波控焊工艺在风塔制造中的应用范文

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摘要：为提高风塔等钢结构项目的焊接质量和效率，对波控双丝埋弧焊工艺实际应用进行基础研究，详细介绍波形控制技术应用的目的和原理，波控电源的调控目标和调控过程；结合波控双丝埋弧焊试验，对接头的冲击韧性、焊接效率、坡口设计等工艺参数及应用进行分析，为相关技术人员提供参考。

关键词：波控电源；埋弧焊；焊接电弧；线能量；打底层

前言

随着清洁能源的兴起，风电项目高速发展。目前风塔的焊接仍然采用传统的单丝埋弧焊工艺，其缺点是焊接速度慢、焊缝成形难以控制、生产效率低，很难适应生产发展的需要。PowerWaveAC/DC1000波控电源是目前较为先进的埋弧焊电源，将两台或两台以上电源及其他辅助机构组成的双丝或多丝埋弧焊接系统应用于大型风塔工程可显著提高焊接速度并改善焊缝外观。

1波形控制的目的

波形控制的主要目的是控制熔敷率和熔深，在较小线能量下获得更多的熔敷金属，既能提高焊接效率，又可保证焊缝金属具有良好的力学性能，且改善焊缝成形，达到美观的效果。

2PowerWaveAC/DC1000波形控制

PowerWaveAC/DC1000电源的特点为：将波形控制技术应用于埋弧焊电源，产生可变的交流输出，频率、频幅、直流正向输出和直流负向输出的功能可调，操作者可控制熔敷率和熔深，能在单弧或多弧系统中提高焊接速度、焊接质量和焊接效率。在多弧系统中通过设置不同的相位角度和频率，得到最小的电弧干扰和磁偏吹。通过同轴变压器技术减少了各元件的磁泄漏及热损耗，从而提高效率和可靠性；采用逆变电源，功率因数达95%，使得在同等电力配置下可使用更多电源，减少动力容量的需求；可通过Arc-link、以太网和DeviceNetTM通讯进行焊接工艺的检测及遥控；内置式网路电压补偿以及可靠的输入电压连接能够确保在网路电压±10%波动时焊机仍有稳定的输出[2-3]。

2.1波形控制原理AC/DC波控电源的波形参数如图1所示。PowerWaveAC/DC1000实现了对图中各参数的控制，且调谐简洁方便。

2.2应用波控电源时的调控目标波形变化对焊接电源的影响如图2所示，波形变化引起焊接电弧变化，而焊接电弧直接影响焊缝成形，这种变化关系如图3所示[4-5]。根据传统经验，打底层需获得较大熔深，填充层能有较高的熔敷率，而盖面层兼具高效率和平坦美观。因此，为获得较大熔深，选用较大正向电流；采用标准方波或偏负向的波形以获得较高的熔敷率；而为了美观，可进一步调高负向波的频宽和波幅。传统的DC或AC电源只有一种固定波形，只有波控电源能够达到这些目标[6]。

2.3波形调控电流、电压是一个平均值，直接设定；频率（单位：Hz）的高低将影响电弧的稳定性，直接设定；平衡（单位：%DC+）———调整正负半波占控比，即改变了正负波的频宽；直流偏置量（单位：%）——通过叠加一个直流，可改变正负波波幅；相位——在双弧或多弧系统中，为防止相互干扰，必须进行移相操作，对波控电源而言实施较为容易。

3双丝埋弧焊工艺参数

双丝埋弧焊参数还包括干伸长、两丝间距角度、跟随电极角度、焊接速度等。对操作者而言，调控如此众多的参数非常困难，用户希望先进设备也能匹配成熟的工艺。为此探讨适合风塔板厚范围内的工艺参数，方便用户参照使用。需解决的问题主要有：选择目前风塔生产中应用最多的板厚规格13mm、19mm、25mm作为试验对象，根据各板厚找出合适的工艺参数；研究高速埋弧焊时焊剂对焊缝成形的适应性；大线能量对接头韧性的影响程度[7]。

3.1焊接坡口设计采用标准双Y型坡口形式，坡口参数如表1所示。

3.2焊接参数经过多次试焊、对比，获得表面和内部合格的焊缝，焊接参数如表2所示。

3.3焊接材料试验选择林肯公司的两种焊接材料组合，焊剂均为烧结型，焊丝为低合金钢焊丝，将其命名为A组、B组。

4试验结果及分析

4.1焊剂对高速焊接的影响试验时虽然焊速较高，最高电流值较大（950A），但焊接时熔渣覆盖性良好，表面成形正常，与普通埋弧焊无太大区别。因此选用的两组焊材均满足焊接工艺性要求[8]。

4.2接头的冲击韧性冷温型（CWE型）风塔对低温韧性的要求很高，因此对焊接线能量亦有特别要求。在进行焊接工艺评定时，最难的是接头低温韧性达到要求值。因此，专门按ISO15614-1要求对接头进行冲击试验，考虑到试板正反面所用能量有所不同，取最大板厚（25mm）的焊缝的两个层面进行试验，结果如表3所示。由表3可知，焊缝区及热影响区的冲击值满足规范要求（≥27J），与以往的单丝埋弧焊试验相比，数值更高，数据稳定性也更好。理论认为，热影响区冲击韧性受线能量影响很大。但线能量的定义有其狭义的一面，一般是针对同一种焊接方法的比较试验，用于双丝焊时会有一些理论上的困惑，双丝埋弧焊并非共熔池，但两个熔池靠得很近，第二电弧进入前导熔池时，前导熔池并未完全冷凝，因此针对两个熔池计算线能量会有理论上的困难。所以双丝焊时线能量既不是两个电弧能量相加，也不是单弧的线能量，只能通过实验来验证其接头性能。如果从单弧能量来看，由于焊接速度的提高，表2中最高线能量仅24kJ/cm，双弧叠加为48.5kJ/cm，实际线能量应处于两者之间，焊接低合金钢时这一能量值是可接受的[9]。

4.3焊接效率在现场施工中，无论采用单丝还是双丝，一般采用气保护焊打底1～2层。目前施工中多采用单面V型坡口，焊接厚度为25mm塔体时，正常装配正面（内侧）用4道才能填满，反面（外侧）1道盖面，如果误差过大，焊接层次则更多。根据现场实测，单丝焊时速度为30～40cm/min，因此仅从焊速方面比较，波控双丝焊比单丝焊快一倍，由于熔敷速度快，双丝焊焊接层次可减少1/2，从而减少大量的焊接辅助时间。因此，波控双丝焊的实际效率应该是单丝焊的4倍以上。

4.4应用问题本试验表2的参数可直接应用到类似坡口接缝的生产中，如果坡口形式变化，采用上述参数可保证稳定焊接，但焊道布置会有出入。今后要结合产品实际的坡口形式，探索出一套通用性更好的工艺参数[10-11]。

5结论

PowerWaveAC/DC1000波控埋弧焊电源可方便地调整电流波形，以改善熔敷效率和焊缝成形，同时提高焊接质量。试验结果表明，采用波控双丝焊后，焊接速度比传统单丝焊提高4倍以上。此外，双丝焊虽然焊接能量提高，但接头的低温冲击韧性并未下降，且韧性值更加稳定，达到制造冷温型风塔的技术规范。随着大功率风塔项目的不断开发，中厚板的焊接问题会紧随而来，单丝焊工艺已不再适应生产发展的形势，风塔制造等行业应加快推广波控双丝埋弧焊技术的发展。

参考文献：

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[11]林三宝，范成磊，杨春利.高效焊接方法[M].北京：机械工业出版社，2012：90-120.

作者：欣宁 孟庆辉 刘保军 单位：河南工业职业技术学院