(中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部湖南株洲412000)
摘要:通过对风电机组塔筒厚板门框焊接所用材料、方法、工艺进行比较分析,全面系统的提出一套行之有效的门框和筒体焊接质量控制方案;并结合车间施焊后容易出现的焊接缺陷进行经验分析,从提高焊接工艺角度来保证塔筒门框焊缝质量。
关键词:厚板焊接;焊接质量控制;焊接工艺;风电门框焊接;Z向性能
前言
近年来绿色能源成为最热门的话题,各个国家都在致力于新能源的开发和利用。风能便是绿色能源之一。风力发电机组中塔筒作为电机的基础支座,其质量直接影响着风力发电机的使用寿命和利用效率。塔筒的制作过程最主要且质量要求最严格的工序就是焊接。那么焊接质量就成了整个塔筒制作的核心技术。其中风电塔筒门框与筒体焊接质量,一直是塔筒制造技术薄弱的环节;所以进行风电塔筒门框焊缝质量控制的研究也就很有必要。
1筒体与门框焊缝接头的设计
1.1接头坡口的分析
焊接结构的破坏往往起源于焊接接头区域,除了受焊接材料牌号、焊接结构和制造工艺的影响外,还与焊接接头的设计有关。在焊接接头设计时,必须正确合理地选择焊接接头的类型和坡口形式。
1.2接头的力学分析
门框和筒体的焊接,采用的是门框板材厚度方向和筒体板材开单边坡口的对接角焊缝,也叫全熔透组合焊缝(CJP)。因为是全熔透角焊缝,角焊缝有其自身的特点,设计时应注意以下问题:
第一,不宜选用过大的焊脚尺寸。实验结果证明,大尺寸的角焊缝其单位面积的承载能力较低,见下表1;
第二,不宜在板材厚度方向上设计过大的角焊缝和传递过大的力。由于钢板的厚度方向(也叫Z向)性能,特别是其塑性相对较差;而门框和筒体板焊缝又必须承载很大的力,而受钢板厚度因素影响,焊脚也不会太小。因此为了降低大尺寸角焊缝的热收缩应力对它的作用,门框板材必须选用具有良好Z向断面收缩率的材料,同时尽量减小焊缝焊脚高度。
1.3焊缝接头和坡口的设计
根据1.1和1.2的分析,对筒体板切割完门孔后,在门孔边缘使用火焰切割手工开40°~45°的单V型坡口,并预留3-5mm的钝边。避免开坡口遗留的氧化渣和浮锈影响后续焊接质量,必须对坡口及周围30~50mm范围内打磨,需露出金属光泽。
2.预防门框与筒体焊接时的变形
焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程。由于热输入大,门框与塔筒焊接区域焊缝布局多,焊接过程温度场的不均匀等因素,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。
2.1门框焊缝焊接变形分析
门框焊接和塔架在使用过程中受到横向、纵向、厚度方向的变形和应力,要控制和减小这些变形和应力,必须全面分析各因素对焊接变形的影响,掌握其影响规律,才可采取合理的控制措施,分析影响因素如下:
2.2焊缝截面积的影响
焊缝面积越大,冷却时收缩引起的塑性变形量越大,焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的,而且是起主要的影响,因此,在板厚相同时,坡口尺寸越大,收缩变型就越大;故1.3选择40~45°单V型坡口。
2.2.1焊接热输入的影响
一般情况下,热输入大时,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使接头塑性变形区增大;所以门框焊接时尽量采用小的热输入量。
2.2.2焊接方法的影响
焊接方法的热输入差别较大,在塔筒焊接常用的几种焊接方法中,埋弧焊热输入最大,在其他条件如焊缝断面积等相同情况下,其收缩变形最大。手工电弧焊居中,CO2气体保护焊和富氩气体焊最小;所以门框焊接时选择CO2气体保护焊或富氩气体焊。
2.3焊接过程中应力分析
门框焊接时产生瞬时内应力,焊接后产生残余应力,并同时产生残余变形,这是不可避免的现象。因此,焊接时应尽量减小应力的产生和残留,控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布,达到平衡,其控制措施有以下几种:
2.4减小焊缝尺寸
2.4.1减小焊接拘束度
综上所述,在门框焊接过程中,一定要全面分析焊接工艺,采用合理的焊接方法和控制措施,既要防止焊后残余应力,又要控制焊接变形。
2.4.2增加工装放置门框焊接变形
在门框焊接时,应将防变形工装点焊在门框四周距门框边距100mm处,如果门框距底部法兰小于400mm,为防止焊接后的热收缩,影响法兰的平面度,必须在门框与法兰之间加顶板支撑防止变形;这是因为,金属材料有热胀冷缩的特性,当门框焊接时,筒体板材局部受热,被加热处的材料受热而膨胀,而周围温度低因此膨胀受到阻碍,此时加热处金属受压缩应力,当加热温度为700℃以上时,压缩应力超过屈服极限,产生压缩塑性变形;停止加热后,金属冷却缩短,结果加热处金属纤维要比原来的短,因而产生了收缩变形,所以必须加顶板控制收缩变形,见图3。图3的防变形方案,采取了工装板距离焊缝较远,对门框和筒体的拘束较小,同时又起到防变形的作用;另外焊接时采用如图2对称焊接顺序更有效的减小了应力和变形。
3.焊接工艺的选择和对比分析
3.1焊接工艺对比
3.1.1筒体板材和门框板材一般为Q345系列的低合金高强钢,由于门框板的焊缝熔合区在厚度方向上,故采取Z向性能好的板材。这里就以筒体板材为Q345D和Q345E,门框板材为Q345E-Z35的焊接为例,对焊材E501T-1、ER50-6、ER49-1和J507,焊接方法CO2气体保护焊、80%Ar+20%CO2和手工电弧焊,以及工艺评定的数据进行比较分析。
按照表2的焊接参数,使用半自动气体保护焊焊机,保护气体为CO2,焊材选用药芯焊丝E501T-1L、φ1.2mm时,母材为筒体板Q345D,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表2:
3.1.2按照表3的焊接参数,使用半自动气体保护焊焊机,保护气体为CO2,焊材选用实芯焊丝ER50-6、φ1.2mm时,母材为筒体板Q345D,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表3:
3.1.3按照表4的焊接参数,使用半自动气体保护焊焊机,保护气体为80%Ar+20%CO2,焊材选用药芯焊丝E501T-1L、φ1.2mm时,母材为筒体板Q345E,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表4:
3.1.4按照表5的焊接参数,使用半自动气体保护焊焊机,保护气体为80%Ar+20%CO2,焊材选用实芯焊丝ER50-6、φ1.2mm时,母材为筒体板Q345E,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表5:
3.1.5按照表6的焊接参数,使用半自动气体保护焊焊机,保护气体为80%Ar+20%CO2;焊材选用实芯焊丝ER49-1、φ1.2mm时,母材为筒体板Q345E,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表6:
3.1.6按照手工电弧焊的焊接方法,焊材选用J507、φ3.2mm、φ4.0mm,母材为筒体板Q345E,门框板材Q345E-Z35,进行施焊;焊接工艺评定力学性能数据,见表7:
从表2—表7对接接头焊缝和热影响区的力学性能数据依据NB/T47014-2000可知,3种焊接方法的焊接接头外观检查符合要求,UT达到Ⅰ级要求,RT检验达到Ⅱ级以上要求;焊接接头的抗拉强度以富氩气保焊最高,CO2气保焊次之,焊条电弧焊最低,这是因为富氩气保焊氧化性较少,合金元素烧损较少所致,但它们均高于母材规定的最小值。按规定的弯曲角,每个试件面弯、背弯各2个,弯曲试验合格,这说明3种焊接方法、四种焊材及焊接工艺的焊接接头力学性能试验合格。但富氩气保焊、CO2气保焊坡口角度较少,比焊条电弧焊生产率高,节省材料,成本低,焊接变形少。这是因为气体保护焊焊丝较细,电流密度大,熔深大,电弧穿透力强,易焊透所致。
焊接过程中还发现,富氩气保焊的飞溅较小,最大飞溅颗粒直径大小为φ1.5mm~φ2mm,CO2气保焊飞溅稍大,最大飞溅颗粒直径为φ3mm~φ4mm,富氩气保焊焊缝表面较CO2焊波纹细密,成形美观;所以焊接保护气体选择富氩气80%Ar+20%CO2。
3.2焊接材料的性能对比分析
焊材间化学成分和力学性能的比较:在进行工艺试验比较时,采用了四种焊材ER50-6、ER49-1、E501T-1L和J507。国内目前主要使用的焊丝是ER49-1(H08Mn2SiA)和ER50-6焊丝[2]。这些焊丝的工艺性能良好,飞溅较小,抗气孔性能良好,焊缝金属力学性能均能符合相应标准的规定。从表9可以看出ER50-6焊丝中Mn、Si含量比ER49-1稍低,所以ER50-6焊缝金属强度稍低,而塑性和韧性较好些;而药芯焊丝E501T-1L与实芯焊丝相比,其具有良好的工艺性能、飞溅小、焊缝成型美观,接头力学性能好,而且具有高效率、较高的熔敷效率和较低的成本以,受风影响较小。J507是低氢钠型药皮的碳钢焊条,其熔敷金属具有优良的力学性能和抗裂性能,还具有很好的抗低温冲击韧性;具体数据见下表8和表9:
综上药芯焊丝E501T-1L与实芯焊丝ER50-6、ER49-1相比,其具有良好的工艺性能、飞溅小、焊缝成型美观,接头性能优良,而且具有高效率、较高的熔敷效率和较低的成本;根据生产实际、质量要求:选用E501T-1L作为焊接门框的焊材。
4.门框焊接
4.1焊接操作过程的注意项
门框对接焊缝焊接工艺的执行与质量控制
a.焊接过程中,焊枪横向摆动时,要保证坡口和门框侧壁在弧光加热的过程中具有一定熔深,使焊道表面内凹成船形;这样就避免焊缝两侧与坡口面之间形成夹角,从而引起产生未焊透、夹渣等缺陷。
b.要控制每层焊道厚度,使盖面焊道的前一层焊道低于母材1.5~2.5mm,并注意不能熔化坡口两侧棱边,这样盖面时可看清坡口,为盖面创造良好条件,从而形成良好的焊缝外观;
c.盖面焊接时,焊前应将前一层凸起不平的地方磨平,焊枪摆动的幅度比填充层要大一些,摆动时幅度应一致,速度要均匀,要特别注意坡口两侧熔化情况,保证熔池边缘超过坡口两侧棱边,并不大于2mm,以避免咬边。
d.若每层用多道焊时,焊丝应指向焊道与坡口、焊道与焊道的角平分线位置,并且焊道彼此重叠不小于焊道宽度的1/3;
e.焊缝完成后,按照焊接工艺要求进行后热,降低冷却速度,充分消除内应力;
4.2门框角焊缝焊接工艺的执行与质量控制
a.角焊缝焊接时,易产生咬边、未焊透、焊缝下垂等缺陷,所以应控制焊丝的角度;由于门框和筒体板厚度相差较大,焊丝的倾角应使电弧偏向门框板,焊丝与门框的夹角50°~60°;
b.对于焊脚为6~8mm的角焊缝,采用单层单道焊,焊枪指向(焊丝)距根部1~2mm处。对于焊脚为6mm的焊缝,采用直线移动法焊接,对于焊脚为8mm的焊缝,焊枪应作横向摆动,可采用斜圆圈形运丝法焊接。
c.对于焊脚为10~12mm的角焊缝,由于焊脚较大,应采用多层焊,焊2层;焊接时第1层操作与单层焊相同,焊枪与垂直板夹角减少并指向距根部2~3mm处,这时,电流比平常时稍大,目的是为了获得不等焊脚的焊道;焊接第2层时,电流比第1层稍小,焊枪应指向第1层焊道的凹陷处,直至达到所需的焊脚;
d.对于焊脚为15mm的角焊缝应采用多层多道焊,即焊接3层,需要注意的是:操作时,每道的焊脚大小应控制在6~7mm左右,否则焊脚过大,易使熔敷金属下垂,在筒体板上产生焊瘤,在门框板上产生咬边;焊枪角度及指向应保证最后得到等脚和光滑均匀的焊缝。
4.3焊接顺序的质量控制
门框与板之间的缝隙不均匀时,应按照图2中显示的顺序(1到6逐次焊接)进行焊接,首先焊接直线区域,然后焊接曲线区域。一道焊道焊接完成,在进行下一焊道的焊接时,应将前一焊道的尾部进行打磨,整个根部焊道必须进行打磨,以使其光滑且无缺陷。
根据WPS中的参数,进行填充焊接时,用压缩空气将前一焊道焊缝的所有焊渣完全清理干净,以方便后一道焊缝的焊接,在用气枪进行清理后,如仍有清理不掉的杂质,用角砂轮打磨清理干净。
5.结论
a)通过对塔筒门框受力的分析,制定合理的坡口形式、焊缝接头形式,以得到良好的接头性能;
b)焊接前采用合理的反变形工装,制定合理的焊接顺序,减小了应力和变形保障焊接质量;
c)焊接方法采用气体保护焊,保护气体为80%Ar+20%CO2,减少焊接飞溅,提高焊缝外观质量;
d)采用焊丝型号为E501T-1L、φ1.2mm,使接头性能具有良好的力学性能,减少焊缝内在缺陷。
e)为保证焊缝质量必须制定和严格执行评定合格的焊接工艺要求。
参考文献:
[1]NB/T47014-2011钢制压力容器焊接工艺评定
[2]NB/T47016-2011承压设备产品焊接试件的力学性能检验
[3]GB/T5313钢板厚度方向性能
[4]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册焊接结构(M).版本3.北京.机械工业出版社.
[5]气体保护焊工艺基础(M).北京:机械工业出版社