風(fēng)力發(fā)電塔桿自動(dòng)化焊接技術(shù)及設(shè)備

王軍

(北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司，北京 100076)

風(fēng)力發(fā)電塔桿自動(dòng)化焊接技術(shù)及設(shè)備

王軍

(北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司，北京 100076)

由于風(fēng)力發(fā)電塔桿具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、承重大、變截面等特點(diǎn)，對(duì)其制造過(guò)程中的焊接質(zhì)量要求較高，尤其是海上風(fēng)力發(fā)電。一根塔桿是由多條縱、環(huán)焊縫拼焊而成，每條焊縫又要焊接多層多道，焊接工作量很大。因此，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化程度高和生產(chǎn)效率高的塔桿縱、環(huán)縫、筒體組對(duì)一整套自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，勢(shì)必能顯著提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動(dòng)風(fēng)電制造業(yè)的發(fā)展，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

風(fēng)力發(fā)電；焊接裝備；自動(dòng)化技術(shù)

0 前言

風(fēng)力發(fā)電是世界上增長(zhǎng)最快的可再生能源之一，能有效解決常規(guī)能源尤其是石化、煤炭等帶來(lái)的資源消耗、環(huán)境污染及溫室效應(yīng)等問(wèn)題，全球每年的風(fēng)能大約相當(dāng)于每年耗煤量的1 000倍以上。目前，風(fēng)力發(fā)電在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模，在德國(guó)、西班牙、丹麥、美國(guó)和印度等國(guó)家和地區(qū)都得到了大規(guī)模的應(yīng)用，2003～2006年，世界風(fēng)能市場(chǎng)以每年40%的速度增長(zhǎng)。

2006年以來(lái)，石油同煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)上漲進(jìn)一步加劇了風(fēng)力發(fā)電的增長(zhǎng)勢(shì)頭。國(guó)家在《可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中將風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)翻了一番，但事實(shí)上，僅2007年全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量就已達(dá)403萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)94.4%，這一年的發(fā)展規(guī)模相當(dāng)于2007年以前所有年份的總和，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量在2008年就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了“十一五”末期500萬(wàn)kW的規(guī)劃目標(biāo)。風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)了發(fā)電機(jī)組和塔桿等主要配件的發(fā)展，因此，未來(lái)幾年我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔桿的需求將呈井噴式發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)塔桿焊接設(shè)備現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)對(duì)塔桿的焊接的裝備仍以通用的輔機(jī)具為主，難以實(shí)現(xiàn)多條焊縫同時(shí)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接，國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品極其昂貴，未能進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。

塔桿焊接的工作量極大，一條塔桿有多條焊縫，加工工序很長(zhǎng)。對(duì)于環(huán)縫焊接，現(xiàn)有的焊接方式采用操作機(jī)配滾輪架方式，一根塔桿放于滾輪架上，多條焊縫通過(guò)操作機(jī)進(jìn)行焊接，每焊完一條焊縫操作機(jī)挪一次位置。由于塔桿變截面等因素，這種焊接裝備一次僅能實(shí)現(xiàn)一條環(huán)縫的焊接，要想提高效率，只能采用更多的設(shè)備，或更大規(guī)模地?cái)U(kuò)大廠房面積。一節(jié)焊接工件和現(xiàn)有環(huán)縫焊接裝備如圖1所示。

圖1 一節(jié)焊接工件和現(xiàn)有環(huán)縫焊接裝備

現(xiàn)有焊接設(shè)備的自動(dòng)化程度不高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，直接影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在國(guó)外，焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，焊劑自動(dòng)輸送系統(tǒng)已普遍使用，而國(guó)內(nèi)基本使用人工的辦法。

2 改善國(guó)內(nèi)塔桿焊接現(xiàn)狀的途徑

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高廠房單位面積的產(chǎn)值，是研究風(fēng)力發(fā)電塔桿焊接設(shè)備的目標(biāo)，綜合伺服送絲技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、數(shù)字化焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、過(guò)程故障智能判定技術(shù)、模糊控制技術(shù)和焊接工藝，設(shè)計(jì)工作范圍大、控制精度高的大型自動(dòng)焊設(shè)備。

3 中電華強(qiáng)塔筒焊接設(shè)備簡(jiǎn)介

在吸取國(guó)外同類產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀，充分發(fā)揮中電華強(qiáng)在自動(dòng)焊專機(jī)方面的人才優(yōu)勢(shì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)積累，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)出風(fēng)力發(fā)電塔桿大型自動(dòng)化焊接專機(jī)，實(shí)現(xiàn)變截面塔桿5條環(huán)縫同時(shí)焊接，可顯著提高工作效率，縮短生產(chǎn)周期，設(shè)備如圖2所示。改變了多臺(tái)焊機(jī)同時(shí)焊接時(shí)需要到不同的控制箱處調(diào)節(jié)焊接參數(shù)或是給定不準(zhǔn)的實(shí)用現(xiàn)狀。主機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)總線方式實(shí)時(shí)控制多臺(tái)焊機(jī)，所有焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)和顯示集中到操作臺(tái)和觸摸屏，可控制多臺(tái)焊槍在多條焊縫同時(shí)焊接，各焊縫采用焊縫跟蹤技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍位置，操作員通過(guò)視頻在線監(jiān)控多條焊縫，可顯著節(jié)省人力。

圖2 多頭埋弧環(huán)縫焊接裝備

3.1 焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)路線

外環(huán)縫采用大跨度龍門結(jié)構(gòu)，多焊接小車實(shí)現(xiàn)多焊縫同時(shí)焊接，內(nèi)環(huán)縫由位于長(zhǎng)梁操作架的多個(gè)焊接小車實(shí)現(xiàn)多焊縫同時(shí)焊接，內(nèi)縱縫主體由操作機(jī)及相應(yīng)配套小車組成，外縱縫主體由立柱與升降平臺(tái)組成；焊接參數(shù)由多交流伺服電機(jī)和焊接參數(shù)反饋系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)多閉環(huán)控制，信號(hào)傳輸充分考慮抗干擾能力；焊縫跟蹤引入PI調(diào)節(jié)和智能模糊控制。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)外環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)。

由大跨度可移動(dòng)龍門操作架、焊接小車、滾輪架、專用埋弧焊機(jī)、焊劑輸送回收系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、焊縫自動(dòng)跟蹤器等部分組成。大跨度龍門架前后各有兩組立柱，由型鋼及鋼板拼焊而成，每組立柱底部有一組滾輪，前面兩組為驅(qū)動(dòng)輪，由一臺(tái)交流變頻器控制其同步及調(diào)速。焊接小車可在橫梁上行走，到達(dá)焊接位置，其上裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、焊槍垂直升降柱及徑向調(diào)整滑架、焊縫跟蹤滑架及跟蹤頭、埋弧焊機(jī)頭、焊絲盤及單元操作控制箱。

(2)內(nèi)縱縫自動(dòng)焊機(jī)。

由立柱、橫梁、滑板機(jī)構(gòu)、行走小車、機(jī)頭電動(dòng)微調(diào)滑架及等組成。立柱是內(nèi)縱縫操作機(jī)的主要支撐部件。立柱固裝在地車上，并可水平轉(zhuǎn)動(dòng)。立柱上還加工有導(dǎo)軌，通過(guò)滑板機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橫梁上下移動(dòng)。橫梁安裝在滑板機(jī)構(gòu)上。焊接機(jī)頭安裝在小車上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿著橫梁上的導(dǎo)軌和齒條行走，完成焊接。小車行走速度變頻無(wú)級(jí)可調(diào)。行走小車上還安裝有焊劑輸送回收系統(tǒng)及電動(dòng)十字滑架，可隨時(shí)調(diào)整焊槍，達(dá)到最佳的焊接位置。

(3)外縱縫自動(dòng)焊機(jī)。

由立柱、可升降平臺(tái)，焊接小車等組成。立柱上帶有提升裝置，可提升平臺(tái)，以便適應(yīng)不同的筒體直徑。焊接小車裝有電動(dòng)滑架和機(jī)頭，安裝在平臺(tái)上的橫梁上，在橫梁上無(wú)級(jí)調(diào)速運(yùn)行，變頻調(diào)速。平臺(tái)上方為操作臺(tái)，帶安全護(hù)欄，方便操作人員的操作。

(4)滾輪架。

由一臺(tái)主動(dòng)滾輪架和一臺(tái)從動(dòng)滾輪架構(gòu)成，主動(dòng)滾輪架主要由底座、滾輪、電機(jī)減速機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，采用鋼板及型鋼焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，保證了良好的剛性和工作狀態(tài)中設(shè)備的穩(wěn)定性。從動(dòng)滾輪架主要由底座、滾輪座、從動(dòng)輪裝置等組成。其底座、滾輪、滾輪座的結(jié)構(gòu)和用途同主動(dòng)滾輪架，從動(dòng)輪裝置主要由軸承和滾輪組成，為被動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

從動(dòng)滾輪架的從動(dòng)輪可液壓升降，保證內(nèi)外焊縫在焊接時(shí)處于水平位置。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)用三菱Q系列PLC、DA轉(zhuǎn)換模塊、485通訊模塊、觸摸屏等作為主要控制部件。由于逆變焊機(jī)為大功率開(kāi)關(guān)器件，易出現(xiàn)高頻干擾，因此部分電路中要加入TTL光電隔離電路和RC濾波電路。

(1)焊接參數(shù)控制。

為保證送絲質(zhì)量，送絲控制由常用的焊機(jī)控制改成PLC在線控制，送絲裝置采用伺服電機(jī)，利用電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)作為位置和速度反饋。PLC直接控制送絲速度，并給定焊接電壓，根據(jù)焊機(jī)返回的實(shí)際焊接參數(shù)判斷調(diào)整焊接電壓、電流、送絲速度的匹配關(guān)系，以及過(guò)載、粘絲、缺絲等的智能判定。由于桿體變截面，各焊縫角速度一致但線速度不同，PLC還需根據(jù)各環(huán)縫的桿體直徑調(diào)整各焊縫的送絲量，確保各焊縫成型一致，并保證熔深、熔寬等符合工藝要求，每條焊縫的焊接參數(shù)控制方式如圖3所示。

圖3 焊接參數(shù)控制框圖

由于該專機(jī)為大型焊接專機(jī)，控制系統(tǒng)離焊接電源和焊接機(jī)頭距離較大，焊接參數(shù)采樣必須考慮抗干擾能力，采樣頻率必須遵守采樣定理，即采樣頻率ωs必須大于信號(hào)x(t)中最高頻率ωm的兩倍，即ωs≥2ωm。圖4為擬采用的信號(hào)調(diào)理及限幅電路原理圖，此電路主要將傳感器的輸出電流調(diào)整為AD模塊要求的電壓信號(hào)，并加入限幅電路以防止電壓過(guò)高，損壞AD模塊。

(2)焊縫跟蹤系統(tǒng)。

焊縫跟蹤部分?jǐn)M采用機(jī)械探針式傳感器，高精度直流電機(jī)控制十字滑板實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程，硬件部分采用韓國(guó)Dongjoo公司的成熟產(chǎn)品，控制主體采用單片機(jī)、晶閘管、固態(tài)繼電器、DA模塊等電子器件實(shí)現(xiàn)。為保證焊縫跟蹤精度，傳感器需要對(duì)偏移量反應(yīng)靈敏，由于慣性和電動(dòng)機(jī)反應(yīng)滯后等原因，實(shí)際跟蹤過(guò)程中易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，為此需要加入PI調(diào)節(jié)器或模糊控制等智能控制算法，控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，被控對(duì)象為水平和升降滑板，檢測(cè)參數(shù)為焊縫位移傳感器。

3.4 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)工件參數(shù)。

可焊工件直徑2 500～5 000 mm，工件最大厚度8～45 mm，每節(jié)最大長(zhǎng)度3 000 mm。

(2)焊接參數(shù)。

焊接方法為埋弧焊，最大電流1 000 A，焊絲直徑3 mm、4 mm、5 mm。

(3)焊縫自動(dòng)跟蹤器參數(shù)。

載重50 kg，檢測(cè)范圍x、y各200 mm，檢測(cè)速度為170 mm／min，精度為±0.25 mm，允許承載力矩1 400 kg／cm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為高精度直流電機(jī)。

(4)滾輪架技術(shù)參數(shù)。

承載80 t，滾輪線速度120～1 200 mm／min，滾輪直徑580 mm，滾輪寬度320 mm。

圖4 信號(hào)調(diào)理及限幅電路原理

圖5 焊縫跟蹤控制方式

4 與國(guó)外同類產(chǎn)品或技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力分析

由于國(guó)外目前用于塔桿焊接的自動(dòng)化焊接專機(jī)及生產(chǎn)線的價(jià)格十分昂貴，一般需要幾百萬(wàn)美金，成為制約其在中國(guó)發(fā)展的主要因素。國(guó)外專業(yè)公司的產(chǎn)品主要面向歐洲客戶，對(duì)工件的坡口加工精度和裝配精度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，因此國(guó)外自動(dòng)焊接設(shè)備進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)后，并不一定能達(dá)到理想的焊接效果。目前自行研發(fā)的風(fēng)塔焊接生產(chǎn)線是針對(duì)我國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)狀況設(shè)計(jì)的，采用了焊縫跟蹤技術(shù)、焊接參數(shù)控制及檢測(cè)技術(shù)，已成功地應(yīng)用于生產(chǎn)，具有較強(qiáng)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)論

(1)加大國(guó)產(chǎn)埋弧焊電源開(kāi)發(fā)力度，提高國(guó)產(chǎn)埋弧焊電源的可靠性和焊接質(zhì)量。目前有些出口塔桿，甲方要求必須用進(jìn)口焊機(jī)進(jìn)行焊接，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)的焊接電源與進(jìn)口的比還有很大差距。

(2)塔桿生產(chǎn)企業(yè)要加大設(shè)備投入力度，尤其是焊前數(shù)控下料、坡口加工，目前絕大多數(shù)生產(chǎn)廠坡口加工采用火焰切割小車，由于筒體長(zhǎng)邊帶有弧線，火焰切割小車采用機(jī)械跟蹤的辦法，切割的坡口角度不均，鈍邊薄厚不一，為后序焊接帶來(lái)很大的麻煩，采用冷加工的辦法可很好的解決破口不均的問(wèn)題，為自動(dòng)化焊接打下基礎(chǔ)，提高焊接質(zhì)量和效率。

(3)采用新的焊接工藝，減少碳弧氣刨工序，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境和強(qiáng)度。采用熔化極氣保焊打底，埋弧焊填充、蓋面工藝，可減少碳弧氣刨工序，大大提高生產(chǎn)效率。

Welding technology and equipment of wind turbine tower

WANG Jun
(Wise Welding Technology＆Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100076，China)

Because of wind power turbine has long length，heavy duty，variable cross-section of its characteristics，such as in the process of manufacturing welding quality request higher，especially the sea wind turbines.Therefore，the development and the production efficiency，high automation degree of longitudinal，transmission tower pole，cylinder of a group，automatic welding line can significantly improve the welding quality and production efficiency，promote the development of the manufacturing industry，has the wind the huge economic and social benefits.

wind turbine；welding equipment；automation technology

TG47

B

1001-2303(2010)08-0010-04

2010-07-20

王 軍(1962—)，男，遼寧黑山人，學(xué)士，工程師，主要從事焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。