風電塔架80 mm門框頂弧焊接卷制工藝研究與應用*

王平軍，張兆鳳，辛月紅

(1.甘肅酒鋼集團 西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100; 2.甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

近年來，我國以風電、光伏發電為代表的清潔新能源發展成效顯著，裝機規模穩居全球首位，其中風電是清潔能源的重中之重。要實現“雙碳”目標和風電長足發展，大型風力發電機組及其它設備必須優先研究、優先發展。大型風電塔架頂弧焊接門框卷制、焊接工藝的成功研究及應用，實現風電塔架核心部件的“自產轉化”及批量化生產，為大型發電機組風電塔架的生產奠定了基礎。

筆者針對80 mm頂弧焊接生產工藝難點問題和大型發電機組需求，通過對頂弧焊接門框結構的研究分析，提出了“整體下料，整體卷制”和“先卷制，然后切割，最后焊接”的合理、經濟、可行的工藝方案，實現了頂弧焊接門框的零突破，同時擴大了風電門框生產規格及型號，頂弧焊接門框生產工藝的成功應用，為后續頂弧焊接門框批量化生產奠定基礎。

1 門框頂弧焊接、卷制工藝優勢及目標

1.1 工藝優勢

門框頂弧焊接、卷制工藝主要應用于國內大型發電機組，焊縫布局主要以橢圓弧頂點中心位置為主，此焊接方案對整個塔筒強度的影響最小；此焊接方案也是未來使用趨勢，如圖1所示。

圖1 頂弧焊接方案

1.2 工藝范圍

門框頂弧焊接、卷制工藝主要應用于卷制門框；與鍛造門框、整體下料門框相比，卷制門框材料浪費小、利用率高、強度高、成本低、生產難度低。

1.3 工藝目標

根據對風力發電機組使用情況的調研，大型風力發電機組是未來的發展趨勢，門框也將以60～82 mm規格的門框為主，門框頂弧焊接、卷制工藝主要應用于大型發電機組風電塔架60～82 mm門框。

2 頂弧焊接門框主要參數及生產難點分析

文中重點對頂弧焊接門框主要參數及技術要求進行了研究分析，以下主要闡述頂弧焊接門框的生產難點和生產工藝思路。

2.1 頂弧焊接門框主要參數

外形尺寸為3 000 mm×1 020 mm×245 mm，內圓尺寸為2 840 mm×860 mm×245 mm；橢圓尺寸為長軸為1 010 mm，短軸為860 mm；鋼板厚度為80 mm；焊縫處按照JB/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級要求對焊縫進行100%UT超聲波探傷。如圖2所示。

圖2 風電塔架80 mm頂弧焊接門框

2.2 生產難點分析

圖2所示頂弧焊接門框制作難點為：①鋼板厚度達到80 mm且卷制半徑非常小；②焊縫處應力集中，在焊縫處卷制橢圓弧難度大；③焊縫布局在橢圓弧頂點中心處。綜合分析研究，為了降低卷制難度，確保門框符合圖紙要求，采取“整體下料，整體卷制”和“先卷制，然后切割，最后焊接”工藝思路進行生產。

3 門框頂弧焊接、卷制工藝

直線段焊接工藝生產工序為“分段下料(2件)→卷制→組對→焊接”，生產工序較短、生產工藝簡單、生產難度較小。

門框頂弧焊接、卷制工藝不同于直線段焊接工藝，主要特點是生產工序較長、生產工藝復雜、生產難度較大，采用“整體下料，整體卷制”工藝思路，生產工序為：整體下料(1件)→整體卷制→頂弧切斷→組對→焊接→卷制→焊接。

文中根據門框頂弧焊接、卷制工藝特點，重點從生產工藝的“下料→第一次卷制→切割→組對→焊接→第二次卷制→組對→焊接”等8個工藝環節進行分析研究，制定了可行、可靠、經濟、合理的工藝方案，實現了頂弧焊接門框的技術突破。

3.1 下 料

圖2門框展開尺寸為6 588 mm，按照6 588×245×80 mm尺寸編程、模擬、下料，無需預留工藝尺寸。

3.2 確定卷制基準線

圖2門框圓弧段長度1 236 mm，以圓弧的頂端為基準確定三段圓弧卷制基準線，①、②、③段圓弧的基準線分別為130、349、757 mm；由于壓輥直徑為φ400 mm，所以卷制基準線為圓弧基準線加壓輥半徑R 200 mm，即①、②、③段圓弧的卷制基準線分別為330、549、957 mm；在卷制過程中，壓輥的軸線必須與圓弧基準線平行，且基準線的圓弧面與壓輥圓柱面相切。

3.3 制作樣板

制作①、②、③段橢圓部分整體檢測樣板、橢圓弧1/2檢測樣板，用于卷形過程中各圓弧尺寸和三段圓弧的整體過渡尺寸的檢測。

3.4 壓輥下壓量參數

卷制③段圓弧時，壓輥下壓量為1 mm/次；卷制②段圓弧時，壓輥下壓量0.75 mm/次；卷制①段圓弧時，壓輥下壓量0.5 mm/次；橢圓弧接近成形時，下壓量不大于0.5 mm/次，防止鋼板出現微裂紋。

3.5 第一次卷制

(1) 采用W11NC-82×500多用型三輥卷板機卷制圓弧，每次壓輥運行距離為卷制基準線2倍，①、②、③段圓弧卷制尺寸分別為660、1 098和1 914 mm，如圖3所示。

圖3 門框鋼板第一次卷制

(2) 按照③、②、①順序卷制圓弧，在卷制過程中用1/2樣板進行檢查，鋼板第一次U型卷形完畢，經整體樣板檢查發現橢圓弧、中心距、860 mm各尺寸符合圖紙要求,如圖4、5所示。

圖4 門框卷制U形 圖5 門框U形校形

(3) 檢查完畢，按照JB/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級要求對橢圓弧外表面進行100%MT磁粉探傷[1]。

3.6 倒 角

U型門框A、B端倒角，鋼板80 mm中心線的內、外側倒角均為20 mm；在橢圓頂弧中心C處(氣割槍頭角度45°)切開成L形，鋼板40 mm中心線的內、外側倒角分別為20 mm、15 mm,如圖6所示[2]。

圖6 U形平切成L形

3.7 第一次組對、焊接

(1) 組對

圖6兩件鋼板A、B端水平放置在平臺并按照圖7組對，組對時確保兩張鋼板直線段平直，無彎曲、扭曲、變形等問題；焊接時防止焊接變形，如圖7所示。

圖7 兩件L形組對

(2) 焊接參數

采用NB-500二氧化碳氣保焊機，直徑為φ1.6 mm的SQJ501Ni(L)藥芯焊絲進行焊接，具體焊接工藝參數[3]見表1。

表1 焊接工藝參數

(3) 焊接

門框焊接工藝符合JB4708-2000要求，焊接采用多層、多道焊的焊接方法；正面的焊縫焊接完畢，鋼板翻轉180°焊接背面的焊縫,背面的焊縫在焊接之前，采用ZX7-400及B508C炭弧氣刨碳棒(φ8×355 mm)對焊縫進行清根處理，使其符合探傷焊縫的焊接標準[4]，詳見表2。

表2 炭弧氣刨工藝參數表

(4)按照正面的工藝焊接背面的焊縫。

(5)按照JB/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級要求對焊縫進行100%UT超聲波探傷。

3.8 第二次卷制

按照橢圓弧的工藝卷制第二段橢圓弧，C-C焊接面合攏，如圖8所示。

圖8 門框焊縫C-C合攏

3.9 第二次組對、焊接

(1) 組對、校正

卷制完畢，按照門框尺寸在平臺放樣；制作專用組對胎具對焊縫C-C進行組對、合口，如圖9所示；制作專用胎具，如圖10所示，對門框進行校正，使圖紙尺寸間隙控制在2～3 mm；對門框用橢圓弧及各尺寸進行檢查。

圖9 焊縫C-C組對合口 圖10 門框校正及工裝

(2) 焊接

為了降低焊接難度，提高焊接探傷合格率和焊接效率，制作專用的焊接工裝，將門框傾斜15°～20°，豎放在焊接工裝上，將“C-C立縫焊接”改為“平縫焊接”，如圖11所示；按照第一道焊縫焊接工藝焊接第二條焊縫，內側焊縫焊接完畢，門框橫放在25°平臺上焊接外側焊縫[2]。

圖11 門框焊接工裝

(3) 橢圓弧頂端的兩條焊縫按照JB/T4730.2、JB/T4730.3和JB/T4730.4的Ⅰ級要求進行100%MT和100%UT探傷，門框外表面進行100%MT探傷。

(4) 整體門框校形，采用專用胎具對門框尺寸校形，確保門框全方位尺寸符合圖紙要求，且門框與門板附件具有互換性[5]。

(5) 振動時效處理，采用HK2000全自動振動時效儀消除釋放門框的焊接、卷制應力[6]。

通過以上對門框頂弧焊接工藝的分析研究，結合工藝方案逐步實施、驗證、完善，實現了門框頂弧焊接工藝的成功應用，解決了門框生產瓶頸問題，為后續門框生產工藝改進、完善奠定了技術基礎，在大型發電機組的塔架生產項目上有很好的市場推廣價值。

4 結 語

通過對頂弧焊接門框卷制、焊接工藝研究，實現了門框頂弧焊接工藝成功開發及應用，生產工藝各項指標均達到了技術要求且成功進入國內的先進行列，門框生產能力及技術實力大幅提升，實現核心部件的“自產轉化”，從技術的角度徹底解決了制約生產的瓶頸問題，提高了生產效率，降低了采購成本，實現風電裝備“延鏈、強鏈、補鏈”及可持續發展，為公司風電產業高質量發展奠定了基礎。