风电塔筒焊接应力消除方法

某塔筒生产厂家承揽了一批3MW的风电塔架的制造任务，该塔筒为管塔式结构，分为四段塔身和一节基础环。塔筒总高87.6m，要求对基础环及塔筒上壁板厚度大于30mm的焊缝进行焊接应力消除，提高焊缝质量，减少延迟裂纹的存在风险。

基础环及四节塔筒的几何形状和重量

基础环直径4.7m，高度2.69m，重量26t。

塔筒直径4.7m，长度14.477m，重量86t，钢板厚度在54-36mm之间。

塔筒直径4.7m，长度19.96m，重量75t，钢板厚度在36-26mm之间。

塔筒直径4.7m，长度22.32m，重量62t，钢板厚度在26-18mm之间。

塔筒直径4.7/3.07m，长度30.42m，重量56t，钢板厚度16、18mm。

以上数据可看出，基础环和塔筒第一、二段需要消除应力，要整体热处理生产厂家没有这样的热处理炉，而且如此大直径运输条件也不允许在其他地方生产。根据具体情况，最后制定了在厂内采用振动时效配合时效冲击的方式消除构件应力，并提高焊接接头及结构疲劳强度的方案。

振动时效工艺实施

现场实施时，首先对工作整体进行振动时效，用弹性橡胶垫将工件与地面隔开，支撑要稳固。对于基础环需三点支撑。将振动时效仪的激振器固定在构件上，将其与控制器连接，并使用传感器收集数据。

对于振动时效，重要的几个参数是：“支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定时效工艺效果的主要参数。可根据国家标准规定，采用参数曲线观测法，间接评定振动时效工艺效果。

设备采用聚航科技生产的JH-600A液晶交流振动时效设备，采用高速变频伺服电机，有残余应力动态跟踪功能，消除率高。结束后打印振动时效工艺曲线，根据GB/T25713-2010标准判断振动时效效果达到要求。

超声波去应力工艺实施

对焊缝进行超声冲击，以提高焊接接头疲劳强度。在塔筒环缝、纵缝的焊接时采用的是埋弧自动焊，在填充金属时接头部位留有余高、凹坑及各种焊接缺陷，导致严重的应力集中，同时，还产生一定数值的焊接残余拉应力。在焊趾部位距离表面0.5mm左右处一般存有熔渣等缺陷，该缺陷较尖锐，相当于疲劳裂纹提前萌生。焊接接头在应力集中，焊趾熔渣缺陷及焊接残余拉应力的联合作用下，导致疲劳强度严重降低。

设备采用聚航科技产生的JH-Q50液晶超声波焊接应力消除设备，主要由两部分组成：控制器和冲击枪。原理主要是通过超声波控制器推动大功率超声换能器产生超声波，超声波聚焦后推动冲击头以每秒约2-3万次的频率超音速冲击金属物体表面，金属表面温度极速升高又迅速冷却，使金属表层产生较大的有益的压应力；由于超声波的高能量冲击波改变了原有的应力场，使作用区表层和内部的焊接应力得以消除，同时金属表面组织发生变化，被冲击部位得以强化。

残余应力检测

现场对塔筒构件在焊接结束、振动时效处理后、超声冲击处理后分别进行了残余应力测试。根据前后三组数据分别对各点应变值和应力值进行对比，结果表明，各点数据均有大幅度降低，残余应力三次测量值分别为146.13、65.32、16.06，应力降低达到89%，达到了预期效果。通过焊接应力消除及焊缝焊趾处微观结构的改变，可判断工件的疲劳强度也有一定提高。

总结

采用振动时效和超声冲击结合的方法对风力发电机组塔筒进行应力消除，不仅可以消除整个构件的应力，又能对焊缝处重点处理，消除焊接接头处的微小裂纹，焊渣缺陷，调整了焊接残余应力场，大幅度降低其焊接拉应力，大大提高构建的稳定性，进一步提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。另外这种处理方式不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地限制，容易实施，而且环保、节能安全无污染，在风电塔筒制造行业值得推广应用。