康学军
摘 要：在风力发电塔架焊接过程中，塔架的焊接区域以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区域因材料受热而导致热膨胀区受到周围较冷区域的约束，并造成弹性热应力，受热区温度升高后导致屈服极限下降。结果在焊接区域形成了塑性的热压缩，焊缝冷却后，比焊接周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现了拉伸残余应力，而焊缝周围的区域则承受压缩残余应力。该文主要阐述了风力发电机塔架在制作焊接过程中利用振动时效+超声波冲击时效消除焊接应力的工艺方法。
关键词：塔架；振动时效；超声波时效；消应力
引言
我国地域广阔，丰富的风力资源具有良好的开发前景，发展潜力巨大。据最新风能资源普查初步统计成果显示，我国陆上距离地面10m高度风能资源总储量约43.5亿kW，居世界第1位。其中，技术可开发量为2.5亿kW，技术可开发面积约20万km2。另外，海平面上10m高度可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。风能资源富集区主要在西北、华北北部、东北及东南沿海地区，因此发展风电的潜力巨大。在未来，我国风能行业将会继续保持高速发展，从2014年到2020年，预计我国每年平均装机容量将在1800万千瓦。因此，风能将会在我国能源领域占据越来越重要的位置，成为绝对不可或缺的主要电源。
1 实验方法
1.1 实验材料
风力发电机塔架是支撑风力发电机组、扇叶，承受风力载荷的主要设备结构件，风力发电场自然条件都比较恶劣，尤其在-40℃超低温环境下工作。因此，在实际生产制造过程中，超低温风电塔架通常要求采用材质为Q345B的钢板。
1.2 实验方法
方案1：风力发电塔架焊接完成后，采用振动时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。
方案2：风力发电塔架焊接完成后，采用超声波冲击时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。
方案3：风力发电塔架焊接完成后，采用振动时效+超声波冲击时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。
1.3 实验内容
1.3.1 消除残余应力方法分析
在主机厂家的技术要求中，对于厚度大于30mm的钢板，焊缝局部需进行焊后消应力处理。
消除残余应力的方法很多，如自然时效、热时效、振动时效等[1]。振动时效又称振动消除应力法，是将工件（包括铸件、锻件、焊接构件等）或焊件在固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，以振動的形式给工件或焊件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件将发生微观或宏观塑性变形，从而降低并均匀化工件内的残余应力，使尺寸精度获得稳定的一种方法。这种时效处理方法耗能极少，能源消耗仅为热时效的3～5%，成本仅为热时效的8～10%，然而应力消除率一般在30～50%，由于振动时效耗能少、时间短、效果显著，因而近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用；超声冲击时效是利用变幅杆的高频率振荡使得冲击头以20kHZ以上的频率撞击焊缝及其热影响区，高冲击能量主要对工件表面产生二方面作用，其一，冲击部位及其附近产生一定层深的微量塑性变形，以大幅降低焊接残余应力；其二，冲击部位表面温度急剧上升和急剧冷却，交变热循环和交变外应力撞击作用，使受冲击部位外表塑性变形层的晶粒细化，从而调整焊接残余应力[2]。
综上所述，将超声冲击时效与振动时效两者结合起来，这对焊接构件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能也大有益处，对风电塔筒比较适合。
1.3.2 振动时效消应力工艺
（1）消应力参数制定
采用HK2000振动时效装置。
振动时效时，整段塔架采用滚轮架进行支撑，其支承位置应选在整段塔架共振时的节线位置处。再将激振器刚性地固定在离节线稍远的位置并与控制系统连接好。调整激振力的档级，档级应由小到大的顺序调整。根据初步估算找出动应力较大的一些点打磨并贴上电阻应变片与动态应变仪相连接。用X射线法或磁应力法测其振动处理前的残余应力量值。
（2）激振力选择
振动时效过程中，激振器将施加给零件动态的附加动应力，其交变周期与激振力的交变周期相对应。动应力与残余应力之和应大于材料的屈服极限，即R动+R残≥R。如果工件的残余应力较小时，只需要选用较小的动应力，就能使零件达到时效的目的；如果零件的残余应力较大的时候，就要选用较大的动应力，产生较大的塑性变形来达到实效的目的。但是，动应力必须要小于材料的疲劳极限[3]。
构件振动的动应力来自于激振装置的激振力。对于机械式激振装置，激振力就是偏心轮的旋转产生的离心力，其大小为：
F=mrw2sin（wt）
其中：m-偏心轮质量；
r-偏心轮偏心距；
w-角速度；
通过查阅资料得知，在主振频率下，最佳激振力使用值为0.07～0.10KN/mm2，由于该项目中塔架刚性大，固有频率高，适当放宽要求，设定最佳激振力值不小于0.05KN/mm2。
（3）激振频率确定
在一般情况下，时效处理会选择在一阶亚共振区进行，即最大加速度值的1/3～2/3处，这一点的频率就是振动主频率。然而考虑到风电塔架超高、超大、超重的特点，其可能固有频率超出了激振器的频率范围，因而采用“分频共振法”[4]对工件进行时效处理。
（4）激振时间确定
在振动时效的过程中，随着构件残余应力的降低和均匀化，工件的固有频率及由工件振动而显示出的振幅、动应力等也随之发生变化，因而振动时效时间可以由这些参数的变化情况来确定。
（5）工件的支承位置和激振器装夹位置的确定
激振器应安装在工件振动的波峰处，加速度传感器应装在远离激振器的另一波峰位置。支承选用橡胶、轮胎、泡沫塑料等弹性材料，以减少工件、支撑、地基三者之间的撞击，因为振动时无位移，振幅为零。波峰的查找方法可采用撒沙法，当工件在主振频率上激振时，工件同时发生振动，此时在工件的表面撒一些沙子，观察沙子跳动形成的状态，沙子聚集的地方为波节，反之为波峰。
风电塔架作为圆形件，我们采用主振振型和周边环状波动弯曲振型进行试验研究。在沿圆周三等分点处采取三点支撑或4点支撑；激振点选择在两支撑点之间；加速度传感器则位于另外两点之间。超低温风电塔架下段整体振动消应力时，测试点及放置位置如图1所示：
图中“■”表示振动时效应力测试点，法兰环缝上的3个测点必须有1个测点放置于环缝与纵缝的T形接头处，环缝B1上的测点3与测点1、2成120°。中间环缝在两T形接头处各选一个测点，第三个测点在前2个测点中间位置。图中“▲”三角形表示滚轮架支撑位置，A表示纵缝，B表示环缝，M表示门框与筒体拼接角焊缝。
根据风电塔筒结构的特点，多次反复试振，确定工艺参数如下：
a.支承方式：底部四点支承，采用现有焊接滚轮架，正好四点支承，比较适合。
b.激振点：激振器安装在法兰端面上，用卡具卡紧。
c.拾振位置：底段上法兰端面处。
d.激振器偏心：用HK2000型全自动振动时效装置。
e.激振频率：采用“分频共振法”对工件进行时效处理，即在一阶共振频率的对应1/3和1/5等频率上对工件进行时效处理。
f.处理时间：25分钟。
1.3.3 消应力设备及消应力过程控制
本课题中，我们采用HY2050豪克能消除应力设备。豪克能焊接应力消除技术，以其频率高、能量大、聚焦性好、性能稳定等优势，远超超声冲击技术，彻底消除焊接应力，并产生理想的压应力。
在此次试验研究过程中，提高焊接接头疲劳性能的方法为：用手握手柄，将冲击枪的冲击头对准焊缝的焊趾，且基本垂直于焊缝。冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列，具体操作如图2示。
1.3.4 塔筒焊缝残余应力测试
残余应力的测试采用HK218残余应力测试仪；12OQ应变计等设备。
本课题中采用盲孔法测量时效后构件中的残余应力。盲孔法测量残余应力就是在被测点上钻一个小盲孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种测量方法的钻孔直径和深度都不大，不会影响被测工件的正常使用，并且这种方法具有较好的精度。
2 實验结果及分析
2.1 振动处理监测曲线与分析
塔筒在振动处理时给出了监测曲线，如上图3所示。根据JB/5926.91机械行业标准的规定，监测曲线中出现下述三种情况之一，则认为振动处理达到了预期的效果：时间振幅曲线[G（T）]，随着时间在发生变化；幅频特性曲线的对比，振动后的曲线（虚线）峰值升高；幅频特性曲线的对比，振动后曲线（虚线）峰线左移即频率下降。
根据上述有关规定，观察我们对风电塔架筒体分段处理时获得的曲线图，可以看出：塔筒分段的曲线图上时间振幅曲线[G（T）]，呈下降型，峰值升高1.7m/s2，峰点的频率从5312转/分变到5309转/分，下降3转/分，由此可以得出结论，本次处理是有效果的。
2.2 消应力后风电塔筒残余应力测试分析
为了检测振动时效在消除应力方面的效果，在振动处理前、后，分别在门框与塔筒对接角焊缝附近选择了9点进行残余应力的检测。测试结果如表1所示。
从表1可以看出，振动处理前平行焊缝平均主应力σ1为191.3
8MPa，而振动处理后主应力σ1为140.89MPa，消除率为26.38%，达到标准要求。垂直焊缝的平均主应力σ2为108.62MPa，而振动处理后的应力σ2为86.19MPa，消除率为20.65%，也达到了国家标准。因此这次振动时效消除焊接残余应力处理是合格的。另外，增加超声冲击处理前平行焊缝平均主应力σ1为189.53MPa，而振动处理后主应力σ1为114.07.MPa，消除率为39.81%，达到标准要求。垂直焊缝的平均主应力σ2为65.54MPa，而振动处理后的应力σ2为42.06MPa，消除率为35.83%，效果非常明显。因此这次振动时效消除焊接残余应力处理是合格的。对非常重要的部位，增加超声冲击处理效果更佳。另外残余应力均化效果较好。
3 结论
（1）从塔筒的曲线图上时间振幅曲线可以得出结论，本次处理是有效果的。
（2）从上表焊缝残余应力测量结果可以看出，振动处理后构件残余应力消除率达到了37.57%，达到标准要求，且应力均化程度较好。因此这次振动时效消除焊接残余应力处理是合格的。对非常重要的部位，增加超声冲击处理效果更佳，处理后残余应力消除率为64.52%。
（3）从塔筒的振动时效处理过程与效果来看：塔筒的振动时效处理效果不错，达到了消除焊接残余应力的目的；增加超声冲击处理效果更佳；振动时效和超声冲击处理技术在风电塔筒实际产品上的应用是完全可行的。
参考文献
[1]冯博.风力发电机组塔筒结构分析研究[D].重庆大学，2010.
[2]马人乐，马跃强，刘慧群，等.风电机组塔筒模态的环境脉动实测与数值模拟研究[J].振动与冲击，2011，30（5）：39-42.
[3]汤炜梁，袁奇，韩中和，等.风力机塔筒抗台风设计[J].太阳能学报，2008，29（4）：23-29.
[4]赵文涛，曹平周，陈建锋，等.风力发电钢塔筒的载荷计算方法和载荷组合研究[J].特种结构，2010，27（4）：73-77.
[5]黄文怡，梁波，代洪庆，等.风力发电机塔筒的强度、稳定性及动力学分析[J].黑龙江八一农垦大学学报，2010，22（3）：59-62.
