一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法技术

本发明专利技术公开了一种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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种GIS/GIL壳体的搅拌摩擦-转动碾压复合加工方法
本专利技术属于高压输变电开关与母线壳体制造
，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。
技术介绍
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年代专利技术以来，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。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于，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，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供了一种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，本专利技术所述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，有利于在转本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n具体的复合加工方法包括以下步骤：/n(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；/n(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；/n(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；/n(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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴克彦，刘鹏，侯志林，曹雪燕，
申请(专利权)人：泰安泰山高压开关有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37