CN111390374A - 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法 - Google Patents

一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111390374A
CN111390374A CN202010362874.7A CN202010362874A CN111390374A CN 111390374 A CN111390374 A CN 111390374A CN 202010362874 A CN202010362874 A CN 202010362874A CN 111390374 A CN111390374 A CN 111390374A
Authority
CN
China
Prior art keywords
head
rolling
welding
cylinder
stirring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202010362874.7A
Other languages
English (en)
Inventor
吴克彦
刘鹏
侯志林
曹雪燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taian Taishan High Voltage Switch Co ltd
Original Assignee
Taian Taishan High Voltage Switch Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taian Taishan High Voltage Switch Co ltd filed Critical Taian Taishan High Voltage Switch Co ltd
Priority to CN202010362874.7A priority Critical patent/CN111390374A/zh
Publication of CN111390374A publication Critical patent/CN111390374A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

本发明公开了一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦‑转动碾压复合加工方法，通过设定合理的技术参数利用搅拌头的搅拌摩擦和转动碾压头的转动碾压，实现焊接的同时对焊缝进行跟踪强化，转动碾压头利用搅拌头高速旋转产生的热量消除焊缝表面的焊接痕迹，进而避免了表面缺陷的产生，提高了筒体结构的强度和质量，解决了现有技术中单纯利用搅拌摩擦焊对筒体进行焊接时焊缝强度低的问题；本发明所述复合加工方法具有快速高效、非熔化、绿色无污染、成本低且便于推广等优点，能够实现高压输变电开关与母线铝合金筒体的高质量连接，获得高强度和长寿命的GIS/GIL铝合金壳体。

Description

一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法
【技术领域】
本发明属于高压输变电开关与母线壳体制造技术领域，具体涉及一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法。
【背景技术】
随着电力行业特高压(1000kV以上)输变电技术的成熟及初步应用，对输变电设备在传输过程中的质量和稳定性要求越来越高，尤其是承载SF6绝缘气体、铝合金导体的GIS高压开关和GIL母线壳体，其主体筒体均采用铝合金制造，对小直径(φ300mm以下)筒体结构可采用连续热挤压成形方法，而对大直径(φ400mm以上)连接法兰的GIS筒体及长度6m的大直径GIL母线筒体结构，目前多采用熔化焊方法进行制造，包括纵焊缝TIG及大长度筒体环焊缝TIG+MIG拼接工艺。
现有熔化焊接工艺方法虽然可以获得强度和质量较高的筒体结构，但焊后极易出现气孔、裂纹、固体夹杂等缺陷，会造成高压开关和母线筒体结构的失效，甚至引起爆炸等危险事故，大大增加设备返修及其报废成本。
搅拌摩擦焊技术(FSW)是一种绿色无污染且不依赖大量焊工作业的一种固相焊接方法，自上世纪90年代发明以来，在铝合金的焊接研究与应用中取得了极大的成功，焊接过程中不需要填充焊接材料且无裂纹、气孔及固体夹杂等缺陷产生。所以，人们开始研究将所述搅拌摩擦焊技术用于制备GIS/GIL母线壳体，如专利CN201710213044.6公开了一种GIL/GIS母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺，但是采用该专利中公开的方法制备的GIL/GIS母线壳体仍存在一定的技术问题，如焊缝末段由于金属损失造成的匙孔现象，这将大大降低搅拌摩擦焊接头的综合性能。
【发明内容】
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法，所述方法采用搅拌摩擦-转动碾压复合加工技术对GIS/GIL壳体进行焊接，并对焊缝进行跟踪强化，实现高压输变电开关与母线铝合金壳体的高质量连接，获得高强度的GIS/GIL壳体。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法，所述方法通过搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备实现：所述搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备包括加工中心以及安装在加工中心上的搅拌头和转动碾压头，所述加工中心为高速双Z轴双刀库立式加工中心；所述搅拌头安装在加工中心的右主轴位置；所述转动碾压头安装在加工中心的左主轴位置；
具体加工方法包括以下步骤：
(1)将成型好的铝合金板材进行折圆或卷圆，并对折圆或卷圆的GIS/GIL筒体进行校圆；对距离筒体纵向接头中心两侧及筒体对接环向接头中心两侧10～15mm区域的铝合金表面氧化物和油污进行清理；
(2)将筒体固定，对筒体纵向采用内撑外压的方式进行对合压紧，使纵向接头间隙控制在0.8～1.0mm；环向采用内撑预紧与轴向顶紧的方式使环向接头间隙控制在0.8～1.0mm；
(3)纵缝焊接：利用搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对纵缝进行焊接、转动碾压头对纵焊缝进行碾压强化，加工完成后利用切割设备去除形成末端匙孔的环形区；
(4)环缝焊接：利用搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对环缝进行焊接、转动碾压头对环焊缝进行碾压强化，焊接完成，抬起搅拌头，向搅拌摩擦焊末端匙孔中添加与母材材质相同的铝合金块体，利用转动碾压头摩擦挤压使铝合金块体填充进匙孔并进行表面处理。
优选地，所述搅拌头包括一体成型的搅拌针、轴肩和搅拌头夹持体，其中轴肩直径为15～20mm，搅拌针直径为6.5mm，搅拌针倾角为2.5°，所述搅拌头通过固定夹具顶丝将搅拌头夹持体安装在加工中心的右主轴位置。
优选地，所述转动碾压头包括由上至下依次连接的碾压头夹持体、滚珠夹持体以及滚珠，所述碾压头夹持体与滚珠夹持体固定连接，所述滚珠滚动安装在滚珠夹持体的下端面，所述转动碾压头通过固定夹具顶丝将碾压头夹持体安装在加工中心的左主轴位置。
优选地，所述滚珠夹持体的下端面通过螺栓连接一滚珠套，所述滚珠设置在滚珠套与滚珠夹持体之间，所述滚珠夹持体的下端面设置有与滚珠相配合的凹槽，所述滚珠套上设置有与滚珠相配合的球形孔，所述滚珠安装在滚珠夹持体的凹槽内，另一侧球面露出球形孔，用于碾压工件。
优选地，所述滚珠夹持体的直径为轴肩直径的1.2～1.5倍，滚珠碾压面的球面弧度为90～150°，防止滚珠脱落。
优选地，本发明所述GIS/GIL铝合金筒体为5000系列Al-Mg铝合金，壁厚6～16mm，内径400～1200mm，筒体长度≤5000mm。
优选地，步骤(1)中焊接区氧化物和油污去除方法为：用丙酮清洗焊接区表面油污，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h。
优选地，步骤(2)中所述内撑外压的方式具体为：在筒体外侧距离纵缝中心两侧15～20cm内，沿纵缝长度方向间隔30cm设置一套夹具；筒体内沿筒体长度方向间隔50cm放置一套筒体内支撑架。
优选地，所述筒体内支撑架可以是六工位支撑工装，所述六工位支撑工装包括固定环和支撑杆，所述支撑杆设置有六个，沿固定环的圆周均匀分布，且固定环上设置有销孔，支撑杆的端部沿支撑杆的长度方向设置有多个定位孔，所述支撑杆通过定位孔利用销轴与固定环上的销孔连接，不同的定位孔与销孔配合，调节支撑杆的伸出长度。
优选地，所述支撑杆上远离固定环的一端设置有支撑杆帽，所述支撑杆帽套在支撑杆的端部，且支撑杆的端部设置有圆孔，所述支撑杆帽的侧面沿支撑杆的长度方向均布有微调孔，不同的微调孔与支撑杆上的圆孔利用螺栓连接，可以对支撑装置的支撑尺寸进行微调。
优选地，步骤(2)中所述内撑预紧具体为：两筒体对接环焊缝焊接前，在两筒体内分别放置实心钢圆柱体，所述实心钢圆柱体的直径与筒体内径相等，对两筒体进行内撑预紧，每个圆柱体靠近环缝的一端与环缝之间的距离为10～15cm，圆柱体与环缝之间留有一定空间，保证背面焊缝的成型；所述的轴向顶紧具体为：在筒体外侧沿环缝周向间隔40cm放置一套夹具。
优选地，所述夹具为气动工装夹具，安装方便。
优选地，在焊接过程中所述搅拌头与转动碾压头保持一前一后且间距控制在30～40cm，此间距设置保证搅拌摩擦和转动碾压过程互不影响，尤其是在添加铝合金块体的时候需要一定的时间间隔，此间距可以保证所述过程可以顺利进行。
优选地，加工过程中搅拌头转速为600～800r/min，转动碾压头转速为搅拌头转速的1.2～1.3倍，利用碾压头高转速产生的热量消除焊缝表面的焊接痕迹并起到表面大塑性变形；两者行走速度和行走轨迹相同，行走速度为150～250mm/min。
优选地，步骤(4)中所述铝合金块体的体积为末端匙孔体积的1.1倍，便于转动碾压头利用自身压力及碾压金属的压力促使铝合金块体与匙孔内部金属通过大塑性变形与挤压的方式连接，防止铝合金块体与匙孔内金属形成简单的机械连接。
优选地，步骤(4)中在填充铝合金块体前将其提前预热至450℃，使得铝合金块体处于固相线与液相线附近，有利于在转动碾压头施加压力时铝合金块体通过大塑性变形和挤压及金属扩散方式实现与匙孔内金属的结合。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明利用所述复合加工方法对铝合金壳体进行加工，解决了采用常规焊接方法焊接后易出现气孔、裂纹、固体夹杂等缺陷的问题；
本发明所述复合加工方法通过设定合理的技术参数利用搅拌头的搅拌摩擦和碾压头的转动碾压，实现焊接的同时对焊缝进行跟踪强化，转动碾压头利用搅拌头高转速产生的热量消除焊缝表面的焊接痕迹，进而避免了表面缺陷的产生，提高了筒体结构的强度和质量，解决了现有技术中单纯利用搅拌摩擦焊对筒体进行焊接时焊缝强度低的问题；
本发明所述复合加工方法利用转动碾压头将铝合金块体填充进末端匙孔，能够保证加工后的匙孔位置与周围其余形态和性能一致，实现了高质量的补焊，解决了由于末端匙孔的存在导致匙孔所在位置焊缝强度降低的问题；
本发明所述复合加工方法具有快速高效、非熔化、绿色无污染、成本低且便于推广等优点，能够实现高压输变电开关与母线铝合金筒体的高质量连接，获得高强度和长寿命的GIS/GIL铝合金壳体。
【附图说明】
图1为本发明所述搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备搅拌头的结构示意图；
图2为本发明所述搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备转动碾压头的结构示意图；
图3为本发明所述转动碾压头中滚珠夹持体的剖面示意图；
图4为本发明纵缝焊接过程中用到的六工位支撑工装的结构示意图；
其中，1-搅拌针；2-轴肩；3-搅拌头夹持体；4-滚珠夹持体；5-滚珠；6-碾压头夹持体；7-滚珠套；8-固定环；9-支撑杆；901-定位孔；10-支撑杆套；11-筒体。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，本发明用以下具体实施例进行说明，但绝非仅限于此。以下所述为本发明较好的实施例，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的限制，应当指出的是在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
本发明所述的搅拌摩擦-转动碾压复合设备包括加工中心以及与所述加工中心连接的搅拌头和转动碾压头；所述加工中心为武汉华佑数控设备有限公司的HY-VMC2W高速双Z轴双刀库立式加工中心，所述搅拌头安装在加工中心的右主轴位置；所述转动碾压头安装在加工中心的左主轴位置。
如图1所示，所述搅拌头包括一体成型的搅拌针1、轴肩2和搅拌头夹持体3，其中轴肩2直径为15～20mm，搅拌针1直径为6.5mm，搅拌针倾角为2.5°；所述搅拌头通过固定夹具顶丝将搅拌头夹持体3安装在加工中心的右主轴位置；
如图2所示，所述转动碾压头包括由上至下依次连接的碾压头夹持体6、滚珠夹持体5以及滚珠4；所述碾压头夹持体6与滚珠夹持体5固定连接，所述滚珠4滚动安装在滚珠夹持体5的下端面，所述转动碾压头通过固定夹具顶丝将碾压头夹持体6安装在加工中心的左主轴位置。
如图3所示，所述滚珠夹持体4的下端面通过螺栓连接一滚珠套7，所述滚珠5设置在滚珠套7与滚珠夹持体4之间，所述滚珠夹持体4的下端面设置有与滚珠5相配合的凹槽，所述滚珠套7上设置有与滚珠5相配合的球形孔，所述滚珠5安装在滚珠夹持体的凹槽内，另一侧球面露出滚珠套7上的球形孔，用于碾压工件，所述滚珠夹持体4的直径为轴肩2直径的1.2～1.5倍，且滚珠碾压面的球面弧度为90～150°，防止滚珠5脱落。
作为优选，所述滚珠夹持体的下端面设置有多个凹槽，滚珠套上设置有多个球形孔，可以根据需要调整滚珠的分布形式。
所述滚珠5的直径与滚珠夹持体4的直径比为1:6～20，所述滚珠5设置有4～24个，沿滚珠夹持体4的下端面按照圆环形式分布，所述圆环圈数设置1～4圈，圆环的直径与滚珠夹持体直径比为1:1.2～8，各圆环之间的间距相等，不同圆环上的滚珠互不影响，每条圆环上滚珠的前后间距相等，各圆环上滚珠的数量可以相等也可以由内到外依次递增，不同圆环上的滚珠间隔设置。
实施例2
本实施例是以厚度8mm、内径400mm、长度1700mm的5083A-H112铝合金GIS高压开关筒体为加工工件，利用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备，实施GIS高压开关筒体纵向焊缝4的焊接与加工，具体加工步骤如下：
(1)将成型好的铝合金板材进行折圆或卷圆，并对折圆或卷圆的GIS/GIL筒体进行校圆(在制备筒体时预留出一定长度用来承接末端匙孔)；用丙酮对距离筒体纵焊缝中心两侧10～15mm区域表面油污进行清洗，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h；
(2)在筒体外侧距离纵缝中心两侧15～20cm内，沿纵缝长度方向间隔30cm设置一套气动工装夹具对接头进行对合压紧；接头间隙控制在0.8～1.0mm内，筒体内沿筒体长度方向间隔50cm放置一套筒体内支撑架；
(3)利用实施例1所述的搅拌摩擦焊-转动碾压复合加工设备的搅拌头对筒体纵缝进行焊接、转动碾压头对纵焊缝进行碾压强化，具体工艺参数如下：搅拌头轴肩直径15mm，搅拌针直径6.5mm，倾角2.5°，下压量1.2mm；转动碾压头滚珠夹持体直径为19.5mm，下压量0.5mm；焊接时，搅拌头转速650r/min，行走速度150mm/min；转动碾压头转速845r/min，行走速度150mm/min，搅拌头与转动碾压头保持一前一后间距30cm，两者行走速度和行走轨迹相同；经过焊接-转动碾压加工后，利用切割设备去除带有末端匙孔的环形区，同时对端部进行机加工处理。
步骤(2)中所述的筒体内支撑架为六工位支撑工装，其具体结构如图4所示：包括固定环8和支撑杆9，所述支撑杆9设置有六个，沿固定环8的圆周均匀分布，且固定环8上设置有销孔，支撑杆9的一端部沿支撑杆9的长度方向设置有多个定位孔901，所述支撑杆9通过定位孔901利用销轴与固定环8上的销孔连接，不同的定位孔与销孔配合，调节支撑杆9的伸出长度；所述支撑杆9上远离固定环8的一端设置有支撑杆帽10，所述支撑杆帽10的端部顶住筒体11，所述支撑杆帽10套在支撑杆9的端部，且支撑杆9的端部设置有圆孔，所述支撑杆帽10的侧面沿支撑杆的长度方向设置有多个微调孔，不同的微调孔与支撑杆上的圆孔利用螺栓连接，可以对支撑装置的支撑尺寸进行微调。
实施例3
本实施例是以厚度10mm、内径490mm、长度2000mm的5052A-H112铝合金GIS高压开关筒体为加工工件，采用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备，实施GIS高压开关筒体纵缝的焊接与加工；具体步骤如下：
(1)将成型好的铝合金板材进行折圆或卷圆，并对折圆或卷圆的GIS/GIL筒体进行校圆(在制备筒体时预留出一定长度用来承接末端匙孔)；用丙酮对距离筒体纵焊缝中心两侧10～15mm区域表面油污进行清洗，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h；
(2)在筒体外侧距离纵缝中心两侧15～20cm内，沿纵缝长度方向间隔30cm设置一套气动工装夹具对接头进行对合压紧；接头间隙控制在0.8～1.0mm内，筒体内沿筒体长度方向间隔50cm放置一套筒体内支撑架；
(3)利用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对筒体纵缝进行焊接、转动碾压头对纵焊缝进行碾压强化，具体焊接与加工参数如下：搅拌头轴肩直径15mm，搅拌针直径6.5mm，倾角2.5°，下压量2mm；转动碾压头滚珠夹持体直径为19.5mm，下压量0.5mm；焊接与加工时，搅拌头转速750r/min，行走速度150mm/min；转动碾压头转速900r/min，行走速度150mm/min，搅拌头与转动碾压头保持一前一后且间距30cm，两者行走速度和行走轨迹相同，经过焊接-转动碾压加工后，利用切割设备去除带有末端匙孔的环形区。
步骤(2)中所述的筒体内支撑架为六工位支撑工装，其具体结构如图4所示：包括固定环8和支撑杆9，所述支撑杆9设置有六个，沿固定环8的圆周均匀分布，且固定环8上设置有销孔，支撑杆9的一端部沿支撑杆9的长度方向设置有多个定位孔901，所述支撑杆9通过定位孔901利用销轴与固定环8上的销孔连接，不同的定位孔与销孔配合，调节支撑杆9的伸出长度；所述支撑杆9上远离固定环8的一端设置有支撑杆帽10，所述支撑杆帽10的端部顶住筒体11，所述支撑杆帽10套在支撑杆9的端部，且支撑杆9的端部设置有圆孔，所述支撑杆帽10的侧面沿支撑杆的长度方向设置有多个微调孔，不同的微调孔与支撑杆上的圆孔利用螺栓连接，可以对支撑装置的支撑尺寸进行微调。
实施例4
本实施例是以厚度10mm、内径760mm、长度40000mm的5083A-H112两铝合金GIL母线铝合金筒体为加工工件，采用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备，实施GIL母线铝合金筒体对接环缝的焊接与加工，具体步骤如下：
(1)焊前对折圆或卷圆的GIL的两铝合金筒体进行校圆，用丙酮对距离两筒体对接环缝中心两侧10～15mm区域表面的油污进行清洗，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h；
(2)两筒体对接环缝焊接前，在两个筒体内分别放置实心钢圆柱体，且两个筒体内的实心圆柱体直径相同对两筒体进行内撑预紧，每个圆柱体靠近环缝的一端与环缝之间的距离为10～15cm；筒体外侧沿环缝周向间隔40cm放置一套气动工装夹具，接头间隙控制在0.8～1.0mm；
(3)利用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对两筒体对接环缝进行焊接、转动碾压头对环焊缝进行碾压强化，具体焊接与加工参数如下：搅拌头轴肩直径18mm，搅拌针直径6.5mm，倾角2.5°，下压量2mm；转动碾压头滚珠夹持体直径为27mm，下压量0.5mm；焊接与加工时，搅拌头转速700r/min，行走速度130mm/min；转动碾压头转速850r/min，行走速度130mm/min，搅拌头与转动碾压头保持一前一后且间距30cm，两者行走速度和行走轨迹相同；焊接完成后，搅拌头抬升并停止工作，迅速向匙孔中填加与母材同材质且为匙孔体积1.1倍的铝合金块体，铝合金块体填加前预热至450℃，利用转动碾压头摩擦挤压使铝合金块体填充进匙孔，碾压过程中会有少量金属溢出，通过转动碾压过程即可去除，进而消除匙孔。
实施例5
本实施例是以厚度10mm、内径780mm、长度50000mm的5083A-H112两铝合金GIL母线铝合金筒体为加工工件，采用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备，实施GIL母线铝合金筒体对接环缝的焊接与加工，具体步骤如下：
(1)焊前对折圆或卷圆的GIL的两铝合金筒体进行校圆，用丙酮对距离两筒体对接环缝中心两侧10～15mm区域表面油污进行清洗，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h；
(2)两筒体对接环缝焊接前，在两个筒体内分别放置实心钢圆柱体，且两个筒体内的实心圆柱体直径相同对两筒体进行内撑预紧，每个圆柱体靠近环缝的一端与环缝之间的距离为10～15cm；筒体外侧沿环缝周向间隔40cm放置一套气动工装夹具，接头间隙控制在0.8～1.0mm；
(3)利用实施例1所述的搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对两筒体对接环缝进行焊接、转动碾压头对环焊缝进行碾压强化，具体焊接与加工参数如下：搅拌头轴肩直径18mm，搅拌针直径6.5mm，倾角2.5°，下压量2mm；转动碾压头滚珠夹持体直径为21.6mm，下压量0.5mm；焊接与加工时，搅拌头转速650r/min，行走速度130mm/min；转动碾压头转速800r/min，行走速度130mm/min，搅拌头与转动碾压头保持一前一后且间距30cm，两者行走速度和行走轨迹相同；焊接完成后，搅拌头抬升并停止工作，迅速向匙孔中填加与母材同材质且为匙孔体积1.1倍的铝合金块体，铝合金块体填加前预热至450℃，利用转动碾压头摩擦挤压使铝合金块体填充进匙孔，碾压过程中会有少量金属溢出，通过转动碾压过程即可去除，进而消除匙孔。
对比例1
将专利CN201710213044.6一种GIL/GIS母线壳体及其搅拌摩擦焊接工艺中的实施例1作为本申请的对比例1，具体如下：
以加工φ800mm(外径)×10000mm壳体(材质5083A-H112、壁厚10mm)为例；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。
对上述实施例2～5焊接完成的铝合金筒体的焊缝外观进行检查并利用金相显微镜观察未发现裂纹、气孔、未焊透及未焊熔等缺陷。
对上述实施例2～5及对比例1焊接后铝合金筒体的性能进行检测，检测结果如表1所示：
表1焊接后的铝合金筒体性能检测结果
Figure BDA0002475697060000091
Figure BDA0002475697060000101
表1中，接头强度系数按照标准GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验方法第1部分：室温试验方法进行检测；
水压试验强度按照标准GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用要求进行检测，其中实施例2是10min；3是20min水压试验，实施例4～5是15min水压试验；
压力升速≤400kPa/min时，破坏压力按照GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的公用要求进行检测；
充SF6气体时的气密试验压力按照标准GB/T 11023-2018高压开关设备六氟化硫密封试验方法进行检测。
综上所述，按照本发明所述复合加工方法制备的GIS/GIL壳体接头强度系数均高于80％，而且其耐压试验均结果显示均符合GIS高压开关筒体及GIL母线筒体的使用要求，本发明所述复合加工方法有效解决了采用常规焊接方法焊接后易出现气孔、裂纹、固体夹杂等缺陷的问题；且本发明所述复合加工方法具有快速高效、非熔化、绿色无污染、成本低且便于推广等优点，能够实现高压输变电开关与母线铝合金筒体的高质量连接，获得高强度和长寿命的铝合金壳体GIS/GIL铝合金壳体。

Claims (10)

1.一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法，其特征在于，所述方法通过搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备实现，所述搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备包括加工中心以及安装在加工中心上的搅拌头和转动碾压头，所述加工中心为双主轴立式加工中心，所述搅拌头安装在加工中心的右主轴位置，所述转动碾压头安装在加工中心的左主轴位置；
具体的复合加工方法包括以下步骤：
(1)将成型好的铝合金板材进行折圆或卷圆，并对折圆或卷圆的GIS/GIL筒体进行校圆；对距离筒体纵向接头中心两侧及筒体对接环向接头中心两侧10～15mm区域的铝合金表面氧化物和油污进行清理；
(2)将筒体固定，对筒体纵向采用内撑外压的方式进行对合压紧，使纵向接头间隙控制在0.8～1.0mm；环向采用内撑预紧与轴向顶紧的方式使环向接头间隙控制在0.8～1.0mm；
(3)纵缝焊接：利用搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对纵缝进行焊接、转动碾压头对纵焊缝进行碾压强化，加工完成后利用切割设备去除形成末端匙孔的环形区；
(4)环缝焊接：利用搅拌摩擦-转动碾压复合加工设备的搅拌头对环缝进行焊接、转动碾压头对环焊缝进行碾压强化，焊接完成，抬起搅拌头，向末端匙孔中添加与母材材质相同的铝合金块体，利用转动碾压头转动碾压将铝合金块体填充进匙孔并进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，所述搅拌头包括一体成型的搅拌针、轴肩和搅拌头夹持体，其中轴肩直径为15～20mm，搅拌针直径为6.5mm，倾角为2.5°，所述搅拌头通过固定夹具顶丝将搅拌头夹持体安装在加工中心的右主轴位置。
3.根据权利要求2所述的复合加工方法，其特征在于，所述转动碾压头包括由上至下依次连接的碾压头夹持体、滚珠夹持体以及滚珠，所述碾压头夹持体与滚珠夹持体固定连接，所述滚珠夹持体的下端面通过螺栓连接一滚珠套，所述滚珠夹持体的下端面设置有与滚珠相配合的凹槽，所述滚珠套上设置有与滚珠相配合的球形孔，所述滚珠安装在滚珠夹持体凹槽与滚珠套球形孔之间；所述转动碾压头通过固定夹具顶丝将碾压头夹持体安装在加工中心的左主轴位置；所述滚珠夹持体的直径为轴肩直径的1.2～1.5倍。
4.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，本发明所述GIS/GIL铝合金筒体为5000系列Al-Mg铝合金，壁厚6～16mm，内径400～1200mm，筒体长度≤5000mm。
5.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，步骤(1)中焊接区氧化物和油污去除方法为：用丙酮清洗焊接区表面油污，然后用不锈钢钢丝刷清理焊接区表面氧化物，清理后筒体接头存放时间不超过6h。
6.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，步骤(2)中所述内撑外压的方式具体为：在筒体外侧距离纵缝中心两侧15～20cm内，沿纵缝长度方向间隔30cm设置一套夹具；筒体内沿筒体长度方向间隔50cm放置一套筒体内支撑架。
7.根据权利要求6所述的复合加工方法，其特征在于，所述筒体内支撑架为六工位支撑工装，所述六工位支撑工装包括固定环和支撑杆，所述支撑杆设置有六个，沿固定环的圆周均匀分布，且固定环上设置有销孔，支撑杆的端部沿支撑杆的长度方向设置有多个定位孔，所述支撑杆通过定位孔利用销轴与固定环上的销孔连接。
8.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，步骤(2)中所述内撑预紧具体为：两筒体对接环缝焊接前，在两筒体内分别放置实心钢圆柱体，所述实心钢圆柱体的直径与筒体内径相等，对两筒体进行内撑预紧，每个圆柱体靠近环缝的一端与环缝之间的距离为10～15cm；所述的轴向顶紧具体为：在筒体外侧沿环缝周向间隔40cm放置一套夹具。
9.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，在加工过程中所述搅拌头与转动碾压头保持一前一后，且间距控制在30～40cm，搅拌头转速为600～800r/min，转动碾压头转速为搅拌头转速的1.2～1.3倍，两者行走速度和行走轨迹相同，行走速度为150～250mm/min。
10.根据权利要求1所述的复合加工方法，其特征在于，步骤(4)中所述铝合金块体的体积为末端匙孔体积的1.1倍，在填充铝合金块体前将其提前预热至450℃。
CN202010362874.7A 2020-04-30 2020-04-30 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法 Withdrawn CN111390374A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010362874.7A CN111390374A (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010362874.7A CN111390374A (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111390374A true CN111390374A (zh) 2020-07-10

Family

ID=71425610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010362874.7A Withdrawn CN111390374A (zh) 2020-04-30 2020-04-30 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111390374A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112719273A (zh) * 2020-12-18 2021-04-30 燕山大学 基于半固态浆料的表面预处理及修复辊压一体装置
CN113210838A (zh) * 2021-06-09 2021-08-06 四川航天长征装备制造有限公司 一种基于回抽搅拌摩擦焊工艺的封箱环焊缝补焊方法
CN113210837A (zh) * 2021-06-10 2021-08-06 四川航天长征装备制造有限公司 一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置
CN114043227A (zh) * 2021-12-13 2022-02-15 天津大学 一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及方法
TWI785898B (zh) * 2021-11-19 2022-12-01 財團法人金屬工業研究發展中心 摩擦攪拌銲接裝置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112719273A (zh) * 2020-12-18 2021-04-30 燕山大学 基于半固态浆料的表面预处理及修复辊压一体装置
CN113210838A (zh) * 2021-06-09 2021-08-06 四川航天长征装备制造有限公司 一种基于回抽搅拌摩擦焊工艺的封箱环焊缝补焊方法
CN113210838B (zh) * 2021-06-09 2022-11-29 四川航天长征装备制造有限公司 一种基于回抽搅拌摩擦焊工艺的封箱环焊缝补焊方法
CN113210837A (zh) * 2021-06-10 2021-08-06 四川航天长征装备制造有限公司 一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置
CN113210837B (zh) * 2021-06-10 2022-05-03 四川航天长征装备制造有限公司 一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置
TWI785898B (zh) * 2021-11-19 2022-12-01 財團法人金屬工業研究發展中心 摩擦攪拌銲接裝置
CN114043227A (zh) * 2021-12-13 2022-02-15 天津大学 一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111390374A (zh) 一种gis/gil壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法
CN101814808B (zh) 风力发电机机壳的制作工艺
CN206305623U (zh) 一种薄壁圆筒裂缝激光修覆防变形夹具
CN104999173B (zh) 一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法
CN105562906B (zh) 圆管直缝焊接工装及圆管直缝焊接变形控制方法
CN105226479A (zh) 一种管式导电杆的制备方法、液压胀形装置及管式导电杆
CN108788419B (zh) 分体式磁控电阻点焊装置
CN105014230B (zh) 一种铝合金管端封焊装置及焊接方法
CN112935686B (zh) 一种环件轧机大型斜辊轴断裂焊接修复工艺
CN105127581A (zh) 一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法
CN104959727A (zh) 一种薄壁铝合金管端复合密封装置及焊接方法
CN109483072B (zh) 盾构机螺旋机座子的焊接方法及工装
CN213614755U (zh) 空心球体的焊接工装
CN108436250A (zh) 一种用于筒体环焊缝搅拌摩擦焊固定工装及焊接方法
CN104493343A (zh) 用于大直径薄壁工件环缝的埋弧自动焊方法
CN217019251U (zh) 新型的钢材焊接生产加工装置
CN110682051A (zh) 一种大锥度厚板卷制及组对新工艺
CN214721328U (zh) 一种汽车套筒件自动环形焊接装置
CN112743292A (zh) 一种铸铁部件氩弧钎焊修复方法
CN114083232A (zh) 铜板卷焊圆度控制装置、铜筒制备方法及阴极辊制备方法
CN211564986U (zh) 一种圆管焊接径向定位工装
CN114192941A (zh) 一种钛合金t型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法
CN208427834U (zh) 一种用于筒体环焊缝的固定工装
CN111673301B (zh) 调距桨油管的制作方法
CN113020771B (zh) 用于焊接搭接件上圆环形搭接接头的焊接装置及焊接方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20200710

WW01 Invention patent application withdrawn after publication