CN107052561B - 一种gil/gis母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GIL/GIS母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于，所述壳体为由一块铝制长条形板材折圆/卷圆成筒体，并通过搅拌摩擦焊连接其合缝位置，筒体的一端或两端通过搅拌摩擦焊与端部部件连接，所述筒体的长度小于等于20000mm，所述筒体的壁厚小于等于16mm，所述壳体电压等级小于等于1100kV。本发明采用折圆(卷圆)的方式将板材折圆(卷圆)并通过搅拌摩擦焊接，解决大直径、大长度、高质量GIL/GIS铝合金筒体常规工艺无法制造的问题。所制造的铝合金筒体具有精度高、效率高、焊缝长度短、质量稳定、成本低、绿色环保、自动化程度高、对环境要求低等诸多优点。

Description

一种GIL/GIS母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺

技术领域

本发明涉及高压输电线路筒体制造领域，特别是一种用于高电压(110kV～1100kV)GIL、GIS线路的壳体及其搅拌摩擦焊接工艺。

技术背景

GIL/GIS气体母线壳体多采用铝合金筒，铝合金筒的主要制造方法包括热挤压筒、冷挤压筒、康福姆挤压筒、热轧筒、冷轧筒、冷拉筒、旋压筒、冷弯筒、焊接筒、螺旋筒、盘筒拉伸筒、双金属筒、粘结筒。本发明涉及的壳体采用铝合金，最大直径1000mm，最大长度20m，最大壁厚16mm，电压等级可达1100kV，折圆(卷圆)技术、搅拌摩擦焊技术。

目前，GIL电压等级覆盖73～1200kV，全世界范围内投用总长度200km，其中550kV和420kV应用最普遍。仅美国和委内瑞拉研制出应用于1200kV的GIL壳体，国内用于1100kV电压等级的GIL壳体仍是技术空白。

铝合金挤压筒采用连续挤压法，其最大外径小于600mm，由于压机吨位，模具设计，穿孔针强度及刚性，限制了筒的直径、长度、壁厚、表面质量，即使能挤压出直径600mm筒材，其材质、状态、表面质量均不能达到GIL壳体的设计要求，而长度也无法超过6m。轧制筒的轧制坯料一般采用热挤压方法生产，所以轧制筒无法满足要求。

焊接筒适用大、中直径薄壁筒，效率高成本低，均采用熔焊技术，铝合金的熔化焊性能较差，特别是高强度铝合金通常合金含量较高，其熔化焊接的性能更差，尤其是焊接厚度超过20mm左右后，熔化焊较难得到高质量的焊缝，且焊缝性能强度系数通常只有0.5～0.7，而螺旋焊筒采用熔化焊技术，其焊缝长度增加数倍，当焊缝较长时，更难得到质量一致的性能稳定的焊缝，而且熔焊极易形成裂纹、固体夹杂、未熔合和未焊透等缺陷，而且焊接效率低、能耗高、成本高、对作业人员身体有一定的危害。

市场上的常规卷板机可卷长度一般小于6米，当长度大于6米时辊的刚性难以保证，同时在设计时考虑辊的强度往往需要将辊设计成橄榄形状，从而导致筒体两端的圆度误差大于4mm，难以满足实际的工艺需求。

因此，必须有一套既能满足GIL/GIS技术要求又能得到高质量壳体制造的整体工艺方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述壳体为由一块铝制长条形板材折圆/卷圆成筒体，并通过搅拌摩擦焊连接其合缝位置，筒体的一端或两端通过搅拌摩擦焊与端部部件连接，所述筒体的长度小于等于20000mm，所述筒体的壁厚小于等于16mm，所述壳体电压等级小于等于1100kV。

进一步地，所述合缝位置是直缝、曲线缝。

进一步地，所述焊缝宽度由10～30mm，焊接深度2～16mm。

进一步地，端部部件可以为法兰、筒体或其他部件。

本发明还提供一种GIL/GIS母线壳体的搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将成型好的铝制板材用折圆机折圆/卷圆成筒体；

步骤2：将折圆/卷圆后的筒体进行校圆，并组对；

步骤3：将折圆/卷圆后的筒体固定在搅拌摩擦焊工装上，纵向采用内撑外压的方式使纵向合缝位置间隙≤1mm，装配偏移量≤2mm；环向采用内撑预紧及轴向预紧的方式使环向合缝位置间隙≤1mm，径向跳动≤1mm，装配偏移量≤2mm；

步骤4：纵缝焊接，对壳体合缝处进行搅拌摩擦焊接，搅拌头高速旋转并沿合缝方向运动，完成纵焊缝；

步骤5：筒体端部焊接，采用搅拌头对筒体的一端或两端与端部部件进行焊接，搅拌头高速旋转，筒体周向旋转完成环焊缝；

步骤6：对壳体进行几何外形校准处理，然后进行无损探伤；

步骤7：对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验。

进一步地，所述步骤1中折圆/卷圆后的筒体圆度5mm之内，直线度1mm/1000mm，整体直线度小于壳体长度的0.5‰。

进一步地，所述步骤2中筒体校圆后组对采用熔焊或搅拌摩擦焊。

进一步地，所述步骤6中，无损探伤方法包括X射线探伤、超声波探伤、相控阵探伤。

进一步地，所述步骤7中，泄露试验，包括SF6检漏法、氦检漏法。

进一步地，所述铝制板材采用铝合金材质，铝合金材料为铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用折圆(卷圆)/卷圆的方式将板材折圆(卷圆)/卷圆并通过搅拌摩擦焊接，解决大直径、大长度、高质量GIL/GIS铝合金筒体常规工艺无法制造的问题。本发明所制造的铝合金筒体具有精度高、效率高、焊缝长度短、质量稳定、成本低、绿色环保、自动化程度高、对环境要求低等诸多优点；

2、搅拌摩擦焊加工效率高、没有明显的热影响区、焊接变形小、无污染、无需填充焊丝和保护气体、没有熔焊的裂纹、气孔、未融合等缺点。而且，采用搅拌摩擦焊接能够克服焊缝较长时，很难得到质量一致的性能稳定焊缝的问题，使筒体更加稳定；

3、本发明采用的制造过程为半自动化生产线，从板材预处理、板材上/下料、折圆(卷圆)/卷圆、筒体上/下料、焊接均在生产线上完成，有效保证整个制造过程稳定性、可追溯性、高效性。

附图说明

图1、为本发明的GIL/GIS母线壳体的结构示意图；

图2、为本发明的GIL/GIS母线壳体与端部部件结合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种GIL/GIS母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺具体实施方式进行详细说明，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，一种GIL/GIS母线壳体，包括一块铝制长条形板材折圆/卷圆成筒体1，经过搅拌摩擦焊形成焊缝2，合缝位置是直缝、曲线缝，焊缝2宽度10～30mm，焊接深度2～16mm。筒体1的一端或两端通过搅拌摩擦焊与端部部件3连接，筒体1的长度小于等于20000mm，筒体1的壁厚小于等于16mm，所得壳体的直径可达1000mm，壳体的长度可达20m，壳体的壁厚可达16mm，壳体电压等级小于等于1100kV；焊缝2的焊接技术采用搅拌摩擦焊，类型包括单轴肩搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、回抽式搅拌摩擦焊，固定方式为侧向预紧，使用匹配的搅拌头及其对应参数进行焊接。端部部件3为法兰、筒体或其他部件。

搅拌摩擦焊工装有筒体搅拌摩擦焊分纵焊工装及环焊工装两种形式，纵焊工装内部采用全自动预紧数控系统，起到筒体内部刚性支撑作用，外部采用全自动阵列式均布压持预紧方式，起到压持筒体外部作用；环焊工装内部采用全自动预紧数控系统，起到筒体内部刚性支撑作用，外部设置轴向预紧装置。

搅拌摩擦焊搅拌头的选型，所选用的搅拌头包括单轴肩搅拌头、回抽式搅拌头。单轴肩搅拌头几何参数：轴肩直径10～30mm；搅拌针长度2～16mm；轴肩形貌为内凹式；搅拌针形貌包括圆锥和圆柱两种。回抽式搅拌头几何参数：轴肩直径10～35mm；搅拌针长度-5～21mm；轴肩形貌为内凹式，搅拌针形貌包括圆锥和圆柱两种。两种搅拌头对应的参数包括倾角0～5°；转速400～1200r/min；轴肩下压量0～1mm；焊接速度100～1000mm/min，搅拌针回抽速度5～30mm/min。

本发明还提供一种GIL/GIS母线壳体的搅拌摩擦焊接工艺，包括以下步骤：

步骤1：将成型好的铝制板材用折圆机折圆/卷圆成筒体。折圆/卷圆后的筒体圆度5mm之内，直线度1mm/1000mm，整体直线度小于壳体长度的0.5‰，铝制板材采用铝合金材质，铝合金材料为铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金；

步骤2：将折圆/卷圆后的筒体进行校圆，并组对。筒体校圆后组对采用熔焊或搅拌摩擦焊；

步骤3：将折圆/卷圆后的筒体固定在搅拌摩擦焊工装上，纵向采用内撑外压的方式使纵向合缝位置间隙≤1mm，装配偏移量≤2mm；环向采用内撑预紧及轴向预紧的方式使环向合缝位置间隙≤1mm，径向跳动≤1mm，装配偏移量≤2mm；

步骤4：纵缝焊接，对壳体合缝处进行搅拌摩擦焊接，搅拌头高速旋转并沿合缝方向运动，完成纵焊缝；

步骤5：筒体端部焊接，采用搅拌头对筒体的一端或两端与端部部件进行焊接，搅拌头高速旋转，筒体周向旋转完成环焊缝；

步骤6：对壳体进行几何外形校准处理，然后进行无损探伤。无损探伤方法包括X射线探伤、超声波探伤、相控阵探伤；

步骤7：对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验。泄露试验，包括SF6检漏法、氦检漏法。

实施例1：

以加工φ800mm(外径)×10000mm壳体(材质5083A-H112、壁厚10mm)为例，如示意图1。具体步骤为：

步骤1：计算展开尺寸，依据筒体中径尺寸计算展开宽度：

(800-10)×π≈2481.8mm

用剪板机在铝合金板材中冲裁出长条形的工件尺寸为：

10000×2481.8×10mm。将裁剪好的铝合金板材用折圆机以圆弧模具压持的方式，分别从板材两端折圆，采用折圆模具多次压紧，逐步折圆形成筒体，清理合缝处的油污、氧化膜、杂质等污染物。

步骤2：将筒体在搅拌摩擦焊接工装上进行校圆，校圆后进行全长搅拌摩擦焊组对，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩3mm搅拌头，转速1100转，焊接速度500mm/min，焊接深度3mm，焊缝宽度12mm。

步骤3：组对完成后的筒体进行全长搅拌摩擦焊接，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩10mm搅拌头，转速700r/min，焊接速度300mm/min，焊接深度10mm，焊缝宽度25mm。

步骤4：使用滚压法及挤压法对壳体进行几何外形校准处理，是壳体圆度在3mm之内，整体直线度在5mm之内。几何外形校准可以采用滚压法、挤压法等方式。

步骤5：使用X射线、超声波、相控阵分别对壳体焊缝位置进行无损探伤，得到无缺陷壳体。

步骤6：使用氦检漏法对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验，作定性及定量分析，并计算壳体泄漏率。

实施例2：

以加工φ900mm(外径)×12000mm壳体(材质5083A-H112、壁厚12mm)为例，如示意图2。具体步骤为：

步骤1：计算展开尺寸，依据筒体中径尺寸计算展开宽度：

(900-10)×π≈2796mm

用剪板机在铝合金板材中冲裁出长条形的工件尺寸为：

12000×2796×10mm。将裁剪好的铝合金板材用折圆机以圆弧模具压持的方式，分别从板材两端折圆，采用折圆模具多次压紧，逐步折圆形成筒体，清理合缝处的油污、氧化膜、杂质等污染物。

步骤2：将筒体在搅拌摩擦焊接工装上进行校圆，校圆后进行全长搅拌摩擦焊组对，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩3mm搅拌头，转速1100转，焊接速度500mm/min，焊接深度3mm，焊缝宽度12mm。

步骤3：组对完成后的筒体进行全长搅拌摩擦焊接，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩10mm搅拌头，转速600r/min，焊接速度260mm/min，焊接深度12mm，焊缝宽度26mm。

步骤4：使用挤压法对壳体进行几何外形校准处理，使壳体圆度在3mm之内，整体直线度在6mm之内。

步骤5：将筒体与端部部件进行全周搅拌摩擦焊组对，选用搅拌摩擦焊环焊工装，单轴肩3mm搅拌头，转速1100转，焊接速度500mm/min，焊接深度3mm，焊缝宽度12mm。

步骤6：组对完成后的筒体进行全长搅拌摩擦焊接，选用搅拌摩擦焊环焊工装，回抽式10mm搅拌头，转速600r/min，焊接速度260mm/min，焊接深度12mm，焊缝宽度26mm。

步骤7：使用X射线、超声波、相控阵分别对壳体焊缝位置进行无损探伤，得到无缺陷壳体。

步骤8：使用氦检漏法对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验，作定性及定量分析，并计算壳体泄漏率。

实施例3：

以加工φ1000mm(外径)×20000mm壳体(材质5083A-H112、壁厚16mm)为例，如示意图2。具体步骤为：

步骤1：计算展开尺寸，依据筒体中径尺寸计算展开宽度：

(1000-10)×π≈3110.2mm

用剪板机在铝合金板材中冲裁出长条形的工件尺寸为：

20000×3110.2×16mm。将裁剪好的铝合金板材用折圆机以圆弧模具压持的方式，分别从板材两端折圆，采用折圆模具多次压紧，逐步折圆形成筒体，清理合缝处的油污、氧化膜、杂质等污染物。

步骤2：将筒体在搅拌摩擦焊接工装上进行校圆，校圆后进行全长搅拌摩擦焊组对，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩5mm搅拌头，转速1000转，焊接速度400mm/min，焊接深度5mm，焊缝宽度14mm。

步骤3：组对完成后的筒体进行全长搅拌摩擦焊接，选用搅拌摩擦焊纵焊工装，单轴肩16mm搅拌头，转速500r/min，焊接速度200mm/min，焊接深度16mm，焊缝宽度30mm。

步骤4：使用挤压法对壳体进行几何外形校准处理，使壳体圆度在3mm之内，整体直线度在10mm之内。

步骤5：将筒体与端部部件进行全周搅拌摩擦焊组对，选用搅拌摩擦焊环焊工装，单轴肩5mm搅拌头，转速1000转，焊接速度400mm/min，焊接深度5mm，焊缝宽度14mm。

步骤6：组对完成后的筒体进行全长搅拌摩擦焊接，选用搅拌摩擦焊环焊工装，回抽式16mm搅拌头，转速500r/min，焊接速度200mm/min，焊接深度16mm，焊缝宽度30mm。

步骤7：使用X射线、超声波、相控阵分别对壳体焊缝位置进行无损探伤，得到无缺陷壳体。

步骤8：使用氦检漏法对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验，作定性及定量分析，并计算壳体泄漏率。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用等距折圆(卷圆)的方式将板材折圆(卷圆)并通过搅拌摩擦焊接，解决大直径、大长度、高质量GIL/GIS铝合金筒体常规工艺无法制造的问题。本发明所制造的铝合金筒体具有精度高、效率高、焊缝长度短、质量稳定、成本低、绿色环保、自动化程度高、对环境要求低等诸多优点；

2、搅拌摩擦焊加工效率高、没有明显的热影响区、焊接变形小、无污染、无需填充焊丝和保护气体、没有熔焊的裂纹、气孔、未融合等缺点。而且，采用搅拌摩擦焊接能够克服焊缝较长时，很难得到质量一致的性能稳定焊缝的问题，使筒体更加稳定；

3、本发明采用的制造工艺为半自动化生产线，从板材预处理、板材上/下料、折圆(卷圆)、筒体上/下料、焊接均在生产线上完成，有效保证整个制造过程稳定性、可追溯性、高效性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述壳体为由一块铝制长条形板材折圆/卷圆成筒体，并通过搅拌摩擦焊连接其合缝位置，筒体的一端或两端通过搅拌摩擦焊与端部部件连接，所述筒体的长度小于等于20000mm，所述筒体的壁厚小于等于16mm，所述壳体电压等级小于等于1100kV；焊缝宽度10～30mm，焊接深度2～16mm；其中，所述搅拌摩擦焊包括以下步骤：

步骤1：将成型好的铝制板材用折圆机以圆弧模具压持的方式，分别从板材两端折圆，采用折圆模具多次压紧，逐步折圆形成筒体，清理合缝处的油污、氧化膜、杂质污染物；

步骤2：将折圆/卷圆后的筒体进行校圆，并组对；

步骤3：将折圆/卷圆后的筒体固定在搅拌摩擦焊工装上，纵向采用内撑外压的方式使纵向合缝位置间隙≤1mm，装配偏移量≤2mm；环向采用内撑预紧及轴向预紧的方式使环向合缝位置间隙≤1mm，径向跳动≤1mm，装配偏移量≤2mm；

步骤4：对壳体合缝处进行搅拌摩擦焊接；

步骤5：筒体端部焊接，采用搅拌头对筒体的一端或两端与端部部件进行焊接；

步骤6：对壳体进行无损探伤；

步骤7：对无缺陷且几何尺寸合格壳体进行检漏试验。

2.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于所述合缝位置是直缝、曲线缝。

3.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于端部部件可以为法兰、筒体。

4.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述搅拌摩擦焊的步骤4还包括，纵缝焊接，搅拌头高速旋转并沿合缝方向运动，完成纵焊缝；步骤5还包括，在筒体端部焊接，搅拌头高速旋转，筒体周向旋转完成环焊缝；步骤6还包括，对壳体进行几何外形校准处理。

5.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述步骤1中折圆/卷圆后的筒体圆度5mm之内，直线度1mm/1000mm，整体直线度小于壳体长度的0.5‰。

6.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述步骤2中筒体校圆后组对采用熔焊或搅拌摩擦焊。

7.根据权利要求1或4所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述步骤6中，无损探伤方法包括X射线探伤、超声波探伤、相控阵探伤。

8.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述步骤7中，泄漏 试验，包括SF6检漏法、氦检漏法。

9.根据权利要求1所述的GIL/GIS母线壳体，其特征在于，所述铝制板材采用铝合金材质，铝合金材料为铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金。