论文部分内容阅读
[摘要]主要对影响GIS三工位开关用焊接铝合金壳体质量的因素进行分析研究，提出可靠的改进措施来提高三工位开关用焊接铝合金壳体质量，从而保证了三工位开关装配质量及密封的可靠性。
[关键词]三工位开关；焊接；壳体；质量
SF6气体绝缘金属封闭开关设备(简称GIS)是由断路器、三工位开关、快速接地开关、互感器、避雷器等单元组装构成。断路器、快速接地开关等单元由于内部元件间的空间相互位置关系简单，通过设计的调整环节都能保证装配质量。而三工位开关是由隔离开关和接地开关合并而成，导致三工位开关内部元件间的空间相互位置关系比较复杂，因此三工位开关的装配质量是GIS装配的关键。GIS各单元的内部元件都安装在各自的壳体内，壳体内充满绝缘和灭弧的SF6气体，因此壳体就是GIS各电器单元的装配基础和基准，也是GIS密封可靠性的关键因素。下面就对三工位焊接铝合金壳体进行分析研究，提出可靠的改进措施来提高三工位开关装配质量及密封可靠性。
如图1所示三相共箱的126kV GIS用三工位开关简图，旋转序8传动轴，传动轴上的拨叉推着序3隔离／接地动触头做直线运动，逆时针旋转传动轴则动触头插入序2主母线上的触指内，顺时针旋转传动轴则动触头插入序7接地桩上的触指内，从而实现三工位开关的接通、隔离及接地功能。当三工位开关处于接通位置时，触头和触指接触部位电流通流能力必须满足2500A×1.1倍，且最高温升值不能超过65K的温升试验要求，同时还必须满足持续时间4s的40kA热稳定电流及满足100kA的动稳定电流的承载能力，保证触头、触指在动热稳定试验后不烧损、粘接，三工位开关能够正常动作。从图1上可以看出序4联结母线与序2主母线、序7接地桩的相互位置关系决定了三工位开关的动触头与触指的接触质量，也决定了动触头插入的阻力大小。序4联结母线与序2主母线、序7接地桩相互位置误差超出允许范围，则序3动触头做直线运动插入序2主母线或序7接地桩上的触指时只与一圈触指上的部分触指接触，导致触头和触指接触部位的电流通流能力下降，使得隔离开关接触部位温升过高，当短路电流通过时，就极有可能使触头和触指烧损、粘接，造成重大事故。
三工位开关内部元件及支撑绝缘子都比较容易保证加工质量，且序2主母线与序1支撑绝缘子，序4联结母线与序6支撑绝缘子之间都有设计的调整环节，保证了序2主母线与序1支撑绝缘子，序4联结母线与序6支撑绝缘子之间的装配尺寸及位置关系，所有内部元件都是直接或通过支撑绝缘子安装在序5三工位焊接铝合金壳体上，因此铝合金壳体是三工位开关的内部零部件的安装基准，其加工质量决定了三工位开关的装配质量。
图2所示为三工位壳体主要形位公差及关键尺寸，四个法兰面的形状公差即平面度误差不大于0.2mm决定了三工位开关的密封可靠性。法兰面上的位置公差即相对于基准面的垂直度误差不大于0.2mm、相对于基准面平行度误差不大于0.2mm和图示关键尺寸的符合性决定了三工位开关的装配基准间的空间关系。
经过对三工位焊接铝合金壳体分析研究及试验论证，明确了决定三工位焊接铝合金壳体质量的因素主要是焊接残余应力变化引起的壳体变形和机械加工质量两方面。
焊接残余应力变化引起的壳体变形主要由以下几方面原因造成：a、由于铝合金的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，壳体易产生较大的焊接变形和内应力，导致机械加工及后续的焊缝打磨把一部分材料从壳体上切除时，内应力被大量释放，内应力的原来平衡状态被破坏，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化；b、壳体在转运时的振动、水压试验和气密性试验对壳体焊接变形区域产生的拉伸使内应力发生变化，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化；c、铝合金焊后易产生不稳定组织，由于不稳定组织随时间而转变，内应力变化也较大，导致形位公差及尺寸发生变化。这些因素都导致壳体加工后出现形位公差及尺寸变化，影响三工位开关的装配质量及密封可靠性。
由于机械加工手段的落后，导致加工尺寸及形位公差超差，影响三工位开关的装配质量及密封可靠性。
基于以上制约三工位焊接铝合金壳体质量的几方面因素，经过多次分析研究和试验改进，制定出以下措施来提高三工位焊接铝合金壳体质量。
1、降低焊接残余应力来确保三工位壳体加工质量稳定性的措施
提高壳体加工质量稳定性的关键就是如何减小机械加工前壳体的焊接残余应力，我们经过分析研究后，决定主要从图纸设计和工艺制造两方面来改进以达到降低焊接残余应力的目的。
(1)图纸设计改进措施
如图3、图4所示为原设计和改进后的三工位焊接铝合金壳体焊缝分布图。
1)壳体上的接管、镶块等的封闭焊缝，拘束度大，内应力的大小与壳体和接管、镶块等本身的刚度有关，刚度越大则内应力越大。将图2上的序7和8管与序6管的刚性较大的插入式管联接改为翻边后的对接联接，由于采用了刚性较小的对接接头形式使焊缝的拘束度降低，内应力减小。
2)如图2上的序9和10管改为采用拉伸或旋压工艺制造的一个管，减少了一道环焊缝和两道直焊缝，且焊缝间保持了足够的距离，避免了焊缝过分集中，减小了内应力。
3)尽量减少交叉焊缝的数量，焊缝交叉处的内应力较大，且容易产生夹渣、气孔等缺陷，如在水压试验和气密性试验时发现泄漏再补焊，导致壳体产生再次变形，使形位公差及尺寸发生变化。将图2上的序7和8管与序6管插入式管联接改为翻边联接后，避免了图2上2件序11轴承座与壳体的焊缝交叉。
(2)工艺制造的改进措施
1)工艺路线改进。GIS生产厂家焊接铝合金壳体的基本工艺路线为：裁板—卷管—焊接—校管—切孔—翻边—焊法兰—探伤检验—机械加工—检验—内部焊道及内表面打磨—水压试验—气密性试验—喷漆。经过我们反复进行试验论证，将工艺路线改为：裁板—卷管—焊接—校管—切孔—翻边—焊法兰—探伤检验—内部焊道及内表面打磨—喷砂处理—划线—机械加工—检验—壳体内表面的局部修磨—水压试验—气密性试验—喷漆。
焊接接头的实际工作应力分布是不均匀的，应力集中区往往位于焊接接头的性能薄弱区。从图2可以看出：壳体上的熔焊接头主要是对接接头，这种接头的应力集中主要在焊缝余高上，壳体在机械加工后再用手持砂轮机打磨掉内部焊缝余高使应力集中消除或减小，及打磨时对壳体产生震动使部分的焊接残余应力释放，都导致内应力原来的平衡状态被破坏，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化，因此先打磨处理使壳体焊接残余应力大大降低后，再机械加工，减小了焊接残余应力释放时对壳体加工精度的影响。
增加喷砂处理工序，主要是喷砂处理时砂粒高速撞 击壳体产生的振动使得部分焊接残余应力释放，降低了内应力，另一方面壳体喷砂处理后提高了油漆在壳体表面的附着力。
2)焊接后采用交流钨极氩弧焊机(TIG)不使用焊剂的条件下对焊缝重熔整形，可以消除或减小应力集中，同时消除气孔并提高了焊缝的表面质量和焊接接头的强度。
3)对机械加工提出合理的加工顺序要求。如图2所示，按常规的加工方法是将一个法兰面加工成形后再加工第2个法兰面，以次类推将所有法兰面加工成形，这种加工顺序导致加工后面的法兰面时，此处的内应力被释放，内应力原来的平衡状态被破坏，壳体产生变形，使前面已加工的法兰面的加工精度受到较大的影响。基于这个因素，要求第一步加工时除安装螺栓孔加工成形外，每个法兰面的其余尺寸留一定的加工余量，使壳体先释放较大的内应力，第二步再将每个法兰面加工成形，此时释放的内应力较小，确保了已加工的法兰面的加工精度受到的影响最小。
4)三工位开关在每个合同中都必须使用，因此可以预投一定数量的三工位壳体，壳体在焊接、焊缝打磨及喷砂处理后放置一段时间，使壳体焊接后产生的不稳定组织有充足的时间进行转变，残余应力减小到较低的水平，焊件尺寸比较稳定后再加工，确保壳体加工后残余应力变化最小。
通过采取以上的改进措施，大大降低了壳体的残余应力，确保了壳体加工质量的稳定性。
2、采用合理的机械加工手段来提高三工位壳体加工质量
(1)采用数控镗床或数控卧式加工中心加工三工位壳体，由于数控设备是由已编好的程序控制整个加工过程，避免了由于人为因素造成的壳体加工精度的超差。
(2)在机械加工前先对三工位壳体进行划线工序，通过划线确保三工位壳体每一个加工环节都有足够的加工余量，避免了由于焊接误差及焊接变形造成的局部没有加工余量的问题。
(3)设计合理的工装来保证壳体的加工质量。以图2上的交叉点C为中心进行工装设计，工装上中心点的定位轴按照数控设备工作台旋转中心沉孔的尺寸设计，确定合理的配合公差。工装上设计了合理的支撑和夹紧，避免由于支撑和夹紧不当造成壳体变形。合理的工装使得三工位壳体一次装卡后，通过程序控制工作台旋转依次加工完成图2上4个法兰面和序5接地母线孔，保证了壳体的加工尺寸和位置公差。
采用以上两方面的改进措施提高了三工位壳体加工质量及质量的稳定性，大大缩短了工人在装配中的调整时间，确保GIS三工位开关装配质量及密封可靠性，从而保证了GIS的装配质量及运行的高可靠性。
[关键词]三工位开关；焊接；壳体；质量
SF6气体绝缘金属封闭开关设备(简称GIS)是由断路器、三工位开关、快速接地开关、互感器、避雷器等单元组装构成。断路器、快速接地开关等单元由于内部元件间的空间相互位置关系简单，通过设计的调整环节都能保证装配质量。而三工位开关是由隔离开关和接地开关合并而成，导致三工位开关内部元件间的空间相互位置关系比较复杂，因此三工位开关的装配质量是GIS装配的关键。GIS各单元的内部元件都安装在各自的壳体内，壳体内充满绝缘和灭弧的SF6气体，因此壳体就是GIS各电器单元的装配基础和基准，也是GIS密封可靠性的关键因素。下面就对三工位焊接铝合金壳体进行分析研究，提出可靠的改进措施来提高三工位开关装配质量及密封可靠性。
如图1所示三相共箱的126kV GIS用三工位开关简图，旋转序8传动轴，传动轴上的拨叉推着序3隔离／接地动触头做直线运动，逆时针旋转传动轴则动触头插入序2主母线上的触指内，顺时针旋转传动轴则动触头插入序7接地桩上的触指内，从而实现三工位开关的接通、隔离及接地功能。当三工位开关处于接通位置时，触头和触指接触部位电流通流能力必须满足2500A×1.1倍，且最高温升值不能超过65K的温升试验要求，同时还必须满足持续时间4s的40kA热稳定电流及满足100kA的动稳定电流的承载能力，保证触头、触指在动热稳定试验后不烧损、粘接，三工位开关能够正常动作。从图1上可以看出序4联结母线与序2主母线、序7接地桩的相互位置关系决定了三工位开关的动触头与触指的接触质量，也决定了动触头插入的阻力大小。序4联结母线与序2主母线、序7接地桩相互位置误差超出允许范围，则序3动触头做直线运动插入序2主母线或序7接地桩上的触指时只与一圈触指上的部分触指接触，导致触头和触指接触部位的电流通流能力下降，使得隔离开关接触部位温升过高，当短路电流通过时，就极有可能使触头和触指烧损、粘接，造成重大事故。
三工位开关内部元件及支撑绝缘子都比较容易保证加工质量，且序2主母线与序1支撑绝缘子，序4联结母线与序6支撑绝缘子之间都有设计的调整环节，保证了序2主母线与序1支撑绝缘子，序4联结母线与序6支撑绝缘子之间的装配尺寸及位置关系，所有内部元件都是直接或通过支撑绝缘子安装在序5三工位焊接铝合金壳体上，因此铝合金壳体是三工位开关的内部零部件的安装基准，其加工质量决定了三工位开关的装配质量。
图2所示为三工位壳体主要形位公差及关键尺寸，四个法兰面的形状公差即平面度误差不大于0.2mm决定了三工位开关的密封可靠性。法兰面上的位置公差即相对于基准面的垂直度误差不大于0.2mm、相对于基准面平行度误差不大于0.2mm和图示关键尺寸的符合性决定了三工位开关的装配基准间的空间关系。
经过对三工位焊接铝合金壳体分析研究及试验论证，明确了决定三工位焊接铝合金壳体质量的因素主要是焊接残余应力变化引起的壳体变形和机械加工质量两方面。
焊接残余应力变化引起的壳体变形主要由以下几方面原因造成：a、由于铝合金的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，壳体易产生较大的焊接变形和内应力，导致机械加工及后续的焊缝打磨把一部分材料从壳体上切除时，内应力被大量释放，内应力的原来平衡状态被破坏，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化；b、壳体在转运时的振动、水压试验和气密性试验对壳体焊接变形区域产生的拉伸使内应力发生变化，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化；c、铝合金焊后易产生不稳定组织，由于不稳定组织随时间而转变，内应力变化也较大，导致形位公差及尺寸发生变化。这些因素都导致壳体加工后出现形位公差及尺寸变化，影响三工位开关的装配质量及密封可靠性。
由于机械加工手段的落后，导致加工尺寸及形位公差超差，影响三工位开关的装配质量及密封可靠性。
基于以上制约三工位焊接铝合金壳体质量的几方面因素，经过多次分析研究和试验改进，制定出以下措施来提高三工位焊接铝合金壳体质量。
1、降低焊接残余应力来确保三工位壳体加工质量稳定性的措施
提高壳体加工质量稳定性的关键就是如何减小机械加工前壳体的焊接残余应力，我们经过分析研究后，决定主要从图纸设计和工艺制造两方面来改进以达到降低焊接残余应力的目的。
(1)图纸设计改进措施
如图3、图4所示为原设计和改进后的三工位焊接铝合金壳体焊缝分布图。
1)壳体上的接管、镶块等的封闭焊缝，拘束度大，内应力的大小与壳体和接管、镶块等本身的刚度有关，刚度越大则内应力越大。将图2上的序7和8管与序6管的刚性较大的插入式管联接改为翻边后的对接联接，由于采用了刚性较小的对接接头形式使焊缝的拘束度降低，内应力减小。
2)如图2上的序9和10管改为采用拉伸或旋压工艺制造的一个管，减少了一道环焊缝和两道直焊缝，且焊缝间保持了足够的距离，避免了焊缝过分集中，减小了内应力。
3)尽量减少交叉焊缝的数量，焊缝交叉处的内应力较大，且容易产生夹渣、气孔等缺陷，如在水压试验和气密性试验时发现泄漏再补焊，导致壳体产生再次变形，使形位公差及尺寸发生变化。将图2上的序7和8管与序6管插入式管联接改为翻边联接后，避免了图2上2件序11轴承座与壳体的焊缝交叉。
(2)工艺制造的改进措施
1)工艺路线改进。GIS生产厂家焊接铝合金壳体的基本工艺路线为：裁板—卷管—焊接—校管—切孔—翻边—焊法兰—探伤检验—机械加工—检验—内部焊道及内表面打磨—水压试验—气密性试验—喷漆。经过我们反复进行试验论证，将工艺路线改为：裁板—卷管—焊接—校管—切孔—翻边—焊法兰—探伤检验—内部焊道及内表面打磨—喷砂处理—划线—机械加工—检验—壳体内表面的局部修磨—水压试验—气密性试验—喷漆。
焊接接头的实际工作应力分布是不均匀的，应力集中区往往位于焊接接头的性能薄弱区。从图2可以看出：壳体上的熔焊接头主要是对接接头，这种接头的应力集中主要在焊缝余高上，壳体在机械加工后再用手持砂轮机打磨掉内部焊缝余高使应力集中消除或减小，及打磨时对壳体产生震动使部分的焊接残余应力释放，都导致内应力原来的平衡状态被破坏，壳体产生变形使形位公差及尺寸发生变化，因此先打磨处理使壳体焊接残余应力大大降低后，再机械加工，减小了焊接残余应力释放时对壳体加工精度的影响。
增加喷砂处理工序，主要是喷砂处理时砂粒高速撞 击壳体产生的振动使得部分焊接残余应力释放，降低了内应力，另一方面壳体喷砂处理后提高了油漆在壳体表面的附着力。
2)焊接后采用交流钨极氩弧焊机(TIG)不使用焊剂的条件下对焊缝重熔整形，可以消除或减小应力集中，同时消除气孔并提高了焊缝的表面质量和焊接接头的强度。
3)对机械加工提出合理的加工顺序要求。如图2所示，按常规的加工方法是将一个法兰面加工成形后再加工第2个法兰面，以次类推将所有法兰面加工成形，这种加工顺序导致加工后面的法兰面时，此处的内应力被释放，内应力原来的平衡状态被破坏，壳体产生变形，使前面已加工的法兰面的加工精度受到较大的影响。基于这个因素，要求第一步加工时除安装螺栓孔加工成形外，每个法兰面的其余尺寸留一定的加工余量，使壳体先释放较大的内应力，第二步再将每个法兰面加工成形，此时释放的内应力较小，确保了已加工的法兰面的加工精度受到的影响最小。
4)三工位开关在每个合同中都必须使用，因此可以预投一定数量的三工位壳体，壳体在焊接、焊缝打磨及喷砂处理后放置一段时间，使壳体焊接后产生的不稳定组织有充足的时间进行转变，残余应力减小到较低的水平，焊件尺寸比较稳定后再加工，确保壳体加工后残余应力变化最小。
通过采取以上的改进措施，大大降低了壳体的残余应力，确保了壳体加工质量的稳定性。
2、采用合理的机械加工手段来提高三工位壳体加工质量
(1)采用数控镗床或数控卧式加工中心加工三工位壳体，由于数控设备是由已编好的程序控制整个加工过程，避免了由于人为因素造成的壳体加工精度的超差。
(2)在机械加工前先对三工位壳体进行划线工序，通过划线确保三工位壳体每一个加工环节都有足够的加工余量，避免了由于焊接误差及焊接变形造成的局部没有加工余量的问题。
(3)设计合理的工装来保证壳体的加工质量。以图2上的交叉点C为中心进行工装设计，工装上中心点的定位轴按照数控设备工作台旋转中心沉孔的尺寸设计，确定合理的配合公差。工装上设计了合理的支撑和夹紧，避免由于支撑和夹紧不当造成壳体变形。合理的工装使得三工位壳体一次装卡后，通过程序控制工作台旋转依次加工完成图2上4个法兰面和序5接地母线孔，保证了壳体的加工尺寸和位置公差。
采用以上两方面的改进措施提高了三工位壳体加工质量及质量的稳定性，大大缩短了工人在装配中的调整时间，确保GIS三工位开关装配质量及密封可靠性，从而保证了GIS的装配质量及运行的高可靠性。