風(fēng)力發(fā)電機(jī)架用S275NL鋼焊接及變形控制研究

宋小東

德陽東汽電站機(jī)械制造有限公司 四川德陽 618200

1 序言

目前，世界環(huán)境日益惡化，風(fēng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源之一，利用風(fēng)力發(fā)電成為各國(guó)備受關(guān)注的焦點(diǎn)，風(fēng)電的裝機(jī)容量也隨之逐年增長(zhǎng)。機(jī)架作為風(fēng)電機(jī)組承受力的主要零部件，不僅要承受風(fēng)電機(jī)組自身的重力，而且更重要的是還要承受外部各種極端惡劣天氣的侵蝕及復(fù)雜可變風(fēng)力的襲擊。因此，對(duì)機(jī)架的制造要求非常高。德陽東汽電站機(jī)械制造有限公司主要承制陸用風(fēng)電機(jī)架，風(fēng)機(jī)主要安裝在高海拔、低溫環(huán)境，因此風(fēng)電機(jī)架主材選用耐低溫的S275NL低合金結(jié)構(gòu)鋼，載荷集中的前機(jī)架使用厚30~80mm鋼板，機(jī)架焊后整體平面度要求＜5mm[1]。機(jī)架由前機(jī)架和后機(jī)架組成，其中前機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫坡口大，不僅對(duì)焊接的要求較高，而且操作難度也較大。前機(jī)架所有焊縫均為全熔透焊縫，焊后要求UT+MT達(dá)到NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》中Ⅰ級(jí)合格。為了保證機(jī)架焊接接頭的質(zhì)量和性能，本文對(duì)機(jī)架的焊接工藝進(jìn)行了研究，并對(duì)機(jī)架焊接變形的原因進(jìn)行了分析，確定了防止焊接變形的方法。

2 焊接工藝

2.1 母材性能

S275NL屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼板在低溫（0~ －40℃）條件下有良好的沖擊性能，能夠滿足機(jī)架在－40℃下沖擊吸收能量≥27J的設(shè)計(jì)要求。鋼板要求正火處理，且超聲波檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格，即經(jīng)過正火處理后，超聲波檢測(cè)鋼板內(nèi)部要求無夾雜物、無裂紋。該品種對(duì)成品厚度≥40mm的鋼板選用Z向鋼板。其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 S275NL低合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 S275NL低合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣要求并結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)情況，采用富氬氣體（80%Ar+20%CO2）保護(hù)電弧焊，氬弧焊用于后機(jī)架薄壁件的焊接和補(bǔ)焊。為了保證焊縫與母材具有相同的力學(xué)性能，選用錦泰JM-55Ⅱ焊絲。

2.2 焊接性分析

S275NL鋼板的碳當(dāng)量：

根據(jù)計(jì)算可知鋼板的碳當(dāng)量約為0.48%，大于0.45%，可見S275NL鋼焊接性能較差，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱影響區(qū)淬硬傾向，產(chǎn)生冷裂紋，因此需要在焊接時(shí)制定嚴(yán)格的工藝措施。機(jī)架主體材料厚為30~80mm，要求焊前進(jìn)行100~150℃預(yù)熱；焊接時(shí)避免熱輸入量過大，要求焊接電流≤280A；并嚴(yán)格控制焊縫層間溫度≤170℃；焊后整體進(jìn)行（620±20）℃去應(yīng)力退火。

2.3 焊接參數(shù)

根據(jù)上述分析，采用GMAW工藝，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，直流正接，焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接參數(shù)

采用上述焊接參數(shù)進(jìn)行工藝評(píng)定，結(jié)果符合判定要求，焊縫外觀成形美觀，目視檢查無氣孔、焊瘤、咬邊及裂紋等缺陷；按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》進(jìn)行MT+UT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格；試樣力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果合格。拉伸試樣斷于母材，斷裂部位具有明顯的縮頸現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度均高于母材。彎曲試樣在彎心直徑d=3t的壓頭下[2]，冷彎180°均合格，所有沖擊試樣在－40℃的條件下滿足沖擊吸收能量≥27J要求。

3 機(jī)架焊接變形的控制

3.1 機(jī)架焊接變形的原因

機(jī)架焊接后對(duì)整體平面度要求極高，焊接變形會(huì)導(dǎo)致加工余量不足、后期安裝電氣設(shè)備不平穩(wěn)等問題，可直接造成經(jīng)濟(jì)損失以及安全隱患。風(fēng)電機(jī)架是由30~80mm厚主體材料組成的結(jié)構(gòu)件（見圖1），由于焊縫較多且機(jī)構(gòu)復(fù)雜[3]，鋼板尺寸大，規(guī)格不統(tǒng)一，焊接熱輸入量大，因此容易產(chǎn)生由局部高溫加熱而造成焊接應(yīng)力集中引起的變形。造成機(jī)架焊接變形的原因多且復(fù)雜，主要有焊接應(yīng)力和工藝制定不合理等因素。

圖1 風(fēng)電機(jī)架結(jié)構(gòu)

（1）焊接應(yīng)力 焊接應(yīng)力是風(fēng)機(jī)焊接變形的主要根源。由于機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接量大，焊縫分布集中，且每條焊縫焊接受熱不均勻，因此易產(chǎn)生復(fù)雜的焊接應(yīng)力和焊接變形[3]。

（2）工藝制訂不合理 焊接工藝的制訂是機(jī)架裝焊的重點(diǎn)和難點(diǎn)，焊接工藝對(duì)焊接變形有著至關(guān)重要的影響。如：焊接設(shè)備和焊接方法的選擇，焊接電流、電弧電壓的選定，焊縫層間溫度的控制，焊接順序及焊位的安排，以及工裝夾具的選用等。

3.2 機(jī)架焊接變形種類

（1）收縮變形 機(jī)架零部件使用鋼板厚度大，坡口和焊腳大，焊接量大，熱輸入量也隨之增大，以及受熱不均勻等原因造成機(jī)架收縮變形。

（2）角變形 機(jī)架的主要焊接接頭為搭接接頭和T形接頭，角焊縫較大（角焊縫25mm左右），因此角變形也是機(jī)架焊接變形的原因之一。

（3）彎曲變形 機(jī)架局部位置焊接加熱到熔化溫度，焊縫與母材之間形成了很大的溫度階梯，冷卻過程中不同方向收縮引起的彎曲變形。

（4）扭曲變形 焊縫分布不均，焊接順序安排不當(dāng)引起的變形[4]。

（5）其他變形 冷卻后焊件由殘余應(yīng)力引起的變形。

3.3 控制焊接變形的方法

根據(jù)機(jī)架焊縫結(jié)構(gòu)和可能產(chǎn)生變形的分析，擬采用如下控制措施。

1）預(yù)留焊縫收縮余量。為降低焊縫拘束度，適當(dāng)增加與機(jī)架縱橫向加強(qiáng)筋板相接焊縫的間隙，以抵消部分收縮引起的變形。

2）在焊接參數(shù)要求范圍內(nèi)，盡可能使用小電流焊接，嚴(yán)格控制層間溫度，減少熱輸入量。

3）機(jī)架上下板變形，主要是由角變形引起的，可以采用反變形的方法控制。

4）采用對(duì)稱焊接。機(jī)架焊縫接頭主要是由雙面坡口形成的T形接頭，可以選擇采用對(duì)稱焊控制變形，根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特點(diǎn)，也可以組織成對(duì)的焊工進(jìn)行對(duì)稱焊接。

5）根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)和焊縫分布情況，安排合理的焊接順序。機(jī)架上下板相接焊縫較長(zhǎng)，可以采用分段退焊的方法避免變形；前機(jī)架較短的焊縫，可以采用分中對(duì)稱的方法減小變形；后機(jī)架中板或較薄的鋼板，可以選擇分中分段退焊的方法減小變形。

6）前機(jī)架坡口較大的焊縫，可以選擇用圓頭小錘敲擊焊縫釋放焊接應(yīng)力的方法控制變形。需注意的是，一般不對(duì)打底層及表面焊縫進(jìn)行錘擊，其余焊道焊完應(yīng)該立即錘擊。

7）增強(qiáng)前機(jī)架縱橫筋板之間焊接工藝?yán)畹膭偠龋苑乐购附幼冃巍?/p>

4 結(jié)束語

風(fēng)電機(jī)架通過采用本文所述焊接參數(shù)和控制焊接變形的方法，不但保證了機(jī)架的焊縫質(zhì)量和幾何尺寸，而且大幅提高了生產(chǎn)效率，一次驗(yàn)收合格率高，外形美觀，得到了廣大用戶的好評(píng)。