超低溫風(fēng)力發(fā)電塔架焊接消應(yīng)力技術(shù)研究與應(yīng)用

康學(xué)軍

摘 要：在風(fēng)力發(fā)電塔架焊接過(guò)程中，塔架的焊接區(qū)域以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)域因材料受熱而導(dǎo)致熱膨脹區(qū)受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成彈性熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后導(dǎo)致屈服極限下降。結(jié)果在焊接區(qū)域形成了塑性的熱壓縮，焊縫冷卻后，比焊接周圍區(qū)域相對(duì)縮短、變窄或減小。因此，這個(gè)區(qū)域就呈現(xiàn)了拉伸殘余應(yīng)力，而焊縫周圍的區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。該文主要闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架在制作焊接過(guò)程中利用振動(dòng)時(shí)效+超聲波沖擊時(shí)效消除焊接應(yīng)力的工藝方法。

關(guān)鍵詞：塔架；振動(dòng)時(shí)效；超聲波時(shí)效；消應(yīng)力

引言

我國(guó)地域廣闊，豐富的風(fēng)力資源具有良好的開發(fā)前景，發(fā)展?jié)摿薮?。?jù)最新風(fēng)能資源普查初步統(tǒng)計(jì)成果顯示，我國(guó)陸上距離地面10m高度風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約43.5億kW，居世界第1位。其中，技術(shù)可開發(fā)量為2.5億kW，技術(shù)可開發(fā)面積約20萬(wàn)km2。另外，海平面上10m高度可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5億kW。風(fēng)能資源富集區(qū)主要在西北、華北北部、東北及東南沿海地區(qū)，因此發(fā)展風(fēng)電的潛力巨大。在未來(lái)，我國(guó)風(fēng)能行業(yè)將會(huì)繼續(xù)保持高速發(fā)展，從2014年到2020年，預(yù)計(jì)我國(guó)每年平均裝機(jī)容量將在1800萬(wàn)千瓦。因此，風(fēng)能將會(huì)在我國(guó)能源領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的位置，成為絕對(duì)不可或缺的主要電源。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、扇葉，承受風(fēng)力載荷的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)件，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)自然條件都比較惡劣，尤其在-40℃超低溫環(huán)境下工作。因此，在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，超低溫風(fēng)電塔架通常要求采用材質(zhì)為Q345B的鋼板。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

方案1：風(fēng)力發(fā)電塔架焊接完成后，采用振動(dòng)時(shí)效檢測(cè)焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形程度的影響。

方案2：風(fēng)力發(fā)電塔架焊接完成后，采用超聲波沖擊時(shí)效檢測(cè)焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形程度的影響。

方案3：風(fēng)力發(fā)電塔架焊接完成后，采用振動(dòng)時(shí)效+超聲波沖擊時(shí)效檢測(cè)焊接應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形程度的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 消除殘余應(yīng)力方法分析

在主機(jī)廠家的技術(shù)要求中，對(duì)于厚度大于30mm的鋼板，焊縫局部需進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理。

消除殘余應(yīng)力的方法很多，如自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效等[1]。振動(dòng)時(shí)效又稱振動(dòng)消除應(yīng)力法，是將工件（包括鑄件、鍛件、焊接構(gòu)件等）或焊件在固有頻率下進(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，以振動(dòng)的形式給工件或焊件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，工件將發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低并均勻化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，使尺寸精度獲得穩(wěn)定的一種方法。這種時(shí)效處理方法耗能極少，能源消耗僅為熱時(shí)效的3～5%，成本僅為熱時(shí)效的8～10%，然而應(yīng)力消除率一般在30～50%，由于振動(dòng)時(shí)效耗能少、時(shí)間短、效果顯著，因而近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外都得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；超聲沖擊時(shí)效是利用變幅桿的高頻率振蕩使得沖擊頭以20kHZ以上的頻率撞擊焊縫及其熱影響區(qū)，高沖擊能量主要對(duì)工件表面產(chǎn)生二方面作用，其一，沖擊部位及其附近產(chǎn)生一定層深的微量塑性變形，以大幅降低焊接殘余應(yīng)力；其二，沖擊部位表面溫度急劇上升和急劇冷卻，交變熱循環(huán)和交變外應(yīng)力撞擊作用，使受沖擊部位外表塑性變形層的晶粒細(xì)化，從而調(diào)整焊接殘余應(yīng)力[2]。

綜上所述，將超聲沖擊時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效兩者結(jié)合起來(lái)，這對(duì)焊接構(gòu)件的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能也大有益處，對(duì)風(fēng)電塔筒比較適合。

1.3.2 振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力工藝

（1）消應(yīng)力參數(shù)制定

采用HK2000振動(dòng)時(shí)效裝置。

振動(dòng)時(shí)效時(shí)，整段塔架采用滾輪架進(jìn)行支撐，其支承位置應(yīng)選在整段塔架共振時(shí)的節(jié)線位置處。再將激振器剛性地固定在離節(jié)線稍遠(yuǎn)的位置并與控制系統(tǒng)連接好。調(diào)整激振力的檔級(jí)，檔級(jí)應(yīng)由小到大的順序調(diào)整。根據(jù)初步估算找出動(dòng)應(yīng)力較大的一些點(diǎn)打磨并貼上電阻應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀相連接。用X射線法或磁應(yīng)力法測(cè)其振動(dòng)處理前的殘余應(yīng)力量值。

（2）激振力選擇

振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，激振器將施加給零件動(dòng)態(tài)的附加動(dòng)應(yīng)力，其交變周期與激振力的交變周期相對(duì)應(yīng)。動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和應(yīng)大于材料的屈服極限，即R動(dòng)+R殘≥R。如果工件的殘余應(yīng)力較小時(shí)，只需要選用較小的動(dòng)應(yīng)力，就能使零件達(dá)到時(shí)效的目的；如果零件的殘余應(yīng)力較大的時(shí)候，就要選用較大的動(dòng)應(yīng)力，產(chǎn)生較大的塑性變形來(lái)達(dá)到實(shí)效的目的。但是，動(dòng)應(yīng)力必須要小于材料的疲勞極限[3]。

構(gòu)件振動(dòng)的動(dòng)應(yīng)力來(lái)自于激振裝置的激振力。對(duì)于機(jī)械式激振裝置，激振力就是偏心輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，其大小為：

F=mrw2sin（wt）

其中：m-偏心輪質(zhì)量；

r-偏心輪偏心距；

w-角速度；

通過(guò)查閱資料得知，在主振頻率下，最佳激振力使用值為0.07～0.10KN/mm2，由于該項(xiàng)目中塔架剛性大，固有頻率高，適當(dāng)放寬要求，設(shè)定最佳激振力值不小于0.05KN/mm2。

（3）激振頻率確定

在一般情況下，時(shí)效處理會(huì)選擇在一階亞共振區(qū)進(jìn)行，即最大加速度值的1/3～2/3處，這一點(diǎn)的頻率就是振動(dòng)主頻率。然而考慮到風(fēng)電塔架超高、超大、超重的特點(diǎn)，其可能固有頻率超出了激振器的頻率范圍，因而采用“分頻共振法”[4]對(duì)工件進(jìn)行時(shí)效處理。

（4）激振時(shí)間確定

在振動(dòng)時(shí)效的過(guò)程中，隨著構(gòu)件殘余應(yīng)力的降低和均勻化，工件的固有頻率及由工件振動(dòng)而顯示出的振幅、動(dòng)應(yīng)力等也隨之發(fā)生變化，因而振動(dòng)時(shí)效時(shí)間可以由這些參數(shù)的變化情況來(lái)確定。

（5）工件的支承位置和激振器裝夾位置的確定

激振器應(yīng)安裝在工件振動(dòng)的波峰處，加速度傳感器應(yīng)裝在遠(yuǎn)離激振器的另一波峰位置。支承選用橡膠、輪胎、泡沫塑料等彈性材料，以減少工件、支撐、地基三者之間的撞擊，因?yàn)檎駝?dòng)時(shí)無(wú)位移，振幅為零。波峰的查找方法可采用撒沙法，當(dāng)工件在主振頻率上激振時(shí)，工件同時(shí)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)在工件的表面撒一些沙子，觀察沙子跳動(dòng)形成的狀態(tài)，沙子聚集的地方為波節(jié)，反之為波峰。

風(fēng)電塔架作為圓形件，我們采用主振振型和周邊環(huán)狀波動(dòng)彎曲振型進(jìn)行試驗(yàn)研究。在沿圓周三等分點(diǎn)處采取三點(diǎn)支撐或4點(diǎn)支撐；激振點(diǎn)選擇在兩支撐點(diǎn)之間；加速度傳感器則位于另外兩點(diǎn)之間。超低溫風(fēng)電塔架下段整體振動(dòng)消應(yīng)力時(shí)，測(cè)試點(diǎn)及放置位置如圖1所示：

圖中“■”表示振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，法蘭環(huán)縫上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)必須有1個(gè)測(cè)點(diǎn)放置于環(huán)縫與縱縫的T形接頭處，環(huán)縫B1上的測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)1、2成120°。中間環(huán)縫在兩T形接頭處各選一個(gè)測(cè)點(diǎn)，第三個(gè)測(cè)點(diǎn)在前2個(gè)測(cè)點(diǎn)中間位置。圖中“▲”三角形表示滾輪架支撐位置，A表示縱縫，B表示環(huán)縫，M表示門框與筒體拼接角焊縫。

根據(jù)風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，多次反復(fù)試振，確定工藝參數(shù)如下：

a.支承方式：底部四點(diǎn)支承，采用現(xiàn)有焊接滾輪架，正好四點(diǎn)支承，比較適合。

b.激振點(diǎn)：激振器安裝在法蘭端面上，用卡具卡緊。

c.拾振位置：底段上法蘭端面處。

d.激振器偏心：用HK2000型全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置。

e.激振頻率：采用“分頻共振法”對(duì)工件進(jìn)行時(shí)效處理，即在一階共振頻率的對(duì)應(yīng)1/3和1/5等頻率上對(duì)工件進(jìn)行時(shí)效處理。

f.處理時(shí)間：25分鐘。

1.3.3 消應(yīng)力設(shè)備及消應(yīng)力過(guò)程控制

本課題中，我們采用HY2050豪克能消除應(yīng)力設(shè)備。豪克能焊接應(yīng)力消除技術(shù)，以其頻率高、能量大、聚焦性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)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。

在此次試驗(yàn)研究過(guò)程中，提高焊接接頭疲勞性能的方法為：用手握手柄，將沖擊槍的沖擊頭對(duì)準(zhǔn)焊縫的焊趾，且基本垂直于焊縫。沖擊頭的沖擊針陣列沿焊縫方向排列，具體操作如圖2示。

1.3.4 塔筒焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試

殘余應(yīng)力的測(cè)試采用HK218殘余應(yīng)力測(cè)試儀；12OQ應(yīng)變計(jì)等設(shè)備。

本課題中采用盲孔法測(cè)量時(shí)效后構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力就是在被測(cè)點(diǎn)上鉆一個(gè)小盲孔，使被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計(jì)測(cè)得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來(lái)。這種測(cè)量方法的鉆孔直徑和深度都不大，不會(huì)影響被測(cè)工件的正常使用，并且這種方法具有較好的精度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 振動(dòng)處理監(jiān)測(cè)曲線與分析

塔筒在振動(dòng)處理時(shí)給出了監(jiān)測(cè)曲線，如上圖3所示。根據(jù)JB/5926.91機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，監(jiān)測(cè)曲線中出現(xiàn)下述三種情況之一，則認(rèn)為振動(dòng)處理達(dá)到了預(yù)期的效果：時(shí)間振幅曲線[G（T）]，隨著時(shí)間在發(fā)生變化；幅頻特性曲線的對(duì)比，振動(dòng)后的曲線（虛線）峰值升高；幅頻特性曲線的對(duì)比，振動(dòng)后曲線（虛線）峰線左移即頻率下降。

根據(jù)上述有關(guān)規(guī)定，觀察我們對(duì)風(fēng)電塔架筒體分段處理時(shí)獲得的曲線圖，可以看出：塔筒分段的曲線圖上時(shí)間振幅曲線[G（T）]，呈下降型，峰值升高1.7m/s2，峰點(diǎn)的頻率從5312轉(zhuǎn)/分變到5309轉(zhuǎn)/分，下降3轉(zhuǎn)/分，由此可以得出結(jié)論，本次處理是有效果的。

2.2 消應(yīng)力后風(fēng)電塔筒殘余應(yīng)力測(cè)試分析

為了檢測(cè)振動(dòng)時(shí)效在消除應(yīng)力方面的效果，在振動(dòng)處理前、后，分別在門框與塔筒對(duì)接角焊縫附近選擇了9點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，振動(dòng)處理前平行焊縫平均主應(yīng)力σ1為191.3

8MPa，而振動(dòng)處理后主應(yīng)力σ1為140.89MPa，消除率為26.38%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。垂直焊縫的平均主應(yīng)力σ2為108.62MPa，而振動(dòng)處理后的應(yīng)力σ2為86.19MPa，消除率為20.65%，也達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此這次振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力處理是合格的。另外，增加超聲沖擊處理前平行焊縫平均主應(yīng)力σ1為189.53MPa，而振動(dòng)處理后主應(yīng)力σ1為114.07.MPa，消除率為39.81%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。垂直焊縫的平均主應(yīng)力σ2為65.54MPa，而振動(dòng)處理后的應(yīng)力σ2為42.06MPa，消除率為35.83%，效果非常明顯。因此這次振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力處理是合格的。對(duì)非常重要的部位，增加超聲沖擊處理效果更佳。另外殘余應(yīng)力均化效果較好。

3 結(jié)論

（1）從塔筒的曲線圖上時(shí)間振幅曲線可以得出結(jié)論，本次處理是有效果的。

（2）從上表焊縫殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以看出，振動(dòng)處理后構(gòu)件殘余應(yīng)力消除率達(dá)到了37.57%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且應(yīng)力均化程度較好。因此這次振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力處理是合格的。對(duì)非常重要的部位，增加超聲沖擊處理效果更佳，處理后殘余應(yīng)力消除率為64.52%。

（3）從塔筒的振動(dòng)時(shí)效處理過(guò)程與效果來(lái)看：塔筒的振動(dòng)時(shí)效處理效果不錯(cuò)，達(dá)到了消除焊接殘余應(yīng)力的目的；增加超聲沖擊處理效果更佳；振動(dòng)時(shí)效和超聲沖擊處理技術(shù)在風(fēng)電塔筒實(shí)際產(chǎn)品上的應(yīng)用是完全可行的。

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