GIS 鋁合金殼體縱縫焊接工藝方法對(duì)比分析

方向紅

（正泰電氣股份有限公司，上海 201614）

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）是一種廣泛應(yīng)用于輸電領(lǐng)域的高壓電氣設(shè)備，具有體積小、質(zhì)量輕、防腐蝕以及耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要設(shè)備。

鋁合金殼體作為GIS 的核心部件，其焊接質(zhì)量直接影響設(shè)備的安全性和可靠性。為了提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，人們發(fā)明了多種焊接工藝[1]。本文主要從焊接質(zhì)量、焊接效率、工藝復(fù)雜程度、設(shè)備投入和維護(hù)成本等方面出發(fā)，對(duì)鎢極惰性氣體保護(hù)（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接、惰性氣體保護(hù)（Metal-Inert Gas，MIG）焊接、改進(jìn)型TIG（K-TIG）焊接、變極性等離子弧焊接、激光-MIG 復(fù)合焊接和MIG+TIG 同步焊接等工藝進(jìn)行對(duì)比分析。

1 GIS 鋁合金殼體焊縫分布介紹

鋁合金殼體作為金屬封閉式組合電器GIS 的外部結(jié)構(gòu)，可以保護(hù)內(nèi)部導(dǎo)體等核心部件，支撐和固定結(jié)構(gòu)盆式絕緣子，使設(shè)備在運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定。鋁合金殼體結(jié)構(gòu)分為筒體、法蘭、支管及支管法蘭4 個(gè)部分。鋁合金殼體焊縫分布如圖1 所示。

圖1 鋁合金殼體焊縫分布

1.1 筒體縱縫

筒體縱縫（焊縫1）、筒體環(huán)縫（焊縫2）、支管對(duì)接環(huán)縫（焊縫4）是GIS 殼體中的A 級(jí)焊縫。根據(jù)氣體絕緣金屬封閉設(shè)備鋁合金外殼材料及焊接通用技術(shù)條件要求，此處焊縫需經(jīng)100%射線探傷，并達(dá)到三級(jí)焊縫質(zhì)量要求，方可轉(zhuǎn)入下一步生產(chǎn)工序。實(shí)際生產(chǎn)中，要先考慮筒體縱縫焊接質(zhì)量，兼顧生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。目前，主要的焊接工藝方法有手工鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、MIG+TIG 同步焊、變極性等離子弧焊接和激光+MIG 復(fù)合焊縫等[2-3]。

1.2 筒體與法蘭焊縫

筒體與法蘭角焊縫（焊縫3、焊縫5）為B 級(jí)焊縫，表面需經(jīng)滲透探傷合格，生產(chǎn)中多采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊，以提高生產(chǎn)效率。

1.3 筒體與支管焊縫

筒體與支管馬鞍形焊縫（焊縫6）存在爭(zhēng)議。當(dāng)焊縫為角焊縫結(jié)構(gòu)時(shí)，它屬于C 級(jí)焊縫，表面需經(jīng)滲透探傷合格，生產(chǎn)中可采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊提高生產(chǎn)效率；當(dāng)焊縫為嵌入式對(duì)接環(huán)焊縫時(shí)，它屬于A 級(jí)焊縫，應(yīng)經(jīng)100%射線探傷合格，生產(chǎn)中多采用手工鎢極氬弧焊，以確保焊接質(zhì)量。

2 焊接工藝介紹

2.1 TIG 焊接

TIG 焊接是一種常用的焊接工藝，通過鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熔化母材，同時(shí)使用惰性氣體保護(hù)熔池不被氧化。TIG 焊接的焊接質(zhì)量高，適用于薄板和管材的焊接，但焊接速度較慢，生產(chǎn)效率較低[4]。

TIG 焊接筒體縱縫一般加工60°～80°焊接坡口，頓邊量不大于1.5 mm。板厚不高于6 mm 時(shí)也可不開坡口，用大電流慢速焊接，實(shí)現(xiàn)根部熔透。

為提升焊接效率，可采用自動(dòng)操作機(jī)進(jìn)行焊接。為保證焊縫力學(xué)性能、焊縫美觀和筒體內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度均勻性，實(shí)際生產(chǎn)中一般在筒體內(nèi)、外表面的最外側(cè)焊縫進(jìn)行重熔處理。需要注意，重熔焊縫不填絲施焊。

2.2 MIG 焊接

MIG 焊接是一種高效的焊接工藝，通過連續(xù)送進(jìn)的焊絲與工件間的高速電弧進(jìn)行熔化焊接。MIG 焊接速度快，適用于厚板和管材的焊接。然而，對(duì)于薄板焊接，MIG 焊接容易出現(xiàn)燒穿和變形，且會(huì)易因?yàn)槿鄣芜^渡形式導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定而形成內(nèi)部氣孔，降低探傷合格率。因此，MIG 焊接一般不單獨(dú)應(yīng)用于縱縫焊接，而多是配合其他焊接方法進(jìn)行組合應(yīng)用。

2.3 K-TIG 焊接

K-TIG 是在傳統(tǒng)TIG 焊接的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過使用大功率焊接電源，改善送絲系統(tǒng)和采用特殊的焊槍設(shè)計(jì)，提高焊接效率和穩(wěn)定性。K-TIG 焊接在保持TIG 焊接質(zhì)量的同時(shí)，提高了焊接速度和生產(chǎn)效率。K-TIG 焊接10 mm 厚鋁合金板材可以不加工坡口，組裝間隙控制在0.5 mm 左右。K-TIG 焊接設(shè)備如圖2 所示。

圖2 K-TIG 焊接設(shè)備

2.4 變極性等離子弧焊接

變極性等離子弧焊接是一種先進(jìn)的焊接工藝，通過改變電極的極性調(diào)節(jié)電弧熱量和方向。該方法可以實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的焊接，特別適用于鋁合金等有色金屬的焊接。變極性等離子弧焊接速度快（是常規(guī)TIG 焊接效率的2～3 倍），且能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制。但是，變極性等離子弧焊接設(shè)備成本和維護(hù)成本較高，尤其是作為易損件、進(jìn)口零件的焊槍噴嘴，成本高、周期長，且目前國產(chǎn)化率低，焊接質(zhì)量差異較大。變極性等離子弧焊接縱縫時(shí)，不加工坡口，一次成型。此外，這種方式的焊縫內(nèi)外部質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備如圖3 所示。

圖3 變極性等離子弧焊接設(shè)備

2.5 MIG+TIG 同步焊接

MIG+TIG 同步焊接是一種創(chuàng)新型的焊接工藝，通過同時(shí)使用MIG 和TIG 進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)兩種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。使用小電流MIG 填絲打底、MIG 填絲填充+TIG 不填絲重熔，該方法能夠提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)減少熱影響區(qū)和變形。MIG+TIG 同步焊接的質(zhì)量高、速度快，設(shè)備成本和維護(hù)成本較高（但明顯低于變極性等離子弧焊接），工藝參數(shù)設(shè)置、雙槍距離配合存在一定的復(fù)雜性。MIG+TIG 同步焊接設(shè)備如圖4 所示。

圖4 MIG+TIG 同步焊接設(shè)備

2.6 激光-MIG 復(fù)合焊接

激光-MIG 復(fù)合焊接結(jié)合了激光焊接和MIG 焊接的優(yōu)勢(shì)，通過激光的高能量密度和MIG 的高熔敷效率實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。該工藝能夠加快焊接速度和縮小熱影響區(qū)，適用于各種材料和結(jié)構(gòu)的焊接。激光-MIG 復(fù)合焊接速度快，但設(shè)備成本和維護(hù)成本較高。在激光國產(chǎn)化質(zhì)量不斷提升和激光器價(jià)格明顯下降的大背景下，激光復(fù)合焊接工藝已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。相關(guān)試驗(yàn)顯示，鋁合金激光-MIG 復(fù)合焊接影響因素較多，工藝過程復(fù)雜，間隙敏感，不易獲得持續(xù)穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，在焊接工藝工程應(yīng)用方面有很大的上升空間[5]。

3 不同焊接工藝的對(duì)比分析

3.1 工藝分析

本案研究試驗(yàn)均選用5052-H112 鋁合金板匹配ER 5356 鋁合金焊絲進(jìn)行焊接。不同工藝選用工藝參數(shù)、所得力學(xué)性能及射線探傷情況見表1。

表1 不同工藝方法選用工藝參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

3.2 焊接質(zhì)量分析

從焊縫外觀成型、氣密性以及強(qiáng)度等方面對(duì)各種工藝進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：激光-MIG 復(fù)合焊接和變極性等離子弧焊接的焊接穩(wěn)定性差，存在明顯波動(dòng)。TIG 焊接的焊接質(zhì)量最好，MIG 焊接的焊接質(zhì)量一般，射線探傷存在一定的不合格率；K-TIG 焊接在改進(jìn)傳統(tǒng)TIG 焊接的基礎(chǔ)上提高了效率和穩(wěn)定性，而長期穩(wěn)定性需要持續(xù)跟蹤和驗(yàn)證；MIG+TIG 同步焊接的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，一次探傷合格率達(dá)到90%。

3.3 焊接效率分析

對(duì)比各種工藝的焊接速度和生產(chǎn)效率，結(jié)果表明：激光-MIG 復(fù)合焊接和變極性等離子弧焊接具有較高的焊接效率，是TIG 焊接效率的3～5 倍；MIG+TIG 同步焊接效率是單純TIG 焊接或MIG 焊接的1.5～2.0 倍。

3.4 工藝復(fù)雜程度對(duì)比

分析各種工藝的操作難度和學(xué)習(xí)曲線，結(jié)果表明：激光-MIG 復(fù)合焊接和變極性等離子弧焊接設(shè)備復(fù)雜度高，操作難度較大；MIG 焊接和TIG 焊接相對(duì)簡(jiǎn)單易學(xué)；K-TIG 焊接、MIG+TIG 同步焊接工藝則都存在一定的復(fù)雜性。

4 結(jié)語

對(duì)比分析可見，GIS 殼體生產(chǎn)規(guī)模不大，焊接質(zhì)量為先，首選TIG 焊接工藝；中等焊接規(guī)模，在存在一定產(chǎn)能瓶頸的條件下，需兼顧生產(chǎn)效率，適合K-TIG焊接或MIG+TIG 同步焊接；大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高，要求自動(dòng)化和智能化程度較高的生產(chǎn)條件下優(yōu)選變極性等離子弧焊接；需要注重技術(shù)引領(lǐng)，有一定技術(shù)研發(fā)能力的情況下可積極探索激光復(fù)合焊接工藝。