兆瓦级风机塔筒门框焊缝的质量控制

兆瓦级风机塔筒门框焊缝的质量控制

吴松庐贺勇

（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