550kV GIL 設備三支柱連接筒加工工藝研究

馬騰迪，劉猛，劉楠，曹偉產

(西安西電開關電氣有限公司,陜西 西安 710077)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）設備結構由外殼和中間導體組成，管道內采用壓縮的SF6氣體或SF6/N2混合氣體為絕緣介質，是一種外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流電路傳輸管線。為優化GIL 產品整體設備結構構造，減少GIL 密封面數量并優化產品電場分布，GIL 設備普遍采用三支柱元件為導體支撐件，導體從單個或多個三支柱單元中心的連接筒穿過，連接至兩端固定在絕緣盆子中心的觸頭座上。

連接筒作為薄壁件，最大壁厚為5mm，內槽處壁厚僅為3.5mm,零件原料軸向硬度分布不均勻，在加工成型過程中極易受材料內應力及機加工應力影響導致變形，從而引起尺寸超差甚至報廢，成品率極低且很耗費工時。本文通過調整連接筒加工工藝，在機加工工藝之前增加固溶時效工藝，研究均勻化處理對連接筒加工過程的影響。

圖1 連接筒示意圖

1 試驗材料與方法

試驗材料為Φ180×15 鋁管6A02-T6 合金管料，合金的化學成分（質量分數，%）為：0.5～1.2Si、0.5Fe、0.2～0.6Cu、0.2Zn、0.15～0.35Mn/0.15～0.35Cr、0.45～0.9Mg、0.15Ti，其余為Al。其主要力學性能為:Rm=295MPa,A=12.9%，布氏硬度≥85HB。原料廠家供貨材料軸向硬度分布不均勻，測量記錄最大偏差20HB。

方案一：取零件毛坯料進行重復固溶時效處理，固溶處理為515℃保溫3h，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min內完成淬火，并在水中冷卻時間≥30min，隨后在155℃溫度下保溫8h 空冷，最后完成機加工工序后測量尺寸偏差。

方案二：取零件毛坯料進行退火+固溶時效處理，首先進行退火處理工藝，在350℃溫度下保溫2h，然后以30℃/h 的速度隨爐冷卻至260℃后空冷至室溫，隨后進行515℃保溫3h 的固溶處理，固溶完成后放入≤40℃水中，在30min內完成淬火，并在水中冷卻時間≥30min，隨后在155℃溫度下保溫8h 空冷，最后完成機加工工序后測量尺寸偏差。

2 試驗結果分析

2.1 原材料機加工零件尺寸情況

零件原材料為180×15 鋁管6A02-T6，熱處理狀態為固溶后人工時效。原料檢測布氏硬度在85HB 以上，抗拉強度Rm ≥295MPa,伸長率A ≥12.9%。零件機加工工序為下料—粗車—鉆—精車—精細車，原材料直接加工為成品后，零件薄壁處尺寸超差較大。

對零件機加工工藝進行工序調整，在薄壁內槽加工前，增加壁厚留量，增加必要的卡盤等工裝來減少機加工應力對尺寸變形的影響，合理分配每次車削的加工量，盡可能降低機加工過程的加工硬化在軸向分布不均勻程度。加工后零件薄壁處尺寸仍不理想，變形量如下表所示。

表1 原材料加工尺寸情況

2.2 不同預處理后硬度測試

圖2 為原料來料后進行軸向硬度分布測試，發現該硬度值范圍在89 ～108HB 左右，偏差將近20HB；對原材料直接進行重復固溶時效后，軸向硬度分布為109 ～112HB，偏差僅為3HB 之小；為防止直接重復固溶時效后發生過燒現象，進行了退火后固溶時效工藝，發現硬度同樣分布較為均勻。

圖2 不同預處理后原料軸向硬度分布

材料的軸向硬度分布可能影響機加工過程中加工硬化的均勻性，在零件機加工過程中軸向各部分的加工硬化程度不同，在隨后緩慢的應力釋放中，各部位變形也不同。對于薄壁零件該變形現象表征明顯。這應是連接筒加工后變形的主要原因。

經了解原材料硬度分布不均的原因，供貨廠家為保證管材擠壓成型后的圓度和直線度，生產線通常采用噴淋的方式進行冷卻。這種冷卻方式由于冷卻速度不均，可能造成硬度分布不均，但是其硬度值均滿足國標要求。采用浸水冷卻可以使硬度分布更加均勻，但是不利于保證管材直線度和圓度尺寸。

2.3 不同預處理后零件變形量

對不同預處理機制下零件機加工完工后進行尺寸檢測，主要關注薄壁處尺寸超差情況,表2 為不同預處理機制下零件變形量對比情況。

表2 不同預處理的零件變形量對比

原料直接加工后零件尺寸超差明顯。用重復固溶時效后的材料進行加工，每道工序不用反復留量，很快加工到位，機加工效率明顯提升，同時加工精度也可以滿足要求。對加工成品尺寸進行跟蹤測量，零件硬度及強度均符合圖紙設計要求，連續批次中未發生超差現象，說明重復固溶可以顯著提升材料可加工性。

2.4 材料組織檢驗

對直接重復固溶時效和退火后重復固溶時效材料金相組織進行觀察，均未發現晶粒粗大和過熱過燒等明顯缺陷。晶粒尺寸細小，組織分布均勻，二次相顆粒呈現出細小而彌散的狀態，組織狀態良好。

圖3 重復固溶時效材料組織

圖4 退火后固溶時效材料組織

在生產中，鋁合金材料推薦重復熱處理次數不超過兩次，多道次的重復熱處理增加了材料的不穩定性，過熱過燒傾向明顯。本次研究零件僅在加工前增加一次固溶時效處理，對材料起均勻化作用。

3 結語

（1）原料軸向硬度不均勻性是導致零件加工尺寸超差的主要原因，噴淋冷卻方式造成管材軸向冷卻速度不同，造成了原料硬度分布不均現象。

（2）對原料進行重復固溶時效處理能顯著提升其軸向硬度均勻分布，在零件加工應力釋放時軸向更均勻。調整機加工壁厚余量，增加必要卡盤工裝，保證了薄壁零件關鍵尺寸的公差范圍。

（3）零件重復熱處理次數不宜超過兩次，直接重復固溶時效處理沒有明顯增加材料的過熱過燒傾向?？紤]零件加工的生產效率及經濟效益，不宜采用退火+固溶時效的熱處理工藝。