一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法；其包括如門框備料準備、門洞切割、防變形工裝安裝、門框與塔筒角焊縫焊接、焊后消應(yīng)力處理五個主要步驟，可消除超低溫工況、大功率發(fā)電要求條件下的門框與塔筒焊接區(qū)域的應(yīng)力集中，避免產(chǎn)生焊接裂紋、層狀撕裂的缺陷，并保證?40℃低溫沖擊功要求；避免應(yīng)力集中對塔筒法蘭平面度、橢圓度合格率的影響，提高塔筒驗收一次合格率。
【專利說明】
一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)電塔筒門框焊接操作工藝，具體涉及一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門 框焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)電機組塔筒是支撐機組和葉片正常運行的關(guān)鍵設(shè)備。塔筒進人門是安裝和運行 工作人員進入機組的唯一通道，進人門框是具有進人門板固定和塔筒開口區(qū)域補強加固等 作用，一般為60~200_鋼板加工制作。在風(fēng)電塔筒的制作中，由于門框處的開口，破壞塔筒 整體環(huán)向應(yīng)力分布，易對管口平面造成影響;法蘭與塔筒形成組合角焊縫，致使門框處成為 了整段塔筒的應(yīng)力集中處，且焊縫填充量大，焊縫層數(shù)多，焊縫冷卻速度快，產(chǎn)生焊接裂紋 的概率大大增大，焊接難度大，易產(chǎn)生冷裂紋、層狀撕裂的缺陷。另外，門框焊縫焊接變形對 風(fēng)電塔筒法蘭平面度、橢圓度合格率影響較大，易造成塔筒法蘭平面度、橢圓度不合格。塔 筒材質(zhì)為Q345E，要求必須保證-40°C低溫沖擊功，對門框與塔筒焊縫要求高，焊接難度大， 一般采用手工電弧焊焊接，存在生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不易保證等生產(chǎn)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，旨在消除超低溫 工況、大功率發(fā)電要求條件下的門框與塔筒焊接區(qū)域的應(yīng)力集中，避免產(chǎn)生焊接裂紋、層狀 撕裂的缺陷，并保證_40°C低溫沖擊功要求;避免應(yīng)力集中對塔筒法蘭平面度、橢圓度合格 率的影響，提高塔筒驗收一次合格率。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，包括如下步驟： (1) 門框備料準備：門框備料準備時采用由兩部分拼接而成的方式，將下料的鋼板采用 卷板機卷制成型，拼接縫位于門框中心線兩側(cè)各150mm，將成型的兩門框組裝焊接;或是采 用厚板利用數(shù)控編程整體切割下料； (2) 門洞切割：門洞切割前，將塔筒的安裝軸線調(diào)整基本水平狀態(tài)，采用門框做實物模 板，在塔筒壁上劃線，控制間隙小于2mm; (3) 防變形工裝安裝:裝配門框后在塔筒內(nèi)側(cè)安裝防變形工裝，對門框進行加固，門框 焊接前對塔筒采用外加剛性拘束，強制塔筒在焊接時不能自由變形;分別在筒節(jié)的長度方 向上和環(huán)向方向上加裝固定裝置； (4) 門框與塔筒角焊縫焊接:選用含Ni藥芯焊絲對角焊縫進行焊接;對坡口形式為內(nèi)大 外小的門框焊接時，利用焊接順序來防止焊接變形;先焊大坡口 2/3的厚度，然后在外側(cè)清 根和焊接；門框焊接焊縫有兩條長焊縫，采用從中間向兩端分段焊接，兩位焊工從中間采用 相同的焊接參數(shù)向兩邊焊接； (5) 焊后消應(yīng)力處理:采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消除。
[0005] 進一步，所述步驟（1)中，門框數(shù)控下料時尺寸嚴格控制，將拼接焊縫錯開門框中 心150mm;下料時預(yù)留出修邊量;對接時錯臺< 1mm，門框端面平面度< 1mm，直邊直線度< 1mm，并用工裝適當加固；當采用數(shù)控編程整體切割下料時需打磨切開的斷面，并作表面磁 粉檢測。
[0006] 進一步，所述步驟(2)中，塔筒門框與相鄰?fù)补?jié)縱、環(huán)縫應(yīng)相互錯開，若因板材規(guī)格 達不到時，筒體環(huán)焊縫必須位于門框中部直邊范圍內(nèi)且與門框自身拼接焊縫間距不小于 100mm，若門洞所在筒節(jié)為一整板時，門框頂部焊縫與相鄰環(huán)焊縫最小距離不得小于100mm， 相鄰?fù)补?jié)縱向焊縫與門框中心線相錯不小于90°;同時切割出塔筒與門框連接處鋼板坡口； 塔筒門框與筒節(jié)焊接的坡口采用雙V"形坡口，塔筒法蘭不允許外翻，可以適當內(nèi)傾，采用 內(nèi)大外小的坡口形式;坡口角度可以采用40°~45°。
[0007] 進一步，所述步驟(4)中，門框與塔筒角焊縫的整個焊接過程，應(yīng)一氣呵成;焊接過 程中采用紅外線測溫儀測定層間溫度，保證其不低于預(yù)熱溫度;并采用后熱處理防止延遲 裂紋的產(chǎn)生。
[0008] 進一步，所述步驟(5)中，采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消 除，應(yīng)采用以下工藝操作： ① 原始應(yīng)力測量； ② 振動時效處理； ③ 振后殘余應(yīng)力測量； ④ 超聲波時效處理； ⑤ 修補測量孔并NDT; ⑥ 測試數(shù)據(jù)分析； ⑦ 時效處理后殘余應(yīng)力測量； ⑧ 消應(yīng)力后塔筒形體尺寸測量。
[0009] 本發(fā)明的有益效果： 1、 本發(fā)明在下料時即嚴格保證尺寸要求，門洞切割時以實物做模型，可實現(xiàn)無縫安裝、 誤差小、生產(chǎn)效率高、坡口角度有保障； 2、 防變形工裝采用剛性約束，可有效避免門框焊接時對塔筒法蘭的平面度和橢圓度的 影響； 3、 藥芯焊絲對角焊縫進行焊接時，通過焊接順序的變換及從中間向兩端分段焊接的操 作可有效控制焊接的變形； 4、 采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合，振動時效使用方便，其應(yīng)力消除率一般在 30~50%，另外，超聲沖擊時效能夠徹底消除表面殘余拉應(yīng)力，并施加有益的壓應(yīng)力，將兩者 結(jié)合起來，這對焊接構(gòu)件的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能有益、且能耗小； 5、 本發(fā)明可消除超低溫工況、大功率發(fā)電要求條件下的門框與塔筒焊接區(qū)域的應(yīng)力集 中，避免產(chǎn)生焊接裂紋、層狀撕裂的缺陷，并保證-40°C低溫沖擊功要求;避免應(yīng)力集中對塔 筒法蘭平面度、橢圓度合格率的影響，提高塔筒驗收一次合格率。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明塔筒門框與塔筒焊接坡口處焊道層數(shù)示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明防變形工裝安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012 ]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明： 本發(fā)明公開了一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，包括如下步驟： (1) 門框備料準備：門框備料準備時采用由兩部分拼接而成的方式，將下料的鋼板采用 卷板機卷制成型，未避免應(yīng)力集中，拼接縫位于門框中心線兩側(cè)各150mm，控制火焰加熱范 圍，減小切割板金相組織的影響，將成型的兩門框組裝焊接;或是采用厚板利用數(shù)控編程整 體切割下料； (2) 門洞切割：門洞切割前，將塔筒的安裝軸線調(diào)整基本水平狀態(tài)，采用門框做實物模 板，在塔筒壁上劃線，控制間隙小于2mm; (3) 防變形工裝安裝:裝配門框后在塔筒內(nèi)側(cè)安裝防變形工裝，對門框進行加固，門框 焊接前對塔筒采用外加剛性拘束，強制塔筒在焊接時不能自由變形;塔筒門框焊接的主要 變形是筒節(jié)在長度方向上的收縮引起的彎曲與環(huán)向方向上的收縮引起的徑向彎曲；為了減 小這兩個方向上的變形，分別在這兩個方向上加裝固定裝置； (4) 門框與塔筒角焊縫焊接:選用含Ni藥芯焊絲對角焊縫進行焊接;對坡口形式為內(nèi)大 外小的門框焊接時，可以利用焊接順序來防止焊接變形;其具體做法是先焊大坡口 2/3的厚 度，然后在外側(cè)清根和焊接，這樣外側(cè)清根和焊接所產(chǎn)生的變形就可以抵消內(nèi)側(cè)2/3厚度的 變形；當在焊接內(nèi)側(cè)深域部分時因先已焊焊縫金屬已經(jīng)有一定的剛性約束，引起的變形就 小；門框焊接焊縫有兩條超過2m的長焊縫，采用從中間向兩端分段焊接，兩位焊工從中間采 用相同的焊接參數(shù)向兩邊焊接，可以有效地減小焊縫縱向方向的收縮引起的變形； (5) 焊后消應(yīng)力處理:采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消除。
[0013] 在所述步驟（1)中，門框數(shù)控下料時尺寸嚴格控制，將拼接焊縫錯開門框中心 150mm;下料時預(yù)留出修邊量;對接時錯臺< 1mm，門框端面平面度< 1mm，直邊直線度< 1mm， 并用工裝適當加固，防止門框變形；當采用數(shù)控編程整體切割下料時需打磨切開的斷面，并 作表面磁粉檢測。
[0014] 在所述步驟(2)中，塔筒門框與相鄰?fù)补?jié)縱、環(huán)縫應(yīng)相互錯開，若因板材規(guī)格達不 到時，筒體環(huán)焊縫必須位于門框中部直邊范圍內(nèi)且與門框自身拼接焊縫間距不小于100mm， 若門洞所在筒節(jié)為一整板時，門框頂部焊縫與相鄰環(huán)焊縫最小距離不得小于100mm，相鄰?fù)?節(jié)縱向焊縫與門框中心線相錯不小于90°;同時切割出塔筒與門框連接處鋼板坡口；塔筒門 框與筒節(jié)焊接的坡口采用雙"IT形坡口，焊縫的界面尺寸減小，熔敷金屬的數(shù)量減少，且焊 縫厚度方向上對稱，收縮方向一致，可以相互抵消一部分變形;塔筒法蘭不允許外翻，可以 適當內(nèi)傾，為了保證焊接完成后，塔筒底法蘭不出現(xiàn)外翻的情況，采用內(nèi)大外小的坡口形 式;坡口角度太小不便于焊接，并且會出現(xiàn)窄而厚的焊道，增大了出現(xiàn)了裂紋的幾率;坡口 角度太大增加了焊接層數(shù)，變形將會加大，并且焊接層數(shù)越多出現(xiàn)缺陷的幾率也越多，可以 采用40°~45°的坡口角度。
[0015] 在所述步驟(4)中門框與塔筒角焊縫的整個焊接過程，應(yīng)一氣呵成;焊接過程中采 用紅外線測溫儀測定層間溫度，保證其不低于預(yù)熱溫度;并采用后熱處理防止延遲裂紋的 產(chǎn)生。
[0016] 在所述步驟(5)中，采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消除，應(yīng) 采用以下工藝操作： ① 原始應(yīng)力測量； ② 振動時效處理； ③ 振后殘余應(yīng)力測量； ④ 超聲波時效處理； ⑤ 修補測量孔并NDT; ⑥ 測試數(shù)據(jù)分析； ⑦ 時效處理后殘余應(yīng)力測量； ⑧ 消應(yīng)力后塔筒形體尺寸測量。
[0017]在本發(fā)明中：含Ni藥芯焊絲采用JQ.YJ501Ni-l，其添加了輕微量元素韌化處理， 在-40°C時低溫韌性優(yōu)良，抗裂性能好，因此，可用的焊接工藝參數(shù)相對于實芯焊絲范圍更 廣；以46mm厚的塔筒與門框焊接為例，其焊接坡□焊道層數(shù)示意圖如圖1所示，在進行上述 步驟(4)的門框與塔筒角焊縫焊接時，采用如下操作步驟： ① 焊前清理坡口兩側(cè)50mm范周內(nèi)的毛刺、油污、水銹臟物及氧化皮等;使用磨光機清理 坡口兩側(cè)至露出金屬光澤且無黑點，打磨后用壓縮空氣清理鋼板上的砂輪片粉末，而且打 磨后應(yīng)盡快合裝并焊接完畢，防止清理后的坡口再次被氧化;如果施工時正處于冬季，車間 溫度較低，則須對鋼板進行預(yù)熱;預(yù)熱范圍為板厚的5倍，且多100mm;T形接頭立板開雙邊 "形坡口，坡口角度40°~45°，鈍邊1~2mm，間隙<2mm;焊前清理送絲管，防止產(chǎn)生氣孔;檢 查C02焊機送絲是否順暢，確定氣體流量;保證C02氣體純度在99.5%以上;新氣瓶使用前先 將氣瓶倒立1~2h，然后打開閥門，把沉積在氣瓶下部的液體排出，正立放氣，放氣時間1~ 2min;檢查氣體壓力，若低于10個大氣壓應(yīng)停止使用； ② 焊接前對被焊工件用履帶式加熱器進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C，測溫點在加熱側(cè)的 背面、距焊縫80mm處:層間溫度的控制范圍為100~200°C;預(yù)熱速度為2°C/min，75min后達 到150°C ; ③ 以盡量避免焊接變形為原則，采用對稱施焊，隨時用鋼尺檢驗，隨時調(diào)整;先用正面 焊縫埋弧自動焊焊接3層，當焊接第2、第3層時逐步提高焊接電流、電壓，降低焊接速度； ④ 在正面施焊3層后翻身，反面用碳弧氣刨清根，然后用角向磨光機將清根處打磨干 凈，當反面焊接2層后翻身再焊接正面； ⑤ 正、反面交替焊接，焊接層數(shù)為2~3層； ⑥ 當焊接至表層時，先將反面焊縫面層焊完，再焊正面焊縫； ⑦ 由于上層焊道寬，每層需焊接2~3遍；當焊接完一遍后應(yīng)將熔渣清理干凈，并注意觀 察焊縫的熔合情況； ⑧ 當焊縫有局部缺陷時，用碳弧氣刨清除，然后用角向磨光機打磨干凈后再焊接。 [0018]其焊接操作參數(shù)記錄如表1所示： 表1焊接參數(shù)記錄表
還需注意的是，對焊時不留間隙，清根時要徹底清除未焊透、氣孔等所有缺陷，打底層 和清根后的首層厚度不得大于4mm。
[0019] 如圖2所示，防變形工裝的安裝是將鋼管1的一端點焊在門洞所對應(yīng)的塔筒內(nèi)壁頂 端，將板面呈U形的第一固定板2跨設(shè)在門框兩側(cè)，在鋼管1與第一固定板2之間加設(shè)可頂持 兩者的裝置，如液壓千斤頂?shù)?，使第一固定?將門框兩側(cè)頂緊，再用板面呈圓形的第二固 定板3固定在門框另兩側(cè)，第一固定板2和第二固定板3并列設(shè)置，采用此種剛性固定方式， 對塔筒的軸向和徑向進行剛性約束，可有效避免門框焊接變形對法蘭平面度和橢圓度的影 響。
[0020] 振動時效消應(yīng)力處理采用HK2000系列振動時效裝置，振動時效處理是將激振器裝 夾在工件上，由控制箱的控制調(diào)整激振器頻率，使工件處于共振狀態(tài)，在交變應(yīng)力作用下振 動一定時間后，使構(gòu)件的殘余應(yīng)力降低和均化;振動時效工藝的制定，是指最佳工藝參數(shù)的 選擇，這對殘余應(yīng)力的消除和均化是十分重要的，它直接影響著時效的效果;振動時效的工 藝內(nèi)容包括激振力、激振頻率、振動時間、支承點、激振點及拾振點的選擇。
[0021] 超聲沖擊時效采用HY2050豪克能消除應(yīng)力設(shè)備，其頻率高、能量大、聚焦性好、性 能穩(wěn)定等優(yōu)勢，遠超超聲沖擊技術(shù)，徹底消除焊接應(yīng)力，并產(chǎn)生理想的壓應(yīng)力；時效達90%-100%;用于消除焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，可使焊接接頭疲勞強度提高50%-120%，疲勞壽命延 長5-100倍，金屬在腐蝕環(huán)境下的抗腐蝕能力提高約400%。
[0022]塔筒焊縫殘余應(yīng)力測試采用HK218殘余應(yīng)力測試儀； 經(jīng)檢測采用振動時效處理后達到了國家標準，振動時效處理是合格的，對非常重要的 部位增加超聲沖擊處理效果更佳，且殘余應(yīng)力均化效果好。
[0023]對塔筒外形尺寸測試;底段塔筒時效處理前、后，塔筒關(guān)鍵尺寸技術(shù)指標(法蘭平 面度、橢圓度)進行比較，其測量結(jié)果是合格的，其數(shù)據(jù)如表3;
因此，采用本焊接方法可以消除超低溫工況、大功率發(fā)電要求條件下的門框與塔筒焊 接區(qū)域的應(yīng)力集中，避免產(chǎn)生焊接裂紋、層狀撕裂的缺陷，并保證-40°C低溫沖擊功要求;避 免應(yīng)力集中對塔筒法蘭平面度、橢圓度合格率的影響，提高塔筒驗收一次合格率 最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制發(fā)明，盡管參照 前述實施例對發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各 實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 門框備料準備：門框備料準備時采用由兩部分拼接而成的方式，將下料的鋼板采 用卷板機卷制成型，拼接縫位于門框中心線兩側(cè)各150mm，將成型的兩門框組裝焊接;或是 采用厚板利用數(shù)控編程整體切割下料； (2) 門洞切割：門洞切割前，將塔筒的安裝軸線調(diào)整基本水平狀態(tài)，采用門框做實物模 板，在塔筒壁上劃線，控制間隙小于2mm; (3) 防變形工裝安裝:裝配門框后在塔筒內(nèi)側(cè)安裝防變形工裝，對門框進行加固，門框 焊接前對塔筒采用外加剛性拘束，強制塔筒在焊接時不能自由變形;分別在筒節(jié)的長度方 向上和環(huán)向方向上加裝固定裝置； (4) 門框與塔筒角焊縫焊接:選用含Ni藥芯焊絲對角焊縫進行焊接;對坡口形式為內(nèi) 大外小的門框焊接時，利用焊接順序來防止焊接變形;先焊大坡口 2/3的厚度，然后在外側(cè) 清根和焊接；門框焊接焊縫有兩條長焊縫，采用從中間向兩端分段焊接，兩位焊工從中間采 用相同的焊接參數(shù)向兩邊焊接； (5) 焊后消應(yīng)力處理:采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消除。2. 如權(quán)利要求1所述的一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，其特征在于，所述步 驟(1)中，門框數(shù)控下料時尺寸嚴格控制，將拼接焊縫錯開門框中心150mm;下料時預(yù)留出修 邊量;對接時錯臺Slmm，門框端面平面度Slmm，直邊直線度Slmm，并用工裝適當加固；當 采用數(shù)控編程整體切割下料時需打磨切開的斷面，并作表面磁粉檢測。3. 如權(quán)利要求1所述的一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，其特征在于，所述步 驟(2)中，塔筒門框與相鄰?fù)补?jié)縱、環(huán)縫應(yīng)相互錯開，若因板材規(guī)格達不到時，筒體環(huán)焊縫必 須位于門框中部直邊范圍內(nèi)且與門框自身拼接焊縫間距不小于100mm，若門洞所在筒節(jié)為 一整板時，門框頂部焊縫與相鄰環(huán)焊縫最小距離不得小于100mm，相鄰?fù)补?jié)縱向焊縫與門框 中心線相錯不小于90°;同時切割出塔筒與門框連接處鋼板坡口；塔筒門框與筒節(jié)焊接的坡 口采用雙'F'形坡口，塔筒法蘭不允許外翻，可以適當內(nèi)傾，采用內(nèi)大外小的坡口形式;坡口 角度可以采用40°~45°。4. 如權(quán)利要求1所述的一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，其特征在于，所述步 驟(4)中，門框與塔筒角焊縫的整個焊接過程，應(yīng)一氣呵成;焊接過程中采用紅外線測溫儀 測定層間溫度，保證其不低于預(yù)熱溫度;并采用后熱處理防止延遲裂紋的產(chǎn)生。5. 如權(quán)利要求1所述的一種超低溫大功率風(fēng)電塔筒門框焊接方法，其特征在于，所述步 驟(5)中，采用超聲沖擊時效與振動時效兩者結(jié)合進行焊后應(yīng)力消除，應(yīng)采用以下工藝操 作： ① 原始應(yīng)力測量； ② 振動時效處理； ③ 振后殘余應(yīng)力測量； ④ 超聲波時效處理； ⑤ 修補測量孔并NDT; ⑥ 測試數(shù)據(jù)分析； ⑦ 時效處理后殘余應(yīng)力測量； ⑧ 消應(yīng)力后塔筒形體尺寸測量。
【文檔編號】B23K37/00GK106002008SQ201610396796
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】朱鍇年, 裘學(xué)強, 董貴林, 張陽勇, 管偉, 魏霏霏, 繆飛燕, 王引, 朱倩
【申請人】中國水電四局(酒泉)新能源裝備有限公司