柜式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Cubicle Gas Insulated Switchgear,簡稱C-GIS,我國俗稱充氣柜),是近十幾年來國外新發(fā)展起來的高新技術(shù)系列產(chǎn)品,逐漸成為金屬封閉開關(guān)設(shè)備的一個重要品種。C-GIS充氣柜是將所有高壓元件封閉在充有較低壓力SF6氣體(或其他氣體)的不銹鋼殼體內(nèi)的中壓成套設(shè)備。其突出特點是安全、可靠性高,免維護、尺寸小,可用在惡劣環(huán)境和對空間要求苛刻的場所。
C-GIS屬于高科技產(chǎn)品,往往要求現(xiàn)代化的加工設(shè)備、加工工藝和焊接工藝等,制造工藝是影響C-GIS產(chǎn)品的質(zhì)量與水平的最重要的方面,國內(nèi)產(chǎn)品與國 外產(chǎn)品的差距也主要體現(xiàn)在工藝上。其中,C-GIS產(chǎn)品箱體的焊接是影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵工序,焊接既要保證箱體的強度和精度,又要保證氣密性。 國內(nèi)一般采用的是氬弧焊或氣體保護焊,熱量輸入大,焊接速度慢,由于不銹鋼板傳熱很快,總存在焊接變形。焊接變形的存在裝配調(diào)試產(chǎn)生不利的影響,焊接的氣 密性也得不到有效保證。
目前國外企業(yè)大多采用德國通快(TRUMPF)公司的三維激光加工中心TruLaser Cell系列配合功率為4kW-6kW的二氧化碳激光器來焊接充氣柜。
激光焊接方式焊縫窄,熱輸入和熱變形小,深寬比大,(如圖一),有利于減小焊接變形,降低人為因素造成的焊接缺陷,適合規(guī)?;a(chǎn)。但是,激光焊接對箱體的結(jié)構(gòu)形式、不銹鋼板材下料精度、焊接夾具設(shè)計有更高的要求。本文就來介紹激光焊接應(yīng)用于充氣開關(guān)柜制造的特點和要求。
圖一 激光焊接充氣開關(guān)柜
1.激光切割下料
充氣柜柜體材料一般是厚度3mm或4mm的不銹鋼板材。板材邊緣切口光滑、無倒角、無毛刺,同時板材表面的平面度必須達到要求。為了滿足這些目的,必須采用激光切割下料的方式,這是采用激光焊接充氣柜的前提條件。
2.柜體側(cè)板的拼接精度
板材之間的搭接方式采用“L”型的拼接方式。采用這樣的拼接方式,板材之間的焊接橫截面最大,焊接強度最大,但是對于不銹鋼鋼板之間的拼接精度要求最高。由于激光光斑直徑在焦點處大約為0.2mm左右,而且是直接焊接沒有填絲,如果板材之間的縫隙太大,則會產(chǎn)生焊接缺陷導(dǎo)致氣密性差。
一般來說,各個不銹鋼側(cè)板的搭接精度必須滿足縫隙值小于0.1mm,偏差值小于板材厚度的0.15倍。
為了達到以上精度,對于焊接夾具精度的要求較高,而且側(cè)板不能采用折彎的方式,必須由單塊的不銹鋼板材焊接而成。
3.激光焊接加強筋
為保證充氣柜箱體在抽真空和長期放置戶外而不變形,板材內(nèi)部必須放置加強 筋增加箱體強度。為了保證焊接加強筋后的側(cè)板變形量盡量減小,采用的是激光間斷焊接的方式。目前的設(shè)計來看,加強筋主要有兩種形式的設(shè)計:“U”型和 “幾”字型。前者耗費更少鋼材,降低柜體重量,從變形量的角度來說,“U”型加強筋的設(shè)計要優(yōu)于“幾”字型加強筋。如圖所示,由于折彎工藝的誤差,不能保 證“幾”字型加強筋兩側(cè)完全平行于側(cè)板,焊接后應(yīng)力釋放,會導(dǎo)致不銹鋼側(cè)板變形,從而影響箱體拼接的精度。
目前的一個趨勢是采用“U”型加強筋,激光透過箱體側(cè)板焊接而成。采用這種焊接方式可以將不銹鋼側(cè)板變形量降到最低,同時降低夾具設(shè)計制造的難度。
4.激光焊接充氣柜箱體
充氣柜箱體在激光焊接之前,必須用氬弧點焊的方式把各個不銹鋼側(cè)板拼接起來,然后再用激光縫焊保證氣密性和焊接強度。
目前大多數(shù)企業(yè)采用的二氧化碳激光器平均功率為4kW,焊接深度為3~4mm,焊接速度為2.5m/min – 4m/min。采用功率更高的激光器,能夠達到更大的焊深和更快的焊接速度,這是業(yè)內(nèi)的一個趨勢。比如西門子工廠的三維激光機床TLC1005配置的就是功率為6kW的激光器。
為了保證焊接精度和焊縫質(zhì)量,必須采用傳感器對焊縫位置進行精確定位。由于充氣柜的焊接路徑幾乎都是直線,所以機械微觸式探針即可以達到目的。
5.通快三維激光加工中心TruLaser Cell7040
通快公司的三維激光加工中心TruLaser Cell7040,可用于切割和焊接,為充氣柜焊接提供最好的完整解決方案。TruLaser Cell7040采用全飛行光路系統(tǒng),床身采用懸臂式結(jié)構(gòu),并且內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)有效地避免了共振。所有導(dǎo)光系統(tǒng)具有高精度和防塵功能,確保機床加工高質(zhì)量和長 時間穩(wěn)定性。水冷擴束系統(tǒng)確保機床長期穩(wěn)定操作保證激光束在不同光程的光學(xué)參數(shù)一致性。機床的開放結(jié)構(gòu)設(shè)計,工件可以從三個方向進入加工區(qū),并可根據(jù)實際要求改變工作臺和交換臺的位置。通快公司在全世界有超過20臺三維激光加工中心用于充氣柜的焊接,具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗,并向用戶提供充氣柜焊接所需全套夾具。
結(jié)語
我國城市電網(wǎng)建設(shè)和 改造、軌道交通以及大型工礦企業(yè)等對開關(guān)設(shè)備提出了小型化、智能化、免維護、全工況等新的更高要求,都為充氣柜提供了大的發(fā)展空間。目前激光焊接技術(shù)大大 提升了充氣柜的焊接工藝水平,減小箱體變形量,提高氣密性,減低了工人的勞動強度,是國內(nèi)充氣開關(guān)柜行業(yè)進行產(chǎn)業(yè)升級,邁入國際先進制造水平的有效途徑。
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