī)、風(fēng)電的“裝配、組對(duì)”實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)可視化操作指導(dǎo)，針對(duì)機(jī)座裝配、組對(duì)工藝的可視化進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。設(shè)計(jì)制定可視化工藝圖例，繪制零部件三維圖。使電機(jī)、風(fēng)電鉚焊生產(chǎn)工序中最重要的裝配、組對(duì)工序操作一目了然，員工知道自己的工作任務(wù)及要求，三維圖直觀清晰，指導(dǎo)性強(qiáng)，有效地提升工作效率;對(duì)焊接采用焊接變位裝置，按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、特性對(duì)焊接工序進(jìn)行“一個(gè)流”焊接，內(nèi)、外焊縫焊接按操作技能高低分配，加強(qiáng)了焊接質(zhì)量進(jìn)行有效的控制，提高工效。

1.3物流系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鉚焊流水連續(xù)作業(yè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是機(jī)座零件及機(jī)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(jìn)行零件在各工位周轉(zhuǎn)，效率低，由于生產(chǎn)往往是多型號(hào)機(jī)型同時(shí)加工，零件品種雜、數(shù)量多，備料時(shí)間過長，嚴(yán)重制約了裝配、焊接后續(xù)的加工。在生產(chǎn)流程及工藝設(shè)計(jì)中引入了“組合式柔性梁式起重機(jī)”配合“電動(dòng)托盤車”、“標(biāo)準(zhǔn)物料拖架”實(shí)現(xiàn)物流的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)，自工序即可完成零部件的吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)。

2風(fēng)電機(jī)座焊接工藝方法

2.1塔架中的殘余應(yīng)力

目前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，風(fēng)電塔架常采用的材料也在不斷地進(jìn)行升級(jí)，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(dāng)量小、焊接性好，但在焊接過程中，由于不均勻的溫度場或機(jī)械因素以及預(yù)熱、后熱等焊接工藝問題，會(huì)使塔架在冷卻過程中產(chǎn)生焊接變形，焊縫中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀。焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料的結(jié)構(gòu)剛度和靜載強(qiáng)度。此外，焊接殘余應(yīng)力還會(huì)對(duì)塔架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度以及應(yīng)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(yīng)力。

2.2殘余應(yīng)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(yīng)力的工藝主要有：振動(dòng)時(shí)效、焊后熱處理以及自然時(shí)效等。振動(dòng)時(shí)效是利用振動(dòng)使工件內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力和附加振動(dòng)應(yīng)力的矢量和超過材料屈服強(qiáng)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(yīng)力得以松弛和減輕，并且提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。這種方法因?yàn)樵O(shè)備價(jià)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(dòng)時(shí)效只能消除30%～50%的應(yīng)力。焊后熱處理是通過熱處理設(shè)備對(duì)焊縫進(jìn)行局部加熱，使局部達(dá)到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并保持有一定時(shí)間，使工件的殘余應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，這樣既能消除焊縫的殘余應(yīng)力，又能改善焊縫的組織，同時(shí)還能降低焊縫中的含氫量。這樣能消除50%～70%的焊接殘余應(yīng)力，效果良好。但是生產(chǎn)實(shí)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(dāng)，或操作時(shí)不嚴(yán)格遵守合理的工藝規(guī)范，往往得不到消除應(yīng)力的結(jié)果，甚至增大工件的應(yīng)力。自然時(shí)效不需要投資且沒有能耗，消除殘余應(yīng)力2%～10%，時(shí)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(fēng)電塔架生產(chǎn)廠家的實(shí)際應(yīng)用來看，熱處理設(shè)備如加熱爐等設(shè)備投資大、時(shí)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(huì)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(yán)格要求環(huán)保的社會(huì)環(huán)境下，使用成本過高。振動(dòng)時(shí)效周期只有0.5個(gè)小時(shí)左右，其能耗只有熱時(shí)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(duì)較為友好。因此，近年來大多使用振動(dòng)時(shí)效來消除塔架、塔架與法蘭焊縫處的殘余應(yīng)力。

2.3焊前預(yù)熱及焊后消應(yīng)力

塔架門框厚度較大，焊接時(shí)較容易出現(xiàn)焊接應(yīng)力、焊接拘束度和焊接裂紋等危害，這些危害會(huì)造成塔架結(jié)構(gòu)的形狀變形、尺寸精度降低、承載強(qiáng)度減弱，進(jìn)而會(huì)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(jì)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(jìn)行預(yù)熱可以較好地降低焊接應(yīng)力、焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的溢出，避免焊接裂紋。同時(shí)，焊接厚度越厚，焊后殘余應(yīng)力值就越大，焊后殘余應(yīng)力將會(huì)影響到焊件的抗腐蝕、抗開裂、抗疲勞等機(jī)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(jìn)行熱處理消應(yīng)力，但從實(shí)際情況出發(fā)，門框焊接在大型風(fēng)電機(jī)組塔架上后，由于尺寸較大不適合進(jìn)行熱處理消應(yīng)力。從可實(shí)施性和高效低能耗的角度考慮，采用振動(dòng)時(shí)效加超聲波沖擊時(shí)效的方法可以較好地達(dá)到消除和均勻化塔架門框焊后殘余應(yīng)力的目的。

結(jié)束語

多數(shù)焊接接頭韌塑性儲(chǔ)備較多，能夠作為風(fēng)電機(jī)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。

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