GIS变径筒体一次焊接工艺研究

胡永辉 孟祥喜 周海雄 张全民

（河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

GIS变径筒体一次焊接工艺研究

胡永辉 孟祥喜 周海雄 张全民

（河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

针对气体绝缘金属封闭开关设备所用变径筒体焊接结构，选用ER4043焊丝，使用氩气作为保护气体，选择合适的焊接工艺参数，配合专用铆装工装，对ZL101A铸铝硅合金变径筒体和6063-T6铝合金挤压管进行焊接。按JB/T 4730《承压设备无损检测》的要求对获得的焊接接头进行射线检测和超声检测，并使用三维划线机对筒体尺寸进行检测，合格后对产品进行水压试验和气密性试验，保证一次焊接完成的筒体满足产品使用性能要求。

气体绝缘金属封闭开关设备；焊接；变径筒体

高压开关设备中的管道母线是一种铝合金焊接筒体，传统制造方式整个工艺流程环节多、效率低、生产成本高，焊接、钳修工作量巨大，能源消耗大，环境污染严重，严重制约河南平高电气股份有限公司产品走向国际市场［1-3］。为有效解决这一生产难题，河南平高电气股份有限公司设计了一种简洁、高效的焊接结构变径母线筒体。该筒体采用变径铸造铝合金端头与铝合金挤压管焊接形式的母线筒，该结构可以有效降低使用铝合金材料重量，减小母线筒体气室容积，减少六氟化硫气体使用重量，减少焊接和检测工艺环节，同时提高生产效率。但由于变径筒体两端密封面平面度及平行度要求较高，铸件焊接时容易产生气孔、裂纹，且铸件密封面加工时容易出现夹渣、气孔等缺陷。因此需要改进加工工艺，将变径筒体一次焊接完成，无需对端法兰进行机加工，提高焊接效率，降低成本。

1 焊接结构

1.1 筒体结构

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switch⁃gear，GIS）所用变径筒体焊接结构由两端ZL101A铸铝硅合金变径筒体和6063-T6铝合金挤压管焊接组成，最终产品要求平面度、平行度及同轴度较高。变径筒体结构如图1所示。

1.2 坡口结构及铆装工装

铸造变径筒体壁厚为14mm，而与之焊接的6063-T6铝合金管规格为φ600mm×8mm，两者之间壁厚存在差异。如果采用2块厚度相差较大的金属材料进行焊接，则接头处会造成应力集中，而且接头两边受热不匀易产生焊不透等缺陷。于是设计变径筒体端部坡口和6063-T6筒体接头结构形式为单边坡口角度35°，钝边2mm，保证焊接的2种零件厚度差值合理，减小接头处应力集中，保证接头两边受热均匀，避免产生焊不透等缺陷。

铆装定位采用专用工装，尽最大努力保证两端端法兰焊接后平行度和同轴度。减小两端端法兰加工量，避免铸件加工量过大，密封面出现影响密封性能的铸造缺陷。

2 焊接工艺及过程

2.1 焊丝的选择

选用铝硅合金焊丝，型号为ER4043，该种焊丝含硅5%，适合焊接铸造铸铝合金。焊接使用之前，用砂纸彻底清理焊丝表面的氧化物、油等杂质。

2.2 保护气体的质量控制

对铸件变径筒体和铝合金挤压管焊接过程中，氢和水分对焊缝产生氢气孔的敏感性较强［4］。焊接后，焊缝容易产生气孔。因此，要使用氩气气氛进行保护，严格控制氩气中水分含量。焊接过程中，氩气纯度应保证在99.9%以上。

2.3 焊接工艺过程

定位焊前，使用激光对工装精确定位，并使用T形块将铆装工装固定在铆装平台。采用钢丝刷对铸件变径筒体筒体和铝合金挤压管焊缝坡口两侧的氧化膜等杂质进行打磨去除。使用定位销将铸件变径筒体精确地固定在铆装工装，调整铝合金挤压管支撑架高度，使铝合金挤压管和铸件端头中心高度保持一致。使用撑圆工装对铝合金挤压管圆度进行调节，保证圆度在2mm之内。

定位时铆装总长预留量8～10mm，焊接坡口错边量不超过0.15t（t为铝合金挤压管壁厚）。潮湿时采用小火对焊缝周围进行烘烤，以减小热量的输入。使用φ1.2mm的ER4043焊丝，采用小电流进行对称点焊固定，定位焊长度约50mm，焊点不少于4个。定位焊完成后应尽快焊接，避免坡口污染带来的二次清理。

焊接前，对点焊部位焊瘤、裂纹等缺陷彻底清理，消除焊缝质量隐患。之后对待焊部位用小火缓慢均匀预热，温度70～100℃。加热部位靠近铸件侧，避免应力不均造成焊点崩开。

焊接时，首先采用较大电流，φ3.2mm焊丝进行第1层打底焊接。其次，采用相同焊丝和参数进行第2层填充焊接。再次采用小电流，φ3.2mm焊丝进行第3层盖面焊接。焊接时要一次焊接完成，尽量避免中途中断作业，焊枪摆动宽度和速度要均匀，焊缝宽度1.0～2.0t，余高0～2mm。最后，采用大电流对内焊缝进行重熔处理。铸件与成型管边缘打磨平滑过渡，消除耐压放电隐患。

3 焊后效果检验

焊后对焊缝进行钳修，焊缝按公司标准检查，按NB/ T47013-2015承压设备无损检测Ⅱ级标准进行X探伤检查。着色探伤（内外焊缝无气孔、裂纹）Ⅰ级；X射线探伤Ⅱ级及以上。探伤后使用三维划线机对变径筒体各类尺寸进行检查，合格后对产品进行水压试验和气密性试验，要求水压0.86MPa时间5min，无变形和泄漏，24h后定量检漏（充SF6气体0.5MPa，20℃表压），漏率小于0.5Pa·cm3/s。

4 结语

本文针对气体绝缘金属封闭开关设备用母线变径筒体的结构，考虑影响焊接变形和焊缝质量的原因，对主要加工节点有针对性的改进工艺。经过实践验证，可以有效地保证产品质量，并且可以提高产品的加工效率，降低制造成本。

［1］Zheng SB，Zhang YM.Efflux Plasma Charge-based Sens⁃ing and Control of Joint Penetration during Keyhole Plasma Arc Welding［J］.Welding Journal，2001（7）：157-162.

［2］陆成虹，罗志强，杨学勤，等.2219铝合金变极性等离子弧穿孔焊接工艺研究［J］.航天制造技术，2009（6）：23-25.

［3］薛根奇.VPPAW在铝合金焊接生产上的应用［J］.电焊机，2006（2）：22-26.

［4］周振丰.焊接冶金学［M］.北京：机械工业出版社，1993.

Research on a Welding Process of GIS Adjustable Cylinder

Hu YonghuiMeng XiangxiZhou HaixiongZhang Quanmin
（Henan Ping Gao Electric Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

In this paper,according to the welding structure of variable diameter cylinder used in Gas Insulated Switchgear(GIS),we select ER4043 welding wire,use argon gas as protective gas,select appropriate welding parame⁃ters,cooperate with special riveting equipment,ZL101A cast aluminum alloy cylinder and 6063-T6 aluminum alloy extruded tube for welding.According to JB/T 4730"Nondestructive testing of pressure equipment"requirements of the welded joints for radiation detection and ultrasonic testing,and using three-dimensional marking machine to de⁃tect the cylinder size,water pressure test and air tightness test were carried out after qualified,to ensure that the cyl⁃inder meets the performance requirements of the product.

GIS；welding；variable diameter cylinder

TG457

A

1003-5168（2016）12-0081-02

2016-11-03

胡永辉（1988-），男，硕士，助理工程师，研究方向：高压开关加工制造工艺。