自動(dòng)清根機(jī)在高壓封閉組合電器外殼制造中的應(yīng)用

孟祥喜 薛根奇 張全民

(1.平高集團(tuán)有限公司焊接及壓力容器實(shí)驗(yàn)室,河南 平頂山,467001;2.河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山, 467001)

GIS自被實(shí)用化以來,已廣泛應(yīng)用于世界各地,與常規(guī)敞開式變電站相比較,具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、配置靈活、安裝簡便、安全性高,維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn),因此備受供電公司、水電站、發(fā)電廠等電力用戶的青睞,供貨質(zhì)量和供貨周期的長短日益成為一個(gè)公司是否優(yōu)秀的重要指標(biāo)[1-4]。平高電氣生產(chǎn)的550kV,800kV,1100kV氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)斷路器罐體采用的工藝技術(shù)是:鋼板經(jīng)過卷圓后,利用埋弧焊對(duì)坡口進(jìn)行雙面焊。常用的材料有16MnR,16MnDR,Q235和06Cr19Ni10,單張板材寬度為2600mm～4100mm,厚度7mm～20mm。在埋弧焊焊接的過程中,通常會(huì)有熔化金屬通過坡口縫隙流過另一面的坡口中,形成大顆粒熔渣、焊瘤,影響焊接質(zhì)量,因此在完成一面焊接時(shí),需要及時(shí)清理另一側(cè)的坡口根部,去除焊渣異物。目前采用手工方式清理,效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,基于此我們研究了在GIS斷路器罐體的制造中應(yīng)用自動(dòng)清根機(jī)。

1 零件的加工難點(diǎn)分析

1.1 清根鉗修工作量大,效率低。

圖1 待清根焊縫

圖2 手工清理現(xiàn)狀

清理一段采用埋弧焊從內(nèi)部焊接的2600mm長外部縱焊縫,通常需要2人,使用手砂輪,共同協(xié)作8小時(shí),損耗φ180砂輪片4～6片,才能完成一條焊縫清根合格,勞動(dòng)強(qiáng)度大。生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)操作者手臂和心臟會(huì)有損傷。

1.2 高壓電器類壓力容器零部件較長,筒體壁厚較薄,清根時(shí)剛性較差。

高壓電器類壓力容器零部件通常單張板材寬度為2600mm～4300mm,厚度7mm～20mm,常用材料及焊接方式有16MnR鋼板焊接,06Cr19Ni10不銹鋼板焊接,或采用Q235B和06Cr19Ni10拼焊。采用手工方式清根時(shí),手砂輪震動(dòng)比較劇烈,采用自動(dòng)清根機(jī)清根時(shí),由于筒體自身剛性不足會(huì)造成砂輪與筒體之間彈跳,清根后的外觀有顫紋、深淺不一。

1.3 手工清根時(shí)安全隱患大。

雖然手砂輪有安全防護(hù)裝置,但是由于人工清根時(shí)由于筒體直徑大、施力不均和員工趕進(jìn)度造成長時(shí)間、高強(qiáng)度打磨砂輪溫升超標(biāo)而爆裂,爆裂后的砂輪碎片打到筒體后反彈傷人。

1.4 清根技術(shù)難度大。

深度不易控制,手工清理時(shí)由于不同材質(zhì)硬度不一致,砂輪片總是偏向Q235B和06Cr19Ni10拼焊的不銹鋼側(cè),手工清理缺陷不徹底,難以一次確保提交檢測(cè)合格。

為了更便于操作,實(shí)際生產(chǎn)過程中將縱焊縫轉(zhuǎn)動(dòng)至水平位置,但是筒體直徑將近2000mm,操作手砂輪時(shí)需要將其提高至接近胸口位置工作,水平方向施加壓力困難。必然造成清根深度不一致,寬度不均勻,最終影響后續(xù)埋弧焊焊接質(zhì)量。

圖3 探傷顯示手工清理缺陷不徹底

圖4 再次手工清理后坡口深淺不一

圖5 再次探傷合格

圖6 手工TIG焊接至坡口深淺一致

清根一次后需要進(jìn)行100%著色探傷,不允許有超過Ⅰ級(jí)以上缺陷存在。否則應(yīng)再次清根,至符合著色探傷要求。著色探傷合格后,進(jìn)行埋弧焊填充和蓋面,焊縫需接受100%的X射線探傷檢查,不允許有超過JB/T 4730.2-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分: 射線檢測(cè) 》規(guī)定的超過Ⅰ級(jí)以上缺陷存在。

1.5 工作環(huán)境惡劣,嚴(yán)重污染車間環(huán)境。

手工清理沒有辦法布置方便、高效的集中集塵裝置,車間粉塵污染嚴(yán)重,僅僅通過廠房的循環(huán)送風(fēng)緩解效果不是十分理想。另外,手工清根時(shí)由于操作者距離工作界面很近,噪聲污染嚴(yán)重。

2 制定改進(jìn)方案

借鑒核電行業(yè)的磨銼機(jī)使用經(jīng)驗(yàn),定制一套適合高壓電器類壓力容器零部件的自動(dòng)清根機(jī)。技術(shù)方案如下:

2.1 編制焊縫自動(dòng)清根機(jī)方案并制作樣機(jī)

包含5大功能模塊:主體操作架;可選檔位旋轉(zhuǎn)動(dòng)力部分;除塵部分;電氣控制部分;操作平臺(tái)。

主體操作架:包含基礎(chǔ)底板、豎直絲杠、水平懸臂、吊裝板。橫梁行程需要在我公司目前最長縱焊縫4025mm基礎(chǔ)上,考慮滾輪架與立柱間保持安全距離900mm,橫梁導(dǎo)軌部分1500mm,橫梁尾部除塵部分1000mm,磨頭端部外形尺寸500mm。外形最長約7950mm,寬2500mm,高4500mm。

可選檔位旋轉(zhuǎn)動(dòng)力磨頭部分:由磨頭左右平移機(jī)構(gòu)、磨頭水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、磨頭側(cè)擺防卡機(jī)構(gòu)、磨頭架、磨頭動(dòng)力總成、焊根清理砂輪磨削裝置、氣動(dòng)恒壓浮動(dòng)與抬刀裝置及安全防護(hù)構(gòu)成。磨頭參數(shù)如下,磨頭浮動(dòng)行程:±50mm;側(cè)擺浮動(dòng)距離:±50mm;軸向補(bǔ)償行程:±100mm;磨挫壓力調(diào)節(jié)范圍:0～1000N;最大打磨外徑:Φ2032mm;清根最大深度:≥20mm;單次磨削最大深度:≥1mm;清根寬度范圍:10～22mm;壓縮空氣壓力范圍:0.4～0.6MPa。氣動(dòng)回路須有油水分離器,以去除壓縮空氣中的油分和水分。磨頭水平方向回轉(zhuǎn)調(diào)整角度:0～±90°,帶刻度盤。十字滑架參數(shù):清理縱縫時(shí),左右微調(diào)砂輪片對(duì)中縱焊縫。移動(dòng)行程:±100mm,采用渦輪蝸桿減速機(jī)。

2.2 投制高壓電器典型焊接試件探索制造工藝

試驗(yàn)16mm厚16MnR與16MnR焊接筒體埋弧焊清根效果;試驗(yàn)8mm厚Q235B與06Cr19Ni10拼焊焊接筒體清根效果。現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)試驗(yàn)件情況再改進(jìn)工裝細(xì)節(jié)。

3 方案實(shí)施情況和改進(jìn)

3.1 委托合作單位制作、組裝清根打磨工裝,見圖7。

合作方組裝自動(dòng)清根機(jī)試驗(yàn)縱縫打磨。同時(shí),驗(yàn)證砂帶打磨焊縫余高功能,磨頭采用重型磨頭,外形尺寸較大只能磨削φ1200以上的內(nèi)腔焊縫余高,可以測(cè)試我們需求的功能。

圖7 工裝調(diào)試

3.2 試加工樣件,研究清根參數(shù),見圖8-16。

圖8 自左至右依次為待打磨16mm厚1#筒體及8mm厚2#筒體

1#筒體 采用16mm厚16MnR板材卷圓焊接,2#筒體采用8mm厚Q235B和06Cr19Ni10板材卷圓后拼焊。

圖9 15kg壓力,300mm/min進(jìn)給量,深度5mm,良好

圖10 13kg壓力,400mm/min進(jìn)給量,深度3mm,較淺缺陷清理不徹底

圖11 打磨Q235B和06Cr19Ni10拼焊縱焊縫

圖12 設(shè)定磨挫壓力11kg,進(jìn)給量200mm/min

圖13 9.5kg,進(jìn)給量250mm/min打磨后效果

圖14 11kg,進(jìn)給量250mm/min打磨后效果

圖15 1#筒體外側(cè)縱焊縫著色探傷

圖16 2#筒體縱焊縫著色探傷

3.3 試驗(yàn)參數(shù)改進(jìn)。

我公司所有的鋼筒體較核電行業(yè)薄,自動(dòng)清根時(shí)剛性差。正常打磨時(shí)會(huì)出現(xiàn)輕微振動(dòng),增加滾輪架支撐點(diǎn)后振動(dòng)減弱。后續(xù)若工程應(yīng)用需要增加滾輪鍵支撐數(shù)量,采用兩組滾輪架支撐增強(qiáng)剛性后的待改善。打磨質(zhì)量與施加壓力、進(jìn)給量等參數(shù)與材質(zhì)、厚度有關(guān)。通過樣件反復(fù)試驗(yàn)完成參數(shù)固化。以500mm縱縫長度基礎(chǔ),分別設(shè)定15kg壓力,300mm/min進(jìn)給量,清根深度5mm16MnR;設(shè)定磨挫壓力11kg,進(jìn)給量200mm/min,清根深度3mm的Q235B和06Cr19Ni10拼焊縱縫效果良好。16mm厚16MnR縱縫清根時(shí),壓力13-15kg,橫梁前進(jìn)速度200-350mm/min,最終打磨后深度為3-5mm,滿足需求。不能一味追求生產(chǎn)速度,壓力選取不易超過18kg,否則會(huì)使打磨深度過深而浪費(fèi)焊絲;橫梁前進(jìn)速度不易超過400mm/min,否則會(huì)在焊瘤嚴(yán)重凸出部位造成局部打磨深度不夠,焊接缺陷不能徹底去除。鉗修內(nèi)焊縫余高時(shí),壓力8-10kg,橫梁前進(jìn)速度300-350mm/min,最終打磨后余高為0.5-1mm,滿足需求。壓力不能選擇過低,低于7kg時(shí)磨削時(shí)間長,或焊縫余高磨削后局部高于2mm。對(duì)正時(shí)需要空走一段,待砂輪速度穩(wěn)定后再正常進(jìn)給,清根時(shí)未出現(xiàn)不銹鋼一側(cè)打磨少而向Q235B側(cè)讓刀現(xiàn)象。

表1 工藝參數(shù)表

4 結(jié)語

采用自動(dòng)清根機(jī)打磨坡口過程中,可以根據(jù)坡底和側(cè)向坡口處焊渣的實(shí)際情況,來調(diào)節(jié)磨頭的浮動(dòng)行程和磨頭的側(cè)擺距離,磨削后表面平整、粗糙度滿足要求,因此可以有效避免因人工打磨時(shí)擺動(dòng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致的坡口邊緣顫紋和清渣的不徹底。在埋弧焊打底焊接外焊縫,均勻的坡口深度能夠保證熔化焊絲與基體有效接觸和熔合,減少雜質(zhì)和未熔合情況的出現(xiàn)。埋弧焊填充時(shí),均勻的坡口寬度能改善焊縫形貌,減少焊瘤、凹坑等缺陷的產(chǎn)生,保證了筒體的焊縫焊接質(zhì)量。

通過該工藝研究課題,掌握了適合我公司目前所有厚度及尺寸鋼筒體磨挫工裝的詳細(xì)技術(shù)要求。通過樣件制作和試驗(yàn),掌握了打磨參數(shù)及注意事項(xiàng)。該項(xiàng)目,可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度,降低制造成本,改善鋼殼體作業(yè)環(huán)境,提升作業(yè)效率30%以上。按照節(jié)約焊接時(shí)間,預(yù)計(jì)節(jié)約成本89萬/年。

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