CN106002008B - 一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法；其包括如门框备料准备、门洞切割、防变形工装安装、门框与塔筒角焊缝焊接、焊后消应力处理五个主要步骤，可消除超低温工况、大功率发电要求条件下的门框与塔筒焊接区域的应力集中，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷，并保证‑40℃低温冲击功要求；避免应力集中对塔筒法兰平面度、椭圆度合格率的影响，提高塔筒验收一次合格率。

Description

一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法

技术领域

本发明涉及风电塔筒门框焊接操作工艺，具体涉及一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法。

背景技术

风电机组塔筒是支撑机组和叶片正常运行的关键设备。塔筒进人门是安装和运行工作人员进入机组的唯一通道，进人门框是具有进人门板固定和塔筒开口区域补强加固等作用，一般为60～200mm钢板加工制作。在风电塔筒的制作中，由于门框处的开口，破坏塔筒整体环向应力分布，易对管口平面造成影响；法兰与塔筒形成组合角焊缝，致使门框处成为了整段塔筒的应力集中处，且焊缝填充量大，焊缝层数多，焊缝冷却速度快，产生焊接裂纹的概率大大增大，焊接难度大，易产生冷裂纹、层状撕裂的缺陷。另外，门框焊缝焊接变形对风电塔筒法兰平面度、椭圆度合格率影响较大，易造成塔筒法兰平面度、椭圆度不合格。塔筒材质为Q345E，要求必须保证-40℃低温冲击功，对门框与塔筒焊缝要求高，焊接难度大，一般采用手工电弧焊焊接，存在生产效率低，质量不易保证等生产难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，旨在消除超低温工况、大功率发电要求条件下的门框与塔筒焊接区域的应力集中，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷，并保证-40℃低温冲击功要求；避免应力集中对塔筒法兰平面度、椭圆度合格率的影响，提高塔筒验收一次合格率。

为实现上述目的本发明采用的技术方案是：

一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，包括如下步骤：

（1）门框备料准备：门框备料准备时采用由两部分拼接而成的方式，将下料的钢板采用卷板机卷制成型，拼接缝位于门框中心线两侧各150mm，将成型的两门框组装焊接；或是采用厚板利用数控编程整体切割下料；

（2）门洞切割：门洞切割前，将塔筒的安装轴线调整基本水平状态，采用门框做实物模板，在塔筒壁上划线，控制间隙小于2mm；

（3）防变形工装安装：装配门框后在塔筒内侧安装防变形工装，对门框进行加固，门框焊接前对塔筒采用外加刚性拘束，强制塔筒在焊接时不能自由变形；分别在筒节的长度方向上和环向方向上加装固定装置；

（4）门框与塔筒角焊缝焊接：选用含Ni药芯焊丝对角焊缝进行焊接；对坡口形式为内大外小的门框焊接时，利用焊接顺序来防止焊接变形；先焊大坡口2/3的厚度，然后在外侧清根和焊接；门框焊接焊缝有两条长焊缝，采用从中间向两端分段焊接，两位焊工从中间采用相同的焊接参数向两边焊接；

（5）焊后消应力处理：采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除。

进一步，所述步骤（1）中，门框数控下料时尺寸严格控制，将拼接焊缝错开门框中心150mm；下料时预留出修边量；对接时错台≤1mm，门框端面平面度≤1mm，直边直线度≤1mm，并用工装适当加固；当采用数控编程整体切割下料时需打磨切开的断面，并作表面磁粉检测。

进一步，所述步骤（2）中，塔筒门框与相邻筒节纵、环缝应相互错开，若因板材规格达不到时，筒体环焊缝必须位于门框中部直边范围内且与门框自身拼接焊缝间距不小于100mm，若门洞所在筒节为一整板时，门框顶部焊缝与相邻环焊缝最小距离不得小于100mm，相邻筒节纵向焊缝与门框中心线相错不小于90º；同时切割出塔筒与门框连接处钢板坡口；塔筒门框与筒节焊接的坡口采用双“”形坡口，塔筒法兰不允许外翻，可以适当内倾，采用内大外小的坡口形式；坡口角度可以采用40°～45°。

进一步，所述步骤（4）中，门框与塔筒角焊缝的整个焊接过程，应一气呵成；焊接过程中采用红外线测温仪测定层间温度，保证其不低于预热温度；并采用后热处理防止延迟裂纹的产生。

进一步，所述步骤（5）中，采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除，应采用以下工艺操作：

①原始应力测量；

②振动时效处理；

③振后残余应力测量；

④超声波时效处理；

⑤修补测量孔并NDT；

⑥测试数据分析；

⑦时效处理后残余应力测量；

⑧消应力后塔筒形体尺寸测量。

本发明的有益效果：

1、本发明在下料时即严格保证尺寸要求，门洞切割时以实物做模型，可实现无缝安装、误差小、生产效率高、坡口角度有保障；

2、防变形工装采用刚性约束，可有效避免门框焊接时对塔筒法兰的平面度和椭圆度的影响；

3、药芯焊丝对角焊缝进行焊接时，通过焊接顺序的变换及从中间向两端分段焊接的操作可有效控制焊接的变形；

4、采用超声冲击时效与振动时效两者结合，振动时效使用方便，其应力消除率一般在30～50%，另外，超声冲击时效能够彻底消除表面残余拉应力，并施加有益的压应力，将两者结合起来，这对焊接构件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能有益、且能耗小；

5、本发明可消除超低温工况、大功率发电要求条件下的门框与塔筒焊接区域的应力集中，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷，并保证-40℃低温冲击功要求；避免应力集中对塔筒法兰平面度、椭圆度合格率的影响，提高塔筒验收一次合格率。

附图说明

图1为本发明塔筒门框与塔筒焊接坡口处焊道层数示意图。

图2为本发明防变形工装安装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明公开了一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，包括如下步骤：

（1）门框备料准备：门框备料准备时采用由两部分拼接而成的方式，将下料的钢板采用卷板机卷制成型，未避免应力集中，拼接缝位于门框中心线两侧各150mm，控制火焰加热范围，减小切割板金相组织的影响，将成型的两门框组装焊接；或是采用厚板利用数控编程整体切割下料；

（2）门洞切割：门洞切割前，将塔筒的安装轴线调整基本水平状态，采用门框做实物模板，在塔筒壁上划线，控制间隙小于2mm；

（3）防变形工装安装：装配门框后在塔筒内侧安装防变形工装，对门框进行加固，门框焊接前对塔筒采用外加刚性拘束，强制塔筒在焊接时不能自由变形；塔筒门框焊接的主要变形是筒节在长度方向上的收缩引起的弯曲与环向方向上的收缩引起的径向弯曲；为了减小这两个方向上的变形，分别在这两个方向上加装固定装置；

（4）门框与塔筒角焊缝焊接：选用含Ni药芯焊丝对角焊缝进行焊接；对坡口形式为内大外小的门框焊接时，可以利用焊接顺序来防止焊接变形；其具体做法是先焊大坡口2/3的厚度，然后在外侧清根和焊接，这样外侧清根和焊接所产生的变形就可以抵消内侧2/3厚度的变形；当在焊接内侧深域部分时因先已焊焊缝金属已经有一定的刚性约束，引起的变形就小；门框焊接焊缝有两条超过2m的长焊缝，采用从中间向两端分段焊接，两位焊工从中间采用相同的焊接参数向两边焊接，可以有效地减小焊缝纵向方向的收缩引起的变形；

（5）焊后消应力处理：采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除。

在所述步骤（1）中，门框数控下料时尺寸严格控制，将拼接焊缝错开门框中心150mm；下料时预留出修边量；对接时错台≤1mm，门框端面平面度≤1mm，直边直线度≤1mm，并用工装适当加固，防止门框变形；当采用数控编程整体切割下料时需打磨切开的断面，并作表面磁粉检测。

在所述步骤（2）中，塔筒门框与相邻筒节纵、环缝应相互错开，若因板材规格达不到时，筒体环焊缝必须位于门框中部直边范围内且与门框自身拼接焊缝间距不小于100mm，若门洞所在筒节为一整板时，门框顶部焊缝与相邻环焊缝最小距离不得小于100mm，相邻筒节纵向焊缝与门框中心线相错不小于90º；同时切割出塔筒与门框连接处钢板坡口；塔筒门框与筒节焊接的坡口采用双“”形坡口，焊缝的界面尺寸减小，熔敷金属的数量减少，且焊缝厚度方向上对称，收缩方向一致，可以相互抵消一部分变形；塔筒法兰不允许外翻，可以适当内倾，为了保证焊接完成后，塔筒底法兰不出现外翻的情况，采用内大外小的坡口形式；坡口角度太小不便于焊接，并且会出现窄而厚的焊道，增大了出现了裂纹的几率；坡口角度太大增加了焊接层数，变形将会加大，并且焊接层数越多出现缺陷的几率也越多，可以采用40°～45°的坡口角度。

在所述步骤（4）中门框与塔筒角焊缝的整个焊接过程，应一气呵成；焊接过程中采用红外线测温仪测定层间温度，保证其不低于预热温度；并采用后热处理防止延迟裂纹的产生。

在所述步骤（5）中，采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除，应采用以下工艺操作：

①原始应力测量；

②振动时效处理；

③振后残余应力测量；

④超声波时效处理；

⑤修补测量孔并NDT；

⑥测试数据分析；

⑦时效处理后残余应力测量；

⑧消应力后塔筒形体尺寸测量。

在本发明中：含Ni药芯焊丝采用JQ.YJ501Ni-1，其添加了轻微量元素韧化处理，在-40℃时低温韧性优良，抗裂性能好，因此，可用的焊接工艺参数相对于实芯焊丝范围更广；以46mm厚的塔筒与门框焊接为例，其焊接坡口焊道层数示意图如图1所示，在进行上述步骤（4）的门框与塔筒角焊缝焊接时，采用如下操作步骤：

①焊前清理坡口两侧50mm范周内的毛刺、油污、水锈脏物及氧化皮等；使用磨光机清理坡口两侧至露出金属光泽且无黑点，打磨后用压缩空气清理钢板上的砂轮片粉末，而且打磨后应尽快合装并焊接完毕，防止清理后的坡口再次被氧化；如果施工时正处于冬季，车间温度较低，则须对钢板进行预热；预热范围为板厚的5倍，且≥100mm；T形接头立板开双边“”形坡口，坡口角度40°～45°，钝边1～2mm，间隙≤2mm；焊前清理送丝管，防止产生气孔；检查CO2焊机送丝是否顺畅，确定气体流量；保证CO2气体纯度在99.5％以上；新气瓶使用前先将气瓶倒立1～2h，然后打开阀门，把沉积在气瓶下部的液体排出，正立放气，放气时间1～2min；检查气体压力，若低于10个大气压应停止使用；

②焊接前对被焊工件用履带式加热器进行预热，预热温度为150℃，测温点在加热侧的背面、距焊缝80mm处：层间温度的控制范围为100～200℃；预热速度为2℃／min，75min后达到150℃ ；

③以尽量避免焊接变形为原则，采用对称施焊，随时用钢尺检验，随时调整；先用正面焊缝埋弧自动焊焊接3层，当焊接第2、第3层时逐步提高焊接电流、电压，降低焊接速度；

④在正面施焊3层后翻身，反面用碳弧气刨清根，然后用角向磨光机将清根处打磨干净，当反面焊接2层后翻身再焊接正面；

⑤正、反面交替焊接，焊接层数为2～3层；

⑥当焊接至表层时，先将反面焊缝面层焊完，再焊正面焊缝；

⑦由于上层焊道宽，每层需焊接2～3遍；当焊接完一遍后应将熔渣清理干净，并注意观察焊缝的熔合情况；

⑧当焊缝有局部缺陷时，用碳弧气刨清除，然后用角向磨光机打磨干净后再焊接。

其焊接操作参数记录如表1所示：

表1 焊接参数记录表

还需注意的是，对焊时不留间隙，清根时要彻底清除未焊透、气孔等所有缺陷，打底层和清根后的首层厚度不得大于4mm。

如图2所示，防变形工装的安装是将钢管1的一端点焊在门洞所对应的塔筒内壁顶端，将板面呈U形的第一固定板2跨设在门框两侧，在钢管1与第一固定板2之间加设可顶持两者的装置，如液压千斤顶等，使第一固定板2将门框两侧顶紧，再用板面呈圆形的第二固定板3固定在门框另两侧，第一固定板2和第二固定板3并列设置，采用此种刚性固定方式，对塔筒的轴向和径向进行刚性约束，可有效避免门框焊接变形对法兰平面度和椭圆度的影响。

振动时效消应力处理采用HK2000系列振动时效装置，振动时效处理是将激振器装夹在工件上，由控制箱的控制调整激振器频率，使工件处于共振状态，在交变应力作用下振动一定时间后，使构件的残余应力降低和均化；振动时效工艺的制定，是指最佳工艺参数的选择，这对残余应力的消除和均化是十分重要的，它直接影响着时效的效果；振动时效的工艺内容包括激振力、激振频率、振动时间、支承点、激振点及拾振点的选择。

超声冲击时效采用HY2050豪克能消除应力设备，其频率高、能量大、聚焦性好、性能稳定等优势，远超超声冲击技术，彻底消除焊接应力，并产生理想的压应力；时效达90%-100%；用于消除焊接结构件的残余应力，可使焊接接头疲劳强度提高50%-120%，疲劳寿命延长5-100倍，金属在腐蚀环境下的抗腐蚀能力提高约400%。

塔筒焊缝残余应力测试采用HK218残余应力测试仪；

经检测采用振动时效处理后达到了国家标准，振动时效处理是合格的，对非常重要的部位增加超声冲击处理效果更佳，且残余应力均化效果好。

对塔筒外形尺寸测试；底段塔筒时效处理前、后，塔筒关键尺寸技术指标（法兰平面度、椭圆度）进行比较，其测量结果是合格的，其数据如表3；

因此，采用本焊接方法可以消除超低温工况、大功率发电要求条件下的门框与塔筒焊接区域的应力集中，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷，并保证-40℃低温冲击功要求；避免应力集中对塔筒法兰平面度、椭圆度合格率的影响，提高塔筒验收一次合格率

最后应说明的是：以上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)门框备料准备：门框备料准备时采用由两部分拼接而成的方式，将下料的钢板采用卷板机卷制成型，拼接缝位于门框中心线两侧各150mm，将成型的两门框组装焊接；或是采用厚板利用数控编程整体切割下料。

(2)门洞切割：门洞切割前，将塔筒的安装轴线调整基本水平状态，采用门框做实物模板，在塔筒壁上划线，控制间隙小于2mm；

(3)防变形工装安装：装配门框后在塔筒内侧安装防变形工装，对门框进行加固，门框焊接前对塔筒采用外加刚性拘束，强制塔筒在焊接时不能自由变形；分别在筒节的长度方向上和环向方向上加装固定装置；

(4)门框与塔筒角焊缝焊接：选用含Ni药芯焊丝对角焊缝进行焊接；对坡口形式为内大外小的门框焊接时，利用焊接顺序来防止焊接变形；先焊大坡口2/3的厚度，然后在外侧清根和焊接；门框焊接焊缝有两条长焊缝，采用从中间向两端分段焊接，两位焊工从中间采用相同的焊接参数向两边焊接；

(5)焊后消应力处理：采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除。

2.如权利要求1所述的一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，其特征在于，所述步骤(1)中，门框数控下料时尺寸严格控制，将拼接焊缝错开门框中心150mm；下料时预留出修边量；对接时错台≤1mm，门框端面平面度≤1mm，直边直线度≤1mm，并用工装适当加固；当采用数控编程整体切割下料时需打磨切开的断面，并作表面磁粉检测。

3.如权利要求1所述的一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，其特征在于，所述步骤(2)中，塔筒门框与相邻筒节纵、环缝应相互错开，若因板材规格达不到时，筒体环焊缝必须位于门框中部直边范围内且与门框自身拼接焊缝间距不小于100mm，若门洞所在筒节为一整板时，门框顶部焊缝与相邻环焊缝最小距离不得小于100mm，相邻筒节纵向焊缝与门框中心线相错不小于90°；同时切割出塔筒与门框连接处钢板坡口；塔筒门框与筒节焊接的坡口采用双形坡口，塔筒法兰不允许外翻，适当内倾，采用内大外小的坡口形式；坡口角度采用40°～45°。

4.如权利要求1所述的一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，其特征在于，所述步骤(4)中，门框与塔筒角焊缝的整个焊接过程，应一气呵成；焊接过程中采用红外线测温仪测定层间温度，保证其不低于预热温度；并采用后热处理防止延迟裂纹的产生。

5.如权利要求1所述的一种超低温大功率风电塔筒门框焊接方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用超声冲击时效与振动时效两者结合进行焊后应力消除，应采用以下工艺操作：

①原始应力测量；

②振动时效处理；

③振后残余应力测量；

④超声波时效处理；

⑤修补测量孔并NDT；

⑥测试数据分析；

⑦时效处理后残余应力测量；

⑧消应力后塔筒形体尺寸测量。