特高壓開關鋁罐體的變極性等離子弧焊接工藝方法

王麗輝，魏鈾泉，吳俊峰，李福安

(1.遼寧裝備制造職業技術學院 實習實訓中心，遼寧 沈陽 110161；2.艾美特焊接自動化技術(北京)有限公司，北京 102202；3.新東北電氣(沈陽)高壓開關有限公司，遼寧 沈陽 110025)

特高壓開關鋁罐體的變極性等離子弧焊接工藝方法

王麗輝1，魏鈾泉2，吳俊峰3，李福安3

(1.遼寧裝備制造職業技術學院 實習實訓中心，遼寧 沈陽 110161；2.艾美特焊接自動化技術(北京)有限公司，北京 102202；3.新東北電氣(沈陽)高壓開關有限公司，遼寧 沈陽 110025)

通過對16 mm厚5083鋁合金罐體進行變極性等離子弧焊接工藝試驗，分析了工藝參數變化對焊縫成形的影響，研究該鋁合金罐體在不開坡口情況下分別采用氬氣(需要焊前預熱)和氦氬混合氣作為保護氣的變極性等離子弧焊接工藝，并制定出具體焊接工藝規范參數。試驗結果表明，采用氦氬混合氣作為保護氣條件下焊接的工件，可以有效避免長焊縫預熱不均、焊縫背面局部咬邊等問題，同時可以降低熱輸入、提高焊接效率，焊縫質量達到正背面外觀無缺陷、射線探傷Ⅰ級，能夠滿足高壓開關罐體的設計要求。

厚壁鋁合金罐體；變極性等離子弧焊接；焊接工藝

0 前言

目前，超高壓和特高壓的隔離開關、斷路器和母線罐體較多采用厚壁鋁合金為原材料。通常條件下，變極性等離子焊接工藝能夠實現不開坡口一次焊透12 mm厚度鋁合金，這種工藝適合焊接高壓和超高壓電氣開關的罐體。隨著電壓等級的提高，例如750 kV、1 100 kV的特高壓電氣開關罐體壁厚已達16mm或以上。在純氬氣作為保護氣的情況下，16 mm厚度的鋁罐體若采用變極性等離子工藝必須開坡口才能焊透，且焊前必須預熱待焊工件；而采用氦氬混合氣作為焊接保護氣，不但能保證不開坡口一次焊透，而且焊縫均勻一致、成形美觀、質量穩定，是解決特高壓開關鋁合金罐體最理想的方法。

1 變極性等離子弧焊接工藝

采用變極性焊接工藝進行鋁合金焊接，可以獲得熔深大、熱影響區窄、接頭強度和塑性指標高的焊接效果。變極性等離子弧焊接的優點是：等離子弧柱挺度好，熱量集中，熔深較大。等離子弧焊接的焊縫窄，熱影響區小，鋁合金接頭強度高，正面焊接和陰極霧化的時間能以0.1 ms設置，加大清理和焊接的密度，容易保證焊接質量和效率。小孔效應變極性等離子能夠同時清除焊縫正面坡口鈍邊和焊縫背面的氧化膜，最大程度地將焊縫雜質排除到焊縫外表面，延長鎢極的使用壽命，降低焊縫夾鎢風險，保證更好的焊接效果。若采用He-Ar混合氣體作為保護氣體，更能增加等離子電弧的穿透能力，適合較大厚度的鋁合金焊接。

1.1 焊前準備

1.1.1 試件準備

試焊工件為16 mm厚度 5083鋁合金罐體，長度3 000 mm，直徑1 000 mm。罐體為板材卷制而成，將板剪切后經銑邊機銑邊，銑Ⅰ型坡口90°±30′，坡口直線度小于等于0.25 mm。卷筒前用丙酮擦拭筒體待焊處內外表面和坡口處，將油污清理干凈后，用不銹鋼絲輪打磨待焊試件坡口和正背面焊道位置周圍50 mm，使其露出純金屬光澤。不銹鋼絲輪需潔凈無油污。打磨時不可用力過猛，以免將清理下的氧化膜重新壓入母材。不可采用鋼絲輪以避免鐵銹污染。清理后用壓縮空氣將殘留在工件上的鋼絲吹凈。卷筒、定位焊，定位焊時縱縫對接錯邊量小于等于0.5 mm，間隙小于等于1.5 mm。

1.1.2 設備和焊接材料準備

(1)焊接設備。

本試驗所用設備為美國AMET先進的全數字化控制的立式縱縫自動等離子焊接系統。設備主要由可夾持4 200 mm長度筒體的琴鍵式立式縱縫焊機、數字化系統控制器、自動弧長控制器、精密機械擺動系統、四輪自動送絲機構、彩色攝像監視系統、數字化逆變變極性等離子焊接電源及其焊接組件等構成。

(2)等離子焊槍。

等離子焊槍的性能將直接影響焊接質量。本試驗選用MPW-400變極性等離子直體水冷自動焊槍，該焊槍負載持續率為400 A、100%負載，配套有等離子焊槍制冷式循環水冷系統。

焊前仔細清理焊槍外噴嘴、內噴嘴、鎢極，將鎢極磨成為平頭，倒角0.5 mm×45°。裝配時內噴嘴的端面不高出外噴嘴的端面，盡可能使鎢極與內噴嘴內腔對中，鎢極內縮量為3.2±0.1 mm。

(3)焊絲：采用φ 1.6mm盤狀焊絲，牌號ER5356。

(4)離子氣：采用99.999%的氬氣。保護氣：采用純度為99.999%的氬氣和純度為99.99%的氦氣。

(5)氦-氬氣體混合器：采用SMITH高精度He-Ar雙路氣體配比器進行保護氣的混合配比。

(5)冷卻水：夏天采用純凈水或去離子水，冬天加入防凍液或乙二醇水溶液。

1.2 焊接工藝

1.2.1 引、收弧板焊接

加工與罐體同一材質、同一厚度的鋁合金平板兩塊，規格120 mm×80 mm，一塊作為引弧板，另一塊作為收弧板。引弧板長度方向與罐體對接，以保證起始焊接時熱量能及時傳導至筒體，滿足焊接需要。用手工TIG在焊縫正面定位焊引、收弧板。定位焊前按罐體定位焊前同樣方法進行清理，引、收弧板與工件的間隙應小于等于0.5 mm，否則會破壞T型接頭位置焊縫過渡效果和背面成形質量。定位焊點位于引、收弧板兩端。定位焊點長15～20mm。用手工TIG焊將引、收弧板與筒體連接處滿焊，反面焊滿后需磨平。

1.2.2 引弧板過渡

引弧板在變極性等離子焊接鋁合金時有兩個重要作用：一是將起弧時的焊接缺陷留在引弧板上，在工件上形成穩定的等離子?。欢窃谝“迳掀鸹『附訒r，直到焊槍移動到工件上，會把電弧產生的熱量傳輸到工件上。

1.2.3 筒體焊接

引弧板上形成小孔后即開始送絲，待等離子弧穩定過渡到筒體上后進行筒體焊接。筒體焊接時采用氦氬混合氣，焊接時添加焊絲，便于焊縫背面成形良好，焊接一遍后再進行蓋面，蓋面時采用純氬氣作為保護氣，蓋面過程根據需要添加或不添焊絲，也可進行擺動焊接。

1.3 工藝參數對焊縫成形的影響

1.3.1 離子氣流量

離子氣流量大，電弧的穿透能力強，但過大不利于小孔的收縮，焊縫背面容易出現切割現象。5083鋁合金(厚度16 mm)焊接時，離子氣流量為3.5 L／min時焊縫背面出現的切割狀態如圖1所示。離子氣流量過小，電弧穿透能力差，無法形成穿孔效應。經過反復試驗，離子氣流量確定為2.1 L／min。

圖1 離子氣流量3.5 L／min時焊縫背面

1.3.2 焊接電流和焊接速度

增大電流可以提高焊縫的熔透能力，但電流過大時會造成穿孔直徑過大，出現熔池墜落。如果電流小，焊速過高，則會出現焊縫兩側咬邊，背面無法形成小孔，甚至切割。圖2、圖3為正反向電流同為330 A、300 A時，焊接速度分別為120 mm／min、101 mm／min時工件的焊縫成形。

圖3 焊接速度101 mm／min的焊縫成形

由圖2可知，正面焊縫邊緣出現規則的咬邊，焊縫背面呈明顯切割狀態。由圖3可知，當電流不變、焊接速度降為101 mm／min時，焊縫正面成形均勻，無咬邊現象，背面呈焊接狀態，余高適度，但兩側有輕微咬邊現象。由此可見，即使焊接電流選擇合適，如果焊接速度過快，穿孔所需線能量不足，同樣會產生缺陷甚至變成切割狀態。焊接時只有焊接速度與焊接電流相匹配，保證穿孔所需線能量，才可能形成優質的焊縫。

1.3.3 正、反向時間

調整正、反向時間能夠有效保證陰極清理效果和焊接時間，提高鎢極的使用壽命。通常，正反向時間設定為19∶4。

1.3.4 送絲速度

添加焊絲能夠減少或杜絕咬邊[1]。在鋁合金中厚板的變極性等離子弧焊接過程中，如果不添絲，由于液態鋁合金熔池的表面張力作用和金屬在凝固時的收縮，在焊縫背面會出現貫穿整個焊縫很深的凹陷，焊縫正面很平，幾乎與母材表面一樣。隨著添絲量的增加，焊縫正面余高增加，背面凹陷逐漸減小直至消失，背面開始出現余高，背面焊縫寬度同時也增加[2]。送絲速度應與焊接速度相匹配，圖3b、圖4為其他參數一定時，送絲速度分別為2 000 mm／min、1 100 mm／min時的焊縫背面。比較可見，送絲速度低，添加焊絲少時，焊縫背面可見明顯咬邊，且背面焊縫寬度比圖3窄。

圖4 送絲速度1 100 mm／min的焊縫背面

1.3.5 保護氣體

在氬氣中加入氦氣，電弧長度相同時，電弧電壓升高，電弧溫度提高，能增大電弧的穿透力，并能提高焊接速度[3]。這對厚壁鋁合金焊接意義重大，相同厚度的板材可用較小的電流進行焊接，增加噴嘴、導電嘴、鎢極等附件的壽命；同時隨著焊接速度的提高，生產效率也大幅提升。

1.4 焊接工藝參數的確定

1.4.1 保護氣為氬氣且焊前預熱時的工藝參數

在上述試驗基礎上，為解決焊縫背面(罐體內壁)咬邊問題，進一步采取了對工件進行焊前預熱的方法。采取人工氧乙炔焰預熱法，對焊縫左右各50 mm范圍內預熱200℃后再進行焊接，以提高工件基礎溫度，獲得優質焊縫。焊接工藝參數如表1所示，焊 接接頭如圖5所示。

表1 保護氣為氬氣、焊前預熱200℃時的焊接工藝參數

圖5 預熱200℃時的焊縫背面成形

對比圖5和圖3可知，圖5焊縫背面均勻無咬邊，焊縫探傷Ⅰ級，合格率100%；而且預熱后在其他參數不變的前提下，焊接速度略有提高。

1.4.2 保護氣為氬氣、氦氣混合氣體時的工藝參數盡管預熱可以獲得滿足要求的焊縫背面成形，

但對于批量大、焊縫長的母線罐體來說，手工預熱方式效率低，不易保證焊縫位置預熱均勻，加之采用自動立式向上焊接方式，當后焊部位預熱溫度達不到要求時，受設備上琴鍵氣囊和水冷襯墊結構所限，不易實現再次預熱，會造成因預熱溫度不足或不均而導致焊縫背面局部咬邊，影響焊接質量。

因此，在表1工藝參數的基礎上，改為采用氦氬混合氣做為保護氣，進一步調整參數進行試驗。

通過美國SMITH高精度雙路氣體配比器調整氬氣、氦氣混合比例，當保護氣為φ(Ar)55%+φ(He) 45%時，焊接效果最好。工藝參數如表2所示，焊縫形貌如圖6所示。

表2 保護氣為φ(Ar)55%+φ(He)45%時的焊接工藝參數

圖6 保護氣為φ(Ar)55%+φ(He)45%時的焊縫正反面

對比由表1、表2可知，加入氦氣后，電流減小，焊接速度明顯增加。圖6顯示的焊縫正面比圖3更加光亮(魚鱗紋為增加一遍不填絲弧擺蓋面)、焊縫背面比圖3更規則、均勻，無咬邊。焊后外觀檢查達到圖紙設計要求，焊縫經X射線探傷檢查為Ⅰ級，合格率100%。

2 結論

(1)16 mm厚壁鋁合金罐體縱縫采用變極性等離子弧焊接，可以實現Ⅰ型坡口對接單面焊雙面成形，焊后接頭X射線探傷達到Ⅰ級，100%合格。

(2)試驗表明，16 mm厚壁鋁合金變極性等離子弧焊接工業化生產可采用以下兩種工藝：一種是采用氬氣作保護氣體，工件經200℃預熱后焊接；另一種是采用φ(Ar)55%+φ(He)45%作保護氣進行焊接。

(3)高壓開關主母線罐體由于縱縫長、生產批量大，更適于在保護氣為φ(Ar)55%+φ(He)45%混合氣條件下焊接，不僅可以有效地減小熱輸入，延長噴嘴、鎢極使用壽命，使接頭外觀質量更好，能夠提高焊接速度，在提高質量的同時，減少勞動強度，提高生產效率，這對生產企業有著非?，F實的意義。

(4)該研究為我國高電壓等級輸變電設備的制造提供了有效地技術保證，為下一步研究更大厚度鋁合金板不開坡口的等離子弧焊接工藝奠定基礎。

[1]滿伯倩，張 鐵.變極性等離子弧焊設備及其鋁合金焊接工藝研究[J].上海航天，2006(2)：61-64.

[2]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]雷玉成，陳希章，朱 強.金屬材料焊接工藝[M].北京：化學工業出版社，2007.

Welding procedure for aluminum-alloy tank of VPPAW welding in ultra-high voltage switchgear equipment

WANG Li-hui1，WEI You-quan2，WU Jun-feng3，LI Fu-an3
(1.Liaoning Equipment Manufacture College，Shenyang 110161，China；2.AMET Welding Technology Beijing Co., Ltd.，Beijing 112202,China；3.New Northeast Electric(Shenyang)High Voltage Switchgear Equipment Co.，Ltd.，Shenyang 110025，China)

The influence of welding process parameters on weld forming are analyzed by experiment on welding process of 16 mm thickness 5083 aluminum-alloy of VPPAW(variable polarity plasma arc welding)welding.Welding procedure for the aluminum-alloy tank without groove of VPPAW welding in argon shielded preheated before or helium argon mixture gas shielded was studied and the specific welding process specification was established.The results show that some defects can be avoided effectively such as uneven preheating of long weld and local undercut at the back of weld in the workpiece welded in helium argon mixture gas shielded.In addition，this welding process can decrease heat input and improve welding efficiency，the weld both face and back sides are defect-free in visul test and the weld quality attains radiographic test 1 level.It is satisfied to the design requirements of high voltage switchgear equipment.Key words：thick wall aluminum-alloy tank；VPPAW welding；welding process

TG456.2

A

1001-2303(2012)03-0066-04

2011-10-18

王麗輝(1965—)，女，內蒙古赤峰人，高級工程師，學士，主要從事輸變電設備焊接工藝研究及應用工作。