CN115302055A - 一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，包括根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别加工双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式；所述塔筒结构钢材料采用TMCP高强钢，双Y型焊接坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的单一角度坡面，复合双Y型坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的双角度坡面；采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配焊剂进行打底焊接；在打底焊接相同工位，利用前焊道热量，进行第一道填充焊接；在塔筒外部对应第一道填充焊接的位置进行第一道外部焊接；按照相同的方式再依次交叉重复进行填充焊接与外部焊接，完成塔筒主体结构无预热焊接。本发明在无预热条件下实现焊接并避免冷裂纹，降低了制造成本，节能降耗效果显著。

Description

一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法。
背景技术
以煤炭、石油、天然气为主的化石能源的应用在未来将受到越来越多的限制，取而代之的将是风能、太阳能、核能等可循环利用清洁能源。作为风电机组的核心装备，风电塔筒结构对风机运行安全具有重要作用，而风塔成本在风电项目建设中也占据了较大比重。
当前，业内风电塔筒多采用多节钢制圆锥筒法兰连接组装的方式，根据不同高度位置塔筒服役过程中受载特点，对筒节尺寸采用差异化设计。在整个风电塔筒结构中，除了法兰连接位置，主体焊缝主要包括塔筒卷制后的纵向连接焊缝以及筒节间的环焊缝。相对于筒体母材，焊接接头是结构的薄弱环节，往往成为结构失效的诱发源头，因此，焊接质量的优劣将决定整个风电塔筒结构的服役安全。多年来，风电塔筒材料以Q345级别的正火态普碳钢为主，材料强度级别低、碳当量相对较高，大厚壁结构焊接冷裂纹敏感性高，焊前往往通过预热避免焊接冷裂纹，从而造成制造工序复杂、增加制造成本等问题。
现有技术中，申请号为201710652386.8的专利公开了一种用于风电塔筒的焊接方法，主要针对完成筒体纵缝焊接的筒节分别在不同工位完成内焊缝和外焊缝焊接，通过滚轮架和焊接小车的配合保证焊接质量，不涉及高强钢的应用和不预热焊接问题。申请号为201510431107.6的专利公开了一种典型风电塔筒设计形式，筒节之间通过法兰连接，具有设计合理、抗风能力强、寿命长的优点，但也不涉及具体的材料升级和焊接制造技术。申请号为201210161202.5的专利公开了一种用于海上风电设备的材料及工件的制造工艺，包括了一种海洋大气环境下Q345E耐候钢、风电塔筒法兰材料的整体制造流程，但不涉及风电塔筒的焊接制造。申请号为201410236687.9、201510314696.X、201710686323.4等专利均公开了具有不同特性的风电塔筒用钢板，属于材料制造范畴，不涉及风电塔筒的制造与焊接。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提出一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，保证风电塔筒主体结构纵焊缝与环焊缝焊接质量，在不预热的条件下避免焊接冷裂纹，从而起到减少制造工序、降低制造成本、同时实现节能降耗的目的。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，包括：
根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别加工双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式；所述塔筒结构钢材料采用TMCP高强钢，双Y型焊接坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的单一角度坡面，复合双Y型坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的双角度坡面；
采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配焊剂进行打底焊接；在打底焊接相同工位，利用前焊道热量，进行第一道填充焊接；在塔筒外部对应第一道填充焊接的位置进行第一道外部焊接；按照相同的方式再依次交叉重复进行填充焊接与外部焊接，完成塔筒主体结构无预热焊接。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，所述塔筒结构钢材料采用的TMCP高强钢为Q420及以上级别，碳当量Ceq<0.45。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，所述根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别设计双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式时，当钢板厚度T<20mm时，采用双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度T>30mm时，采用复合双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度20mm≤T≤30mm时，采用双Y型或复合双Y型焊接坡口形式。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，所述双Y型和复合双Y型焊接坡口形式的坡口钝边宽度f＝2mm～6mm；所述双Y型焊接坡口形式的坡口钝边外侧坡面角度α＝30°～50°，坡口钝边内侧坡面角度β＝25°～45°，且α＝1.2β；所述复合双Y型焊接坡口形式的坡口钝边外侧第一坡面角度α1＝30°～50°，坡口钝边内侧第一坡面角度β1＝25°～45°，坡口钝边外侧与内侧第二坡面角度α2＝β2＝5°～10°。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，所述采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配焊剂进行打底焊接时，埋弧焊丝的直径为2.4mm或3.2mm；
当采用直径为2.4mm埋弧焊丝进行打底焊接时，焊接电流为300A～400A，焊接电压为26V～32V，焊接速度为320mm/min～450mm/min；
当采用直径为3.2mm埋弧焊丝进行打底焊接时，焊接电流为350A～500A，焊接电压为27V～34V，焊接速度为400mm/min～550mm/min。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，采用直径为4.0mm或5.0mm的埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接；
当采用直径为4.0mm埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接时，焊接电流为550A～800A，焊接电压为28V～36V，焊接速度为400mm/min～650mm/min；
当采用直径为5.0mm埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接时，焊接电流为650A～1000A，焊接电压为28V～38V，焊接速度为500mm/min～900mm/min。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，焊接之前对焊接坡口及其两侧50mm范围内的污染物进行清理。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，当进行至最后的盖面焊接时，既要保证坡口边缘充分熔合，又要保证焊道边缘铺展。
作为本发明高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法的一种优选方案，完成塔筒主体结构无预热焊接之后，进行100％超声波无损检验；如果发现超出标准要求的焊接缺陷，则通过机械加工去除缺陷，并进行焊接返修，重新进行返修焊缝100％超声波探伤，直至焊接质量满足要求为止；如果由于无预热焊接在打底焊接位置出现冷裂纹，则调整打底焊接工艺，从减小焊接残余应力和降低焊后淬硬的角度避免焊接冷裂纹。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
塔筒结构钢材料采用TMCP高强钢替代常用的Q345级别普碳钢，根据不同壁厚塔筒结构钢材料对应加工双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式，同时考虑到高强钢打底焊接时冷裂纹敏感性高，因此采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配适当的焊剂进行打底焊接，通过采用低强度焊丝增加焊道塑性储备、降低焊接残余应力水平，从而在无预热的条件下避免焊接冷裂纹。为实现高强钢风电塔筒焊接制造过程中无预热焊接，避免焊接冷裂纹，当完成打底焊接后，内外焊道依次交叉焊接的方式有助于焊接残余应力的交叉消除，最大限度地避免焊接冷裂纹，保证高强钢塔筒无预热焊接的顺利实施。本发明基于高强钢的风电塔筒无预热焊接，减少了制造端工序，有效降低了制造成本，同时具有显著的节能降耗效果，在无预热条件下实现焊接并避免冷裂纹，对风电行业结构件制造与材料升级具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例双Y型焊接坡口形式的结构示意图；
图2本发明实施例复合双Y型焊接坡口形式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提还可以进行若干简单的修改和润饰，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施方案中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，在本发明所描述的实施例可以与其它的实施例相结合。
本发明提出的一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，基于当前轻量化减重趋势下结构整体安全与成本的综合考虑，通过采用碳当量较低的热机械控轧控冷(TMCP)高强钢替代行业内通用的Q345级别普碳钢，以及进行风电塔筒主体结构焊接接头形式设计、焊接材料合理匹配、焊接顺序设置、焊接工艺优化、焊接过程控制等，保证材料升级后风电塔筒主体结构纵焊缝与环焊缝焊接质量，在不预热的条件下避免焊接冷裂纹，从根本上减少现场制造工序、降低制造成本，同时实现节能降耗的目的。随着钢铁冶炼与制造技术的进步，高强度TMCP钢在很多工业领域得到广泛应用，特别是其制造工艺本身决定的较低的碳当量，为制造焊接带来了很多便利，从降低成本、提高效率的角度出发具有良好的推广应用潜力。
本发明实施例的一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，具体包括：
一、高强轻量化风电塔筒结构材料选择
在当前普遍采用的正火态Q345低碳钢的基础上，本发明实施例从适当提高强度实现结构减重、降低结构钢制造成本、提高结构钢焊接性的角度出发，采用Q420及以上级别TMCP状态结构钢作为风电塔筒升级换代材料，该高强钢碳当量Ceq<0.45，保证材料本身良好的焊接性。高强钢各种力学性能指标均满足国家标准和行业设计标准要求。根据风电塔筒不同位置设计的需要，高强钢壁厚进行差异化设计与选择。
二、高强轻量化风电塔筒主体结构焊接接头形式设计
根据设计要求进行基于TMCP高强钢的风电塔筒主体结构筒节制造的下料、接头形式设计与加工、卷制成型与组装。其中，作为影响焊接工艺选择和焊接质量的接头坡口形式设计非常重要。考虑到塔筒制造自动埋弧焊接的特点，根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别设计双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式，如图1和图2所示。
当钢板厚度T<20mm时，采用如图1所示双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度T>30mm时，采用如图2所示复合双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度20mm≤T≤30mm时，根据实际需要，两种坡口形式均可以选择。为了降低高强钢不预热焊接时的冷裂纹敏感倾向，通过采用较低热输入进行打底焊接降低焊接残余应力，从而消除最主要的致裂因素。这里，坡口钝边的宽度f＝2mm～6mm，从而能够保证在较低热输入打底焊接时仍然具有足够的熔透质量。内外坡口深度对称分布，但相应的坡口角度采用差异化设计方式。对于双Y型坡口形式，α＝30°～50°，β＝25°～45°，且α＝1.2β。对于复合双Y型坡口形式，α1＝30°～50°，β1＝25°～45°，且α1＝1.2β1。α2＝β2＝5°～10°。这种根据高强钢壁厚的不同进行的差异化坡口形式设计，在保证能够实现不预热焊接的同时，又最大程度的减少了焊接填充量，体现出一定的经济性。
三、焊接材料匹配原则
考虑到高强钢打底焊接时冷裂纹敏感性高，采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配适当的焊剂进行打底焊接，通过采用低强度焊丝增加焊道塑性储备、降低焊接残余应力水平，从而在无预热的条件下避免焊接冷裂纹。
四、焊接顺序设置
为了实现高强钢风电塔筒焊接制造过程中无预热焊接，避免焊接冷裂纹，需要对焊接顺序进行合理设计。首先采用细直径埋弧焊丝从筒体内部进行打底焊接，然后在相同工位迅速完成第一道填充焊接，充分利用前焊道热量，大大降低了高强钢无预热焊接时冷裂纹倾向。当内部完成上述两道焊接后，开始进行外部焊道的焊接。由于优化设计的焊接坡口钝边形式以及相匹配的细直径埋弧焊接打底，在首道外焊缝焊接前，无需进行清根处理。随后，再继续进行内部焊道的焊接。后续内外焊道依次交叉重复进行。
如上所述，当完成打底焊接后，内外焊道依次交叉焊接的方式有助于焊接残余应力的交叉消除，最大限度地避免焊接冷裂纹，保证高强钢塔筒无预热焊接的顺利实施。
五、优化的焊接工艺规范与焊接过程控制
针对完成下料与加工的组件进行清理，保证焊接坡口及其两侧50mm范围内不能存在水分、油污、锈蚀等影响焊接质量的污染物。
高强钢风电塔筒主体结构的打底焊接是冷裂纹敏感性最高的环节，是无预热焊接制造的难点。除了采用低强度焊接材料匹配外，采用细直径埋弧焊丝小热输入焊接有利于从降低焊接残余应力的角度避免焊接冷裂纹，同时兼顾焊接熔透深度与焊接效率。打底焊接可以采用直径为2.4mm和3.2mm埋弧焊丝，对应的焊接工艺规范如下：
针对直径为2.4mm埋弧焊丝，焊接电流为300A～400A，焊接电压为26V～32V，焊接速度为320mm/min～450mm/min；
针对直径为3.2mm埋弧焊丝，焊接电流为350A～500A，焊接电压为27V～34V，焊接速度为400mm/min～550mm/min。
针对内外焊道填充焊接，从提高焊接效率的角度考虑，采用直径为4.0mm和5.0mm埋弧焊丝，对应的焊接工艺规范如下：
针对直径为4.0mm埋弧焊丝，焊接电流为550A～800A，焊接电压为28V～36V，焊接速度为400mm/min～650mm/min；
针对直径为5.0mm埋弧焊丝，焊接电流为650A～1000A，焊接电压为28V～38V，焊接速度为500mm/min～900mm/min。
在高强钢风电塔筒主体结构内外焊缝交叉埋弧焊接时，需要严格清理前焊道焊渣和其他污染物，保证后续焊道熔合质量。特别的，当进行至最后的盖面焊接时，在上述焊接工艺范围内，既要保证坡口边缘充分熔合，又要在较高的焊接电压条件下保证焊道边缘铺展，对服役于动载场合的风电塔筒结构抗疲劳性能有利。
六、高强钢风电塔筒主体结构焊接接头质量检验与反馈
鉴于风电塔筒结构焊接质量在服役过程中对整体安全的重要性，无论塔筒直焊缝还是环焊缝，焊接完成后均需要进行100％超声波无损检验，按照相关国家标准或行业标准要求，对焊后质量进行严格监控。如果发现超出标准要求的焊接缺陷，需要机械加工去除缺陷，并进行焊接返修，重新进行返修焊缝100％超声波探伤，直至焊接质量满足要求为止。如果由于无预热焊接在打底焊接位置出现冷裂纹，需要调整打底焊接工艺，从减小焊接残余应力和降低焊后淬硬的角度避免焊接冷裂纹。
本发明基于当前轻量化减重趋势下结构整体安全与成本的综合考虑，采用碳当量较低的热机械控轧控冷(TMCP)高强钢替代常用的Q345级别普碳钢，通过焊接接头形式设计以及系列焊接工艺技术保证，在无预热条件下实现风电塔筒主体结构焊接，减少了制造端工序，有效降低了制造成本，具有显著的节能降耗效果。
以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。

Claims (9)

1.一种高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，包括：
根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别加工双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式；所述塔筒结构钢材料采用TMCP高强钢，双Y型焊接坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的单一角度坡面，复合双Y型坡口包括分别在坡口钝边内外两侧加工的双角度坡面；
采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配焊剂进行打底焊接；在打底焊接相同工位，利用前焊道热量，进行第一道填充焊接；在塔筒外部对应第一道填充焊接的位置进行第一道外部焊接；按照相同的方式再依次交叉重复进行填充焊接与外部焊接，完成塔筒主体结构无预热焊接。
2.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，所述塔筒结构钢材料采用的TMCP高强钢为Q420及以上级别，碳当量Ceq<0.45。
3.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，所述根据不同壁厚塔筒结构钢材料，分别设计双Y型和复合双Y型两种不同的焊接坡口形式时，当钢板厚度T<20mm时，采用双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度T>30mm时，采用复合双Y型焊接坡口形式；当钢板厚度20mm≤T≤30mm时，采用双Y型或复合双Y型焊接坡口形式。
4.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，所述双Y型和复合双Y型焊接坡口形式的坡口钝边宽度f＝2mm～6mm；所述双Y型焊接坡口形式的坡口钝边外侧坡面角度α＝30°～50°，坡口钝边内侧坡面角度β＝25°～45°，且α＝1.2β；所述复合双Y型焊接坡口形式的坡口钝边外侧第一坡面角度α1＝30°～50°，坡口钝边内侧第一坡面角度β1＝25°～45°，坡口钝边外侧与内侧第二坡面角度α2＝β2＝5°～10°。
5.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，所述采用最低强度级别埋弧焊丝并匹配焊剂进行打底焊接时，埋弧焊丝的直径为2.4mm或3.2mm；
当采用直径为2.4mm埋弧焊丝进行打底焊接时，焊接电流为300A～400A，焊接电压为26V～32V，焊接速度为320mm/min～450mm/min；
当采用直径为3.2mm埋弧焊丝进行打底焊接时，焊接电流为350A～500A，焊接电压为27V～34V，焊接速度为400mm/min～550mm/min。
6.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，采用直径为4.0mm或5.0mm的埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接；
当采用直径为4.0mm埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接时，焊接电流为550A～800A，焊接电压为28V～36V，焊接速度为400mm/min～650mm/min；
当采用直径为5.0mm埋弧焊丝进行填充焊接与外部焊接时，焊接电流为650A～1000A，焊接电压为28V～38V，焊接速度为500mm/min～900mm/min。
7.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，焊接之前对焊接坡口及其两侧50mm范围内的污染物进行清理。
8.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，当进行至最后的盖面焊接时，既要保证坡口边缘充分熔合，又要保证焊道边缘铺展。
9.根据权利要求1所述的高强钢风电塔筒主体结构无预热焊接方法，其特征在于，完成塔筒主体结构无预热焊接之后，进行100％超声波无损检验；如果发现超出标准要求的焊接缺陷，则通过机械加工去除缺陷，并进行焊接返修，重新进行返修焊缝100％超声波探伤，直至焊接质量满足要求为止；如果由于无预热焊接在打底焊接位置出现冷裂纹，则调整打底焊接工艺，从减小焊接残余应力和降低焊后淬硬的角度避免焊接冷裂纹。
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