GIS 鋁合金殼體縱縫焊接工藝方法對比分析

方向紅

（正泰電氣股份有限公司，上海 201614）

氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）是一種廣泛應用于輸電領域的高壓電氣設備，具有體積小、質量輕、防腐蝕以及耐高壓等優點，是電力系統中不可或缺的重要設備。

鋁合金殼體作為GIS 的核心部件，其焊接質量直接影響設備的安全性和可靠性。為了提高焊接質量和生產效率，人們發明了多種焊接工藝[1]。本文主要從焊接質量、焊接效率、工藝復雜程度、設備投入和維護成本等方面出發，對鎢極惰性氣體保護（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接、惰性氣體保護（Metal-Inert Gas，MIG）焊接、改進型TIG（K-TIG）焊接、變極性等離子弧焊接、激光-MIG 復合焊接和MIG+TIG 同步焊接等工藝進行對比分析。

1 GIS 鋁合金殼體焊縫分布介紹

鋁合金殼體作為金屬封閉式組合電器GIS 的外部結構，可以保護內部導體等核心部件，支撐和固定結構盆式絕緣子，使設備在運行過程中保持穩定。鋁合金殼體結構分為筒體、法蘭、支管及支管法蘭4 個部分。鋁合金殼體焊縫分布如圖1 所示。

圖1 鋁合金殼體焊縫分布

1.1 筒體縱縫

筒體縱縫（焊縫1）、筒體環縫（焊縫2）、支管對接環縫（焊縫4）是GIS 殼體中的A 級焊縫。根據氣體絕緣金屬封閉設備鋁合金外殼材料及焊接通用技術條件要求，此處焊縫需經100%射線探傷，并達到三級焊縫質量要求，方可轉入下一步生產工序。實際生產中，要先考慮筒體縱縫焊接質量，兼顧生產效率和生產成本。目前，主要的焊接工藝方法有手工鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、MIG+TIG 同步焊、變極性等離子弧焊接和激光+MIG 復合焊縫等[2-3]。

1.2 筒體與法蘭焊縫

筒體與法蘭角焊縫（焊縫3、焊縫5）為B 級焊縫，表面需經滲透探傷合格，生產中多采用熔化極惰性氣體保護焊，以提高生產效率。

1.3 筒體與支管焊縫

筒體與支管馬鞍形焊縫（焊縫6）存在爭議。當焊縫為角焊縫結構時，它屬于C 級焊縫，表面需經滲透探傷合格，生產中可采用熔化極惰性氣體保護焊提高生產效率；當焊縫為嵌入式對接環焊縫時，它屬于A 級焊縫，應經100%射線探傷合格，生產中多采用手工鎢極氬弧焊，以確保焊接質量。

2 焊接工藝介紹

2.1 TIG 焊接

TIG 焊接是一種常用的焊接工藝，通過鎢極與焊件間產生的電弧熔化母材，同時使用惰性氣體保護熔池不被氧化。TIG 焊接的焊接質量高，適用于薄板和管材的焊接，但焊接速度較慢，生產效率較低[4]。

TIG 焊接筒體縱縫一般加工60°～80°焊接坡口，頓邊量不大于1.5 mm。板厚不高于6 mm 時也可不開坡口，用大電流慢速焊接，實現根部熔透。

為提升焊接效率，可采用自動操作機進行焊接。為保證焊縫力學性能、焊縫美觀和筒體內側電場強度均勻性，實際生產中一般在筒體內、外表面的最外側焊縫進行重熔處理。需要注意，重熔焊縫不填絲施焊。

2.2 MIG 焊接

MIG 焊接是一種高效的焊接工藝，通過連續送進的焊絲與工件間的高速電弧進行熔化焊接。MIG 焊接速度快，適用于厚板和管材的焊接。然而，對于薄板焊接，MIG 焊接容易出現燒穿和變形，且會易因為熔滴過渡形式導致熔池不穩定而形成內部氣孔，降低探傷合格率。因此，MIG 焊接一般不單獨應用于縱縫焊接，而多是配合其他焊接方法進行組合應用。

2.3 K-TIG 焊接

K-TIG 是在傳統TIG 焊接的基礎上進行改進，通過使用大功率焊接電源，改善送絲系統和采用特殊的焊槍設計，提高焊接效率和穩定性。K-TIG 焊接在保持TIG 焊接質量的同時，提高了焊接速度和生產效率。K-TIG 焊接10 mm 厚鋁合金板材可以不加工坡口，組裝間隙控制在0.5 mm 左右。K-TIG 焊接設備如圖2 所示。

圖2 K-TIG 焊接設備

2.4 變極性等離子弧焊接

變極性等離子弧焊接是一種先進的焊接工藝，通過改變電極的極性調節電弧熱量和方向。該方法可以實現高效、高質量的焊接，特別適用于鋁合金等有色金屬的焊接。變極性等離子弧焊接速度快（是常規TIG 焊接效率的2～3 倍），且能夠實現自動化和智能化控制。但是，變極性等離子弧焊接設備成本和維護成本較高，尤其是作為易損件、進口零件的焊槍噴嘴，成本高、周期長，且目前國產化率低，焊接質量差異較大。變極性等離子弧焊接縱縫時，不加工坡口，一次成型。此外，這種方式的焊縫內外部質量不穩定，設備如圖3 所示。

圖3 變極性等離子弧焊接設備

2.5 MIG+TIG 同步焊接

MIG+TIG 同步焊接是一種創新型的焊接工藝，通過同時使用MIG 和TIG 進行焊接，實現兩種方法的優勢互補。使用小電流MIG 填絲打底、MIG 填絲填充+TIG 不填絲重熔，該方法能夠提高焊接質量和生產效率，同時減少熱影響區和變形。MIG+TIG 同步焊接的質量高、速度快，設備成本和維護成本較高（但明顯低于變極性等離子弧焊接），工藝參數設置、雙槍距離配合存在一定的復雜性。MIG+TIG 同步焊接設備如圖4 所示。

圖4 MIG+TIG 同步焊接設備

2.6 激光-MIG 復合焊接

激光-MIG 復合焊接結合了激光焊接和MIG 焊接的優勢，通過激光的高能量密度和MIG 的高熔敷效率實現高質量的焊接。該工藝能夠加快焊接速度和縮小熱影響區，適用于各種材料和結構的焊接。激光-MIG 復合焊接速度快，但設備成本和維護成本較高。在激光國產化質量不斷提升和激光器價格明顯下降的大背景下，激光復合焊接工藝已成為一種發展趨勢。相關試驗顯示，鋁合金激光-MIG 復合焊接影響因素較多，工藝過程復雜，間隙敏感，不易獲得持續穩定的焊接質量，在焊接工藝工程應用方面有很大的上升空間[5]。

3 不同焊接工藝的對比分析

3.1 工藝分析

本案研究試驗均選用5052-H112 鋁合金板匹配ER 5356 鋁合金焊絲進行焊接。不同工藝選用工藝參數、所得力學性能及射線探傷情況見表1。

表1 不同工藝方法選用工藝參數及測試結果

3.2 焊接質量分析

從焊縫外觀成型、氣密性以及強度等方面對各種工藝進行評估，結果表明：激光-MIG 復合焊接和變極性等離子弧焊接的焊接穩定性差，存在明顯波動。TIG 焊接的焊接質量最好，MIG 焊接的焊接質量一般，射線探傷存在一定的不合格率；K-TIG 焊接在改進傳統TIG 焊接的基礎上提高了效率和穩定性，而長期穩定性需要持續跟蹤和驗證；MIG+TIG 同步焊接的質量穩定、可靠，一次探傷合格率達到90%。

3.3 焊接效率分析

對比各種工藝的焊接速度和生產效率，結果表明：激光-MIG 復合焊接和變極性等離子弧焊接具有較高的焊接效率，是TIG 焊接效率的3～5 倍；MIG+TIG 同步焊接效率是單純TIG 焊接或MIG 焊接的1.5～2.0 倍。

3.4 工藝復雜程度對比

分析各種工藝的操作難度和學習曲線，結果表明：激光-MIG 復合焊接和變極性等離子弧焊接設備復雜度高，操作難度較大；MIG 焊接和TIG 焊接相對簡單易學；K-TIG 焊接、MIG+TIG 同步焊接工藝則都存在一定的復雜性。

4 結語

對比分析可見，GIS 殼體生產規模不大，焊接質量為先，首選TIG 焊接工藝；中等焊接規模，在存在一定產能瓶頸的條件下，需兼顧生產效率，適合K-TIG焊接或MIG+TIG 同步焊接；大規模生產時，產品標準化程度高，要求自動化和智能化程度較高的生產條件下優選變極性等離子弧焊接；需要注重技術引領，有一定技術研發能力的情況下可積極探索激光復合焊接工藝。