GIS铝壳体焊接培训课件

1、江苏海达电气有限公司地址：姜堰溱潼工业园区六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”（Gas Insulated Switchgear）简称GIS。 它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。1）小型化）小型化因采用绝缘性能卓越的六氟化硫气体做绝缘和灭弧介质，所以能大幅度缩小变电站的体积，实现小型化。三相共箱紧凑型GIS，最小间隔宽度为0.8m，标准间隔占地仅有2.9m2。一般220kV GIS设备的占地面积为常规设备的37%；110kV GIS设备占地面积为

2、常规设备的46%左右。2）可靠性与安全性）可靠性与安全性由于带电部分全部密封于惰性SF6气体中，不与外部接触，不受外部环境的影响，大大提高了可靠性。此外由于所有元件组合成为一个整体，具有优良的抗地震性能。因带电部分密封于接地的金属壳体内，因而没有触电危险。SF6气体为不燃烧气体，所以无火灾危险。又因带电部分以金属壳体封闭，对电磁和静电实现屏蔽，噪音小，抗无线电干扰能力强。3）适应环境能力强）适应环境能力强适用于环境条件恶劣（如严重污秽、冰雹、多风雪、多水露、高海拔、多地震等）地区。4）安装与维护）安装与维护安装周期短。由于实现小型化，可在工厂内进行整机装配和试验合格后，以单元或间隔的形式运达现

3、场，因此可缩短现场安装工期，又能提高可靠性。 因其结构布局合理，灭弧系统先进，大大提高了产品的使用寿命，因此检修周期长，维修工作量小，而且由于小型化，离地面低，因此日常维护方便在铝中加入铜、镁、硅、锰、锌等元素形成的合金称为铝合金。纯铝是银白色的轻金属，属有色金属（密度2.7g/cm3）。铝及铝合金具有良的耐蚀性、较高的比强度、导电性及导热性好在低温下能保持良好的力学性能等优点。 纯铝的化学活泼性强，当其与空气接触时，就会在表面生成一层致密的Al2O3薄膜。这层氧化膜可防止酸性物质如硝酸、醋酸等的腐蚀，但一旦与碱类和含有氯离子的盐类溶液（如氯化钠）接触，这层氧化膜就会迅速破坏，从而引起纯铝的强

4、烈腐蚀。纯铝的纯度越高，形成氧化膜的能力越显著。铝镁合金则具有耐海水腐蚀的性能。铝及铝合金的分类按合金化系列，铝及铝合金可分为1系（纯铝）、2系（、铝-铜）、3系（铝-锰）、4系（铝-硅）、5系（铝-镁）、6系（铝-镁-硅）、7系（铝-锌-镁-铜）、8系（其他铝合金）。 其中纯铝和变形铝合金括弧内的代号LG、L、LF、LY、LD、LC、LT是老的表达方式（GB7190-82），因采用汉语拼音，比新标准（GB/T3190-1996）的数字式表达方式更实用。铸造铝合金括弧内的代号ZL1、ZL2、ZL3、ZL4则根据GB/T1173-1995标准，以汉语拼音和合金系列相结合来表达。 按纯铝中所含的F

5、e、S杂质的含量，可将其分为高纯铝和纯铝。 按工艺性能特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金以可分为可热处理强化型和不可热处理强化型铝合金两大类。不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高其力学性能，只能用冷作变形强化和固溶强化。它主要包括铝镁合金和铝锰合金。这种铝合金的特点是强度中等，塑性良好，具有满意的焊接性和良好的耐腐蚀性能（故又称为防锈铝合金，即5A），它是目前铝合金结构中应用最广的一种铝合金。热处理强化型铝合金包括硬铝即新牌号为2A或2B（LY）、超硬铝即7A（LC）、锻铝即4A、2B、2A、6A、6B（LD）。这些铝合金经固溶、淬火、时效等工艺措施查以提高其力

6、学性，尤其是抗拉强度经热处理后有显著提高，但焊接性能则变差，特别在熔焊时，容易产生焊接裂纹，使焊接接头的力学性能明显下降 铝及铝合金在现代工程技所用的各种材料中占有举足轻重的地位，它在世界年产量仅次于钢铁而居第二位，在有色金属中则居第一位。如果说铝合金最初是在航空工业中崭露头角的话，那么近几十年来，除航空工业外，在航天、汽车、船舶、桥梁、机械制造、电工、化学工业及低温装置中已大量应用铝及铝合金，以制造各种部件、油箱、耐蚀容器及导线等。目前铝合金焊接结构中应用最广的是防锈铝合金，即铝镁合金和铝锰合金。 由于铝是地球上储藏量最多的金属，成本也不高，所以许多产品逐步用铝及铝合金代替铜或其他材料。 由

7、于铝及铝合金所具有的独特的物理化学性能，在熔化由于铝及铝合金所具有的独特的物理化学性能，在熔化焊接时有如下的困难和特点：焊接时有如下的困难和特点：1）强的氧化能力 铝和氧的亲和力很大，在空气中极易与氧结合形成致密结实，难熔的氧化膜（即Al2O3薄膜）厚度约为0.1m，熔点高达2050，远远超过铝合金的熔点。Al2O3的密度（3.85g/cm3）比铝合金（2.6-2.8g/cm3）大。在焊接过程中，氧化膜会阻碍金属之间的良好结合，容易形成夹杂和未熔合。而且氧化膜对水分有很强的吸附力，氧化膜中所含的结晶水和所吸附的水分在焊接电弧高温作用下分解并可能与金属反应产生氢，而在焊缝中形成气孔。因此为保证焊

8、接质量，焊前必须严格清理焊件及焊材表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化，须对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护，这是铝及铝合金焊接的一个重要特点。2）较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容都很大，约比钢大一倍多。在焊接过程中，大量的热能被迅速传导到基体金属内部，因此焊接铝及铝合金时比焊接钢要消耗更多的热量。为了获得优质的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，必要时尚需采用预热等工艺措施。3）容易形成热裂纹 铝及铝合金的线膨胀系数比钢约大一倍，凝固时体积收缩率达6.5%6.6%，比钢约大两倍。因此，焊接某些铝合金时，往往由于过大的收缩内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹，这是

9、铝合金，尤其是高强铝合金焊接时常见的严重缺陷之一。生产中常采用调整焊接材料成分的方法来防止裂纹的产生，如用流动性较好的焊丝SAlSi-1。另外，可采用有利于防止热裂纹产生的合理的焊接工艺措施。4）容易形成气孔 氢是铝及铝合金熔化焊时产生气孔的主要原因。铝及铝合金的液体熔池在高温下能溶入大量氢气，在焊后冷凝过程中，氢的溶解度急剧下降（低温时氢的溶解度约为高温时氢的溶解度的二十分之一），氢气来不及析出而聚集在焊缝中形成气孔。况且铝的导热性好，在同样的工艺条件下，铝熔池的冷却速度是高强钢的47倍，不利于气泡浮出，更易于气孔的形成。5）焊接接头易发生软化 铝及铝合金的焊缝热影响区，无论是非热处理强化铝

10、合金，还是热处理强化铝合金，都在不同程度上表现出强化效果的损失即软化。6）无色泽变化 铝及铝合金从固态变为液态时，没有明显颜色变化，加上铝在高温下强度和塑性很低。焊接时容易引起液态金属的塌陷或烧穿，因此，在焊接过程中给操作者带来困难。7）合金元素的蒸发和烧损 某些铝合金有低熔点的合金元素如镁、锌等，这些元素在高温下极易挥发、烧损，从而改变了焊缝金属的化学成分，导致焊接接头的性能降低。 虽然铝及铝合金在焊接过程中存在上述这些问题，但对于其焊接性的评价还得作具体分析，实际上，工业纯铝、变形铝合金中的防锈铝（即铝镁合金、铝锰合金）以及一般的铸造铝合金，其焊接性是良好的。只要针对上述某些特点采取一定的

11、工艺措施，就能得到良好的焊接接头。热处理强化铝合金的焊接性就较差，特别是在熔焊时，焊接裂纹倾向大，焊接接头对应力腐蚀敏感且易发生软化。所以这种铝合金目前在熔焊结构中应用不广。焊接工艺包括：焊前准备和焊后清理、焊接材料的选择、焊接方法及焊接工艺焊接工艺包括：焊前准备和焊后清理、焊接材料的选择、焊接方法及焊接工艺等。等。（一）焊前准备和焊后清理（一）焊前准备和焊后清理焊前准备焊前准备 为名保证铝及铝合金的焊接质量，要求焊前对工件坡口和焊丝表面的氧化膜和油污进行严格清理。否则，将会使焊缝产生熔合不良和气孔等缺陷。生产上常用化学清洗和机械清理两种方法。1）化学清洗）化学清洗 化学清洗效率高，质量稳定，

12、适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件（清洗坡口两边各100mm范围以内的部位）。化学清洗分为浸洗法和擦洗法两种。2）机械清理）机械清理 在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗的又沾污时，常采用机械清理法。具体做法如下：先用有机溶剂（丙酮或汽油）擦拭表面以脱脂，随后用直径不大于0.15mm的细铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，直刷到露出金属光泽为止。工件及焊丝清洗后存放时间尽可能缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4小时内施焊。超过规定时间，需重新进行清理。3）垫板）垫板 铝及铝合金在高温时强度很低，液态流动性能又很好，焊接时熔池容易下塌，焊接时常用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨

13、、不锈钢或碳钢等材料，采用单面焊双面成形工艺，这就要求操作者技能较高、操作熟练。4）焊前预热）焊前预热 薄、小的铝件一般不预热。厚度超过510mm的厚大铝件，为了使接头附近达到所需的焊接温度，以减小变形、未焊透和气孔等缺陷，焊前应进行预热，一般工件加热到100300左右。可以采用氧乙炔焰、电炉或喷灯等来加热。 焊后清理焊后清理 焊后留在焊缝附近区域表面的溶剂或焊渣，需要及时清理干净。否则，在空气中、水分的作用下，残存的溶剂和焊渣会破坏具有防腐作用的氧化薄膜，从而导致铝件的强烈腐蚀（二）焊接材料的选择（二）焊接材料的选择 铝及铝合金的焊接材料主要包括填充焊丝、保护气体、钨极以及熔剂等。1）焊丝）

14、焊丝 在铝及铝合金的焊接中，焊缝金属的组织成分决定着焊缝的强度、塑性、抗裂性、耐蚀性等性能。因此，合理选择填充材料至关重要。目前常用与基本金属成分相近的标准牌号焊丝。焊丝的牌号及化学成分详见标准GB/T10858-1989。2）保护气体）保护气体 焊接时所用的保护气体有惰性气体氩气（Ar）和氦气（He），生产上普遍使用氩气。用于焊接铝及铝合金的氩气必须满足下列纯度（体积分数）要求：氩气大于99.99%，氦气小于0.04%，氧气小于0.03%，不的质量分数小于0.07%。目前国内生产的氩气，其纯度一般能达到定要求，故在使用前不需再进行提纯处理。3）钨极）钨极 氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨

15、、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不容易熔化挥发，但电子发射能力比钍钨、铈钨要差。在纯钨中加入质量分数为1.0%2.0%的氧化钍（Tho）电极称为钍钨极。它的电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧稳定。但钍元素具有一定的放射性，对其推广应用带来障碍。目前普遍采用的铈钨极（牌号WCe20）是在纯钨中加入质量分数为1.8%2.2%氧化铈（杂质0.1%）而制成。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，反复引弧的可靠性高，允许电流密度高（如采用直流正接氩弧焊时，允许电流密度比钍钨极提高5%8%），烧损率低，并消除了放射性。 除了要求必须防止电极污染基体金属时可以选用锆钨极（这种电极的端部容易保持半圆形，

16、适于交流焊接）外，我国普遍使用的都是铈钨极。4）溶剂）溶剂 在气焊、碳弧焊过程中，熔化的金属表面极易氧化而形成氧化膜，为保证焊接质量，必须用熔剂去除氧化膜及其它杂质。气焊、碳弧焊用的熔剂是各种钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物粉末的混合物。用气焊、碳弧焊方法焊接、角接、搭接等接头时，焊件上残留的熔渣往往难以完全清除，在这种情况下，应根据不同的铝合金材料选用不同的熔剂。对于铝镁合金，不宜用含有钠的熔剂。（三）焊接方法及焊接工艺焊接方法及焊接工艺 铝及铝合金的焊接方法很多，各种方法有不同的应用场合。因此，应该根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构、生产条件以及焊接接头对质量的要求等因素来合理选

17、择。常用的熔焊焊接方法有气焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、钨极脉冲氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊等。在这主要介绍钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。钨极氩弧焊钨极氩弧焊 钨极氩弧焊（简称TIG焊）是一种非熔化极氩弧焊，电弧在惰性气体（氩气）的保护下燃烧，电弧稳定，热量集中，热影响区小，焊缝金属致密，可以获得满意的优质焊接接头。随着氩气产量的增加及成本的降低，加上氩弧焊具有气焊、碳弧焊、焊条电弧焊无法与之相比的上述优点，所以，目前钨极氩弧焊已成为铝及铝合金的主要焊接方法之一。1）手工钨极）手工钨极TIG焊焊 钨极氩弧焊应根据产品结构、焊件厚度和焊接工艺来确定焊接接头的形式和坡口形。手工钨

18、极氩弧焊的接头形式有对接、搭接、角接、T形接头等。对接接头的坡口形式主要由焊件的厚度来确定。 铝及铝合金的手工钨极氩弧焊，通常采用交流电源，为了防止起弧处及收弧处产生裂纹、气孔等缺陷，有时需加引弧板。电弧稳定燃烧、钨极端被加热到一定温度后，才能将电弧移入焊接区。往往采用高频和高压脉冲装置引弧。对焊枪、焊丝和焊件的相对位置，要求既便于操作，又能良好地保护焊接熔池。 正确选择焊接工艺参数是保证焊接接头质量的重要因素。手工钨极氩弧焊的工艺参数包括钨极直径、焊接电流、氩气流量、喷嘴直径、钨极伸出长度、喷嘴与焊件之间的距离、预热温度等。而这些参数之间又是相互有联系和相互牵制的。2）自动）自动TIG焊焊

19、自动TIG焊时，焊丝的输送和焊机的行走都是自动进行的。因此，焊缝平直、美观、熔深大，比手工TIG焊更能保证焊接质量。自动TIG焊的焊接材料与手工TIG焊基本相同，所选用的焊接工艺参数（如焊接电流、喷嘴直径、氩气流量、焊接速度等）均大于手工TIG焊。熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊，又称MIG焊，中等厚度和大厚度的铝及铝合金板材的焊接，已普遍采用熔化极氩弧焊。这种方法的优点是电流密度大，电弧穿透力强，生产效率高，与手工TIG相比，可提高效率34倍，当焊件厚度增大时尤为明显。由于焊接速度快，焊件的变形量小，焊前可以不预热。例如厚度达30mm的铝板正、反面各焊一层即可。此外，焊机能实现自动操作

20、，从而改善了劳动条件，降低了生产成本。 根据焊枪移动方式的不同，MIG焊可分为自动MIG焊和半自动MIG焊两种。他们的区别在于自动焊是由自动焊机小车带动焊枪向前移动，或机头固定，工件在转胎上以一定的焊接速度旋转；半自动焊的焊枪则是由操作者握持着向前移动的。前者适用于形状规则的纵缝、环缝及水平位置的焊接；后者大多用于定位焊、短焊缝、断续焊缝以及容器中的椭圆形封头、球形封头、人孔接管、支座板、加强圈、各种内件及锥顶等部件的焊接。 通常用直流反极性方法施焊，几乎不用直流正极性或交流方法。 自动MIG焊的主要工艺参数有焊丝直径、焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、氩气流量、焊枪倾角、焊丝送出导电嘴

21、的长度、喷嘴直径、喷嘴与焊件间的距离等，这些参数相互关联，并影响熔深、焊缝成形，以致在很大程度上决定焊接质量。 自动MIG焊对气孔的敏感性较大，这与焊丝直径有直接关系。为此，宜选用较粗的焊丝及较大的焊接电流。焊丝直径越粗，焊丝的比表面积（单位长度的焊缝中熔化的焊丝面表积与其体积之比）就越小；反之，则越大。例如1.6mm的铝焊丝的比表面积是4.0mm焊丝的2.6倍。用细焊丝焊接时，由焊丝表面带入熔池的氧化膜及表面吸附水等杂物的数量要高于粗焊丝，更容易产生气孔等缺陷。 不同直径的铝焊丝，与一个相应的电流值范围相对应着。焊接电流超过喷射过程的临界电流，而电弧电压增至34V时，熔滴呈极细的雾状粒子（粒

22、子直径显著小于焊丝直径）通过弧柱过渡到焊接熔池，这种过渡形式称为喷射过渡。其特征是电弧发出“咝咝”声，弧长忽高忽低焊缝成形不均匀，“阴极清理区”狭窄。 为保证焊接质量，自动MIG焊时通常采用较低的电弧电压（2730V）、较大的焊接电流值，使焊丝端部的熔滴呈亚喷射过渡（介于喷射过渡与短路过渡之间的一种过渡形式），即熔滴呈喷射间有短路过渡的形式出现，发出“咝咝”间有“啪啪”声，且气体保护性能好，电弧稳定，飞溅少，熔深大，“阴极清理区宽”，焊缝表面鱼鳞纹细密，成形美观。 MIG焊时，氩气的流量与喷嘴直径、焊接电流等因素有关，其数值显著高于TIG焊。例如焊接电流为570A焊接时，氩气流量可高达60L/

23、min。 喷嘴端部至焊件间的距离应保持在1222mm间。从确保气体的保护性能考虑，这个距离越短越好，但距离过短，喷嘴内壁易沾附飞溅物，且容易使喷嘴接触到熔池表面，反而影响保护效果并恶化焊缝成形。 半自动MIG焊 焊接工艺参数与自动MIG焊相似，但半自动MIG焊焊接过程中需细调送丝速度。半自动MIG焊一般采用平特性电源，只需稍微旋动送丝速度电位器，就可获得所需的焊接电流值。 在操作方面，半自动MIG焊的焊枪的握持角度呈1520前倾角，在操用过程中，焊枪可沿焊缝略作纵向往复摆动，以增加熔深及避免产生烧穿。喷嘴端部与焊件间的距离保持在822mm之间。焊丝伸出导电嘴的长度为1025mm。 铝及铝合金在

24、焊接过程中往往会产生各种类型的焊接缺陷而遗留在焊缝中，如气孔、裂纹、未熔合、未焊透和夹渣等。其中气孔和裂纹占焊接废品总数的40%50%。（一）气孔（一）气孔 焊接时熔池内的气体在凝固时不能逸出而留下来所形成的空穴称为气孔。按位置不同可分为表面气孔和内部气孔。按形状不同可分为点状、条链状和分散状气孔。气孔可分布在焊缝的任何部位。 铝合金焊接气孔主要是由氢引起的氢气孔。由于氢在铝合金液态下的溶解度是固态下溶解度的20倍左右，在铝合金焊缝凝固过程中氢会大量析出形成气泡，而铝合金的密度小，气泡在熔池中上升速度较慢，同时由于铝合金的导热系数大、焊缝凝固速度快、液态下停留时间短，不利于气泡浮出而产生气孔。

25、在焊缝中的氢气呈白亮光洁状。气孔破坏了焊缝金属的致密性，削弱了焊缝的有效截面，降低焊缝的力学性能，尤其是焊缝的弯曲强度和冲击韧性。一般来说气孔是导致构件破坏的重要原因，使其塑性降低40%50%。在交变应力作用下焊缝的疲劳强度显著下降。 铝合金焊接气孔缺陷产生的原因主要有以下几方面。1）焊接过程中气体保护不当。保护气体纯度较低，含有超标杂质或在焊接过程中气体保护不充分，使得空气中的水分卷入到电弧中分解释放出氢，进入熔池产生氢气孔；另外当保护气体流量过大时，又会将空气卷入弧柱区和熔池，同样会使焊缝产生气孔的趋势增大，在焊缝凝固过程中若气体来不及逸出，则聚集而形成气孔。2）焊丝和母材吸附的水分。母材

26、和焊丝表面氧化膜清除不彻底或清除后放置时间过长，导致其表面氧化膜吸附大量的水平，在焊接过程中释放出氢。3）焊枪喷嘴内不干净或有水分，在焊接过程中分解释放出氢。4）厂房空气中的湿度对焊缝产生气孔也有较大的影响。当空气中湿度大于80%90%时，产生气孔的倾向急剧增高。因此，焊接生产场地应尽量选择干燥、清洁、开阔，并且不易受空气流动影响的环境。（二）铝合金焊接裂纹产生的原因（二）铝合金焊接裂纹产生的原因 在焊接应力及其因素共同作用下，焊接接头中局部区域遭到破坏形成新界面而产生的缝隙即是焊接裂纹。铝合金焊接裂纹一般分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是在焊接过程中形成的，大部分在焊缝填充部位和熔合线部位，并埋藏

27、于焊缝中；冷裂纹又称延时裂纹，一般是在焊缝冷却过程中由于应力、扩散氢以及组织脆化共同作用而形成，有时是随着熔合线附近的焊缝组织的变化首先在焊缝内部形成组织晶界裂纹，经过一段时间之后才形成宏观裂纹，这类裂纹一般形成于焊缝热影响区和焊缝表面。 焊缝熔合不良和焊缝末端弧坑冷却过快等，都会产生焊接裂纹，具体原因有以下几方面：1）焊接工艺选择不当。2）焊缝设计不当导致焊接应力过大（如坡口形式及角度不适当、焊缝根部间距过大、焊缝深宽比太大或焊缝太窄）。3）焊接操作不当，焊前预热及焊后冷却不当而导致焊接应力过大。（三）铝合金焊缝未熔合产生的原因（三）铝合金焊缝未熔合产生的原因 焊缝金属与母材金属未完全熔化焊合，称未熔合。未熔合缺陷是仅次于裂纹的危险性缺陷，按产生的部位分为坡口未熔合和层间未熔合。产生原因有以下几方面：1）焊接工艺选择不当，如焊接线能量过小，焊速过快等。2）坡口处氧化膜或油污清除不干净，多层多道焊时，焊道之间停留