振动时效在风电塔筒制造中的应用

风电塔筒基础环拼接下法兰在焊 接过程 中，由于受 热不 均匀 ，内部 产生不 均匀 的塑性 变形 ，焊接 完毕后 ，
速度也变慢 ；收缩 时 ，Ａ区的收缩受到 Ｂ区的阻碍 ，应
力方 向发生转变 ，Ａ区受拉应力 ，Ｂ区受压应力 ；当 Ａ 、
Ｂ区都进入 弹性状态 时 ，因 Ａ 区温 度高 ，冷却 速度块 ，
１５ Ｗ 为例 ，塔 筒主体高 ７ｍ， ．Ｍ ０ 底段 直径 ４ ｍ，基础 环
直径 ４ ｍ，高 ２ １ｍ，基础 环下 法兰 为 ６ ｍ 厚 、外径 ．６ ５ｍ ４ １ｍ ４ ６ ｍ、内径 ３９ ｍｍ的 Ｑ ４ Ｅ Ｚ ５板 ，由 ６块扇形 ４６ ３５ － ２
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丝旦 圈
振 动 时 效 在 风 电塔 筒 制 造 中 的应 用
保定天威 电气设备结构有 限公司 （ 河北 ０ １５ ） 张建 民 ７ ０６
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【 摘要】 为了消除风电 塔筒基础环拼接下法兰 钧焊接残余应力 ，应用 ＢＴ５２一 ９ 振动时效工 Ｊ ／ ６ ９ｌ《 ９
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耗电量每小时 ６ ｋ ０ Ｗ，热处理 一件需要 ８ ｈ以上 ，能量损
图 １
耗 大 ，周期 长 。
在焊接过程中焊缝 （ Ａ区） 的温度迅速升 高，体 积 膨胀 ，但热影响区 （ Ｂ区） 温度低 ，阻碍 了 Ａ区膨胀 ， 结果 Ａ区产生压应力 ，Ｂ区产生拉应力。但此 时 Ａ区处 于塑性状态 ，Ａ区被压应力墩 粗 ，松弛 了应 力。焊接冷 却时 ，由于 Ｂ区冷却速度块 ，很 快进入弹性状 态 ，而 Ａ 区温度高 ，处于塑性状态 。此时 ，由于 Ａ区收缩较 Ｂ区 慢 ，因此 Ａ区阻碍 了 Ｂ区的收缩 ，Ａ区受压应力 ，Ｂ区
艺 数 择及 术要求 标准 振动时 选 技 参 》 对 效工艺 进行了 性的 价。 过对工 振动 前后曲 对比，了 定 评 通 件 时效 线的
解振动时 效工艺对焊接残余应力的变化 。并通过了 解振动时效工艺的 可行性和有效，，降 氐 制作成本， 浊 了 提
高生产效率。 ， 蚤 ０ 薯
３ ｍｎ ０ ｉ
是热 时效 能耗 需要普通 ３０ ８Ｖ 的５ ％左右 电压即可使用 不受限制
一正
无能耗
无污染
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３ 振 动时效 原理 ．
振动时效是 由 “ 击松弛法”发展而来 ，在激振器 锤
的周期性外力 （ 激振力） 的作用下，使工件共振 ，金属
原子错位和晶格滑移 ，从 而将残余应 力释放。它是一种 常温时效工 艺，可使金 属结 构 的焊接 残余 应 力峰值 降 低 ，分布均化 ，从而提高尺寸稳定性。
收缩量大 ，而 Ｂ区则相反 。故进入 Ａ区，Ａ区收缩 受到
存在 大量 的焊接残余应力 ，极大地影 响基 础环 的疲 劳强
度和抗拉强度 。如果不进行应力去除 ，在很 大程度上 可
能会对整个风 电塔筒造成影响。因此 ，如何 消除和 降低
了 Ｂ区的阻碍 ，结果 Ａ区受拉应 力，Ｂ区受压 应力 ，此 时无 塑性变形 。这一对拉压应力随温 度的不断 降低 ，而 越来越大 ，直至常温 ，最后的应力叠加产 生很 大的焊接
应 力。
焊接残余应力就显得十分重要 。
１ ．焊接残余应力产生原因分析
焊接应力如图 １ 所示 。
２ ．基础环下法兰消除焊接残余应力措施
＼ ｏ／
消除焊接残余应力常用的方法有热 时效 、振动时效 和 自然时效三种。传统 的基础 环拼接下法兰 消除焊接应 力的工艺主要是热时效 （ 热处理 ） 。通 过热处理 炉或 电 加热带 加 热 的方式 （ 图 ２ 处理 ，热 处 理炉 造价 昂 见 ） 贵 ，一些企业采用的是电加热 带的热处理 方式 ，该设备
≥８ ｈ
能 耗 大
热 处 理炉 有 燃 料废 者大容 量 电源， 气 排 放 受 地 点 限 制
有 噪 声 污染
投资 少 （ 振动时 效 消 除残 余应 力 振动 时 效 设备投资 几千元 ） ２％ ～ Ｏ ０ ５ ％ 消 除残 余应 力 自然时效 不需要投资
２ ％ ～ｌ Ｏ％
呈！ 笙！ ● ■ 譬 塑
小变形及稳定尺寸 的精度 。与传 统的热 时效方法 相 比，
它可以在极短的时问内减小构件 的残余应力 ，也不产生 氧化皮或锈皮。振动时效以其工艺简单方便 、适用性强
点对 比见表 １ 。
等突出特点而受到广泛应用 ，见图 ３ 。
自然时效需要存放相当长的时间 ，不能满足现在生
产企业 的使用 ，一般很少采用。上述三种时效方法优缺
表
时效方法 设 备投 资情况
投 资 大 （ 处 理 炉 热
图
３
１
能耗情况 方便程度
需 要 专 用 炉 或
时效质量 消 除残 余应 力
时效周期
污染情况
热 时 效 数 十 万 、电 加 热 带 设 ２％ ～ Ｏ Ｏ ６ ％ 备 需要 两 万元 左 右 ）
图 ２
受拉应力。但由于 Ａ区仍处于塑性状态 ，Ａ区被塑性墩
粗 ，松弛了该区的应力 。当 Ｂ区温度不 断降低时 ，冷却
而振动时效 （ Ｓ Ｖ Ｒ）就是通过施加振 动方法降低或
均化构件 内的残余应力 ，从而提高构件 的使用强度 ， 减
参磊 工热 工 加
塑 送
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机转动产生 ，选 用 型号 为 Ｖ Ｒ Ｎ ６ Ｓ － ０ Ｂ型 ，电机通 过 Ｃ
形卡兰夹持固定在法兰上 ， 合形状 和现场 工作条件 ， 结
确定了弯 曲振动 方式 （ 将激 振器 夹持在 底板 圆周 的边 缘 ，弹性支撑在法兰的圆周 ，整个系统作波浪形 弯曲振 动 （ 见图 ３ 。按照机械行业标准 Ｊ／ ９ ６ １９ 振 ） Ｂ Ｔ５ ２－ ９ １《
６ 拼 接焊 缝 ， 条 钢板 ６ ｒｍ厚 ． ５ ａ 材 质Ｑ３５ — ｚ ５ ４Ｅ ２
４ 基础环拼接下法兰介绍 ．
基础环拼接下法兰是风电塔筒主体与地基相 连的关
图 ４
键部件 ，外形尺寸直径达 ４ 以上 ，为 了节省材 料 ，一 ｍ 般情况 下 各生 产 单 位 采 取 的 是 ６段 拼 焊 的方 法 ，以