塔筒厚板拼焊防变形控制

【摘要】厚板的拼焊在塔筒施工中经常遇到，因板较厚，所以焊接层数和道数多，焊接热输入大，变形大，矫正变形困难甚至有些无法矫正，所以在厚板的焊接中采取一些防变形措施对焊接质量控制和生产效率具有重大的意义。

【关键词】厚板焊接、防变形控制、坡口设计

中图分类号：P755文献标识码： A

1前言

风力发电塔架是连接风机的重要部件，它承受了风力作用的推力、扭矩、弯矩、陀螺力矩、电机的振动及受力变化时的摆动。现在的设计中大部分塔架带有基础环，而且基础环的板都比较厚，尤其是基础环下法兰。金风2.5MW风机中，基础环下法兰板厚为130毫米，其技术要求为4块拼焊。由于其直径为Φ4842毫米，拼焊完后无法在卷板机上矫形，需要在专门矫形机矫正，矫正成本太高。故通过控制焊接顺序和规范来保证该环的平面度是比较经济的措施。

风电塔筒基础环材质一般用Q345E-Z25，其化学成分如下表：

化学元素 C Si Mn P S Cr Nb Ni Cu V Ti Mo Al

x10-2 x10-3

含量 17 29 153 15 5 20 26 10 10 31 12 2 25

经计算其碳当量Ceq=0.437,钢材焊接性稍差，需要适当预热才能焊接。

2坡口的设计

为了保证焊缝焊透，在焊前对待焊边缘加工出各种形状的坡口，坡口的选择和设计取决于被焊构件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺程序，并尽量做到填充材料最少，坡口容易加工、具有好的可达性，更要有利于控制焊接变形。

为保证焊接接头焊透而不出现工艺缺陷，还要考虑坡口的角度、根部间隙、钝边和根部半径等参数。因厚板需要进行多层焊，为保证多层焊时侧边熔合良好，需要适宜的坡口角度和根部间隙，当板厚大于20毫米时，用小坡口角度大根部间隙是经济的。再者，厚板结构宜选用双面坡口，为控制变形，采用不对称的双面坡口，为此设计的坡口如图1所示。

图1

3焊接方法及焊接规范

3.1焊前预热

厚板焊接前钢板的温度较低，在开始焊时其冷却速度较快，电弧的温度高达1250~1300度，在板冷热聚变的情况下，温度不均匀使得焊缝热影响区容易产生淬硬组织，使金属变脆而产生冷裂的倾向，同时由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后产生相当大的残余应力，焊接收缩使构件发生变形。为了减小焊接接头焊后的冷却速度，避免产生脆硬组织，产生焊接变形，需要焊前预热。较简单的方法是：用烤把在离坡口中心100mm范围内直接用火焰加热，并不时用测温笔测量坡口两侧的温度，以100度为适宜；其次采用电加热片加热，温度控制在100度左右。

3.2焊接方法的选择

由于焊缝为较长对接焊缝，为提高生产效率，采用埋弧焊进行焊接。焊接材料和焊剂的选择H10Mn2,焊剂为SJ101。焊丝直径Φ4，焊接电流600~700A，焊接电压36~38V，焊接速度0.4~0.5m/min。具体适宜焊接规范按照厂焊接工艺评定进行。

3.3焊接控制措施

a)预热

在焊道两侧100mm范围内的母材上均匀加热至100度左右，停止10分钟，以利于热量向板中心传递，并测温

b)定位焊

定位焊是厚板焊接过程中最容易出现问题的部位。由于厚板在定位焊时，定位焊处的温度被周围的冷却介质很快冷却，造成局部多大应力集中引起裂纹的产生，因此在定位焊时提高预热温度，加大定位焊长度。

c)多层多道焊

在厚板焊接过程中，宜采用多层多道焊，严禁摆宽，摆宽道造成的后果是母材对焊缝拘束应力大焊缝强度相对较弱，容易引起焊缝开裂或延迟裂纹的发生；同时多层多道焊时，前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个预热过程，后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个后热，有效的改善了焊接过程中应力分布状态，有利于焊缝的质量。多层多道要保证层间温度不高于预热温度，如果焊缝中断，再次施焊时，要重新预热到规定的温度再焊接；焊接过程中每层的引弧和收弧要在引弧板上，在焊缝中时要相互错开，防止焊狐缺陷的叠加；焊接过程中要注意控制焊接速度，避免焊速过快，增大收缩应力，导致焊缝开裂。

d)焊接变形与应力的控制

厚板焊接接头中除有纵向和横向残余应力外，在厚度方向还有较大的残余应力σz,

厚板焊接后的主要变形是角变形，为了控制变形，宜采用以下措施：刚性固定、适宜的焊接顺序、采用多次翻转焊接。

3.3.1刚性固定法

该环分4半或6半进行拼接。构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，为控制变形，往往采取增大焊件的刚性，需要在每道焊缝上打上龙门板。要求板的尺寸要大小一致，尤其是高度要一致。这样方便后续来回翻转和该环放平。见图2.

3.3.2焊接顺序

埋弧焊一般采用逆向法：从焊道中间向两边焊接，让应力从中间向焊道两侧分散。

3.3.3采用多次翻转焊接

为控制焊接变形，焊接时不能一次在一面填充满，需要进行多次翻转，并不时用直平尺进行平面度的测量控制。

4工程案例

在进行金风1.5MW、2.5MW及3.0MW风塔基础基础环施工中，其板厚大多60mm以上，尤其是施工的一台2.5MW的基础，其基础环为130mm厚。车间在施工中严格按照上述要求进行施工，每一步都得到有效的工序控制，焊后最终其平面度控制在3mm以内，满足其技术文件和图纸的要求，而不用进行矫正，提高了经济效益和施工效率。

5结束语

厚板的焊接是风塔及钢结构施工中经常遇到的问题，随着技术的进步，其焊接变形和应力的控制会越来越有效。希望该文提到解决措施能够给同类项目的成功实施提供一点参考。

【参考文献】

[1]冶金工业部建筑研究总院编著，《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205） 北京 中国计划出版社 ，2001

[2] 陈祝年 编著《焊接工程师手册》 机械工业出版社,2007

[3] 李平瑾 徐道荣 《锅炉压力容器焊接技术及焊工问答》机械工业出版社，2004