接地裝置連接用放熱焊粉研制及接頭性能研究

韓鈺，聶京凱，馮衛(wèi)民，林國(guó)新，孔曉峰

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100192；2.福建省電力有限公司，福州市，350003；3.浙江省金華電業(yè)局，浙江省金華市，321017）

0 引言

放熱焊接以鋁粉還原金屬氧化物時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱為熱源，熔融焊粉與母材形成焊縫金屬，屬于熱劑焊。這種技術(shù)用在鐵道建設(shè)中通常被稱為鋁熱焊，其焊粉中金屬氧化物一般為氧化鐵，焊接接頭的機(jī)械力學(xué)性能要求較高[1-3]。而電力工程接地系統(tǒng)的特殊性要求其必須采用接地電阻更低、更耐腐蝕的材料，為保證和提高接地系統(tǒng)的使用性能，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)允許采用銅材或銅覆鋼作為接地材料[4]，因此在接地工程中放熱焊粉的金屬氧化物一般為氧化銅，對(duì)焊接接頭的熔點(diǎn)和耐土壤腐蝕性要求較高。

目前國(guó)內(nèi)使用的放熱焊粉多為進(jìn)口產(chǎn)品，其價(jià)格較高，不利于大范圍推廣使用，而一些國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的焊粉質(zhì)量又存在種種問題，如焊接接頭熔點(diǎn)過低，難以達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)娜埸c(diǎn)；施焊過程中有噴濺現(xiàn)象，不利于施焊人員安全；接頭內(nèi)部有氣孔及夾渣現(xiàn)象等。因此，研制性價(jià)比較高的放熱焊粉產(chǎn)品，同時(shí)規(guī)范接頭檢驗(yàn)技術(shù)條件，對(duì)提高電力工程接地系統(tǒng)的施工質(zhì)量，降低施工成本具有積極的意義[5-8]。

1 焊粉配方設(shè)計(jì)

焊粉的配方要充分考慮安全問題和經(jīng)濟(jì)性問題，如氧化銅與鋁反應(yīng)速度太快以致接近爆炸，容易對(duì)操作者造成傷害；或有的氧化物（如氧化錳）經(jīng)反應(yīng)后，被還原出的金屬沸點(diǎn)太低，也會(huì)形成金屬蒸汽危害人體健康，故這些組分均不宜采用。而且鋁的含量過高，雖可降低成本，但接頭熔點(diǎn)過低（鋁的熔點(diǎn)660℃，銅的熔點(diǎn)1 084℃）會(huì)導(dǎo)致接頭結(jié)合不良，也應(yīng)控制加入量。此外焊粉配方還要根據(jù)被焊材質(zhì)、截面積、接頭型式（主要有對(duì)接、搭接、T接）來配制。

通過大量的前期調(diào)研與實(shí)際考察，目前已經(jīng)確定了焊粉配方，如表1所示，在焊粉配制過程中采用安全無(wú)毒成分。

2 放熱焊粉的技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比

2.1 性能指標(biāo)

由于國(guó)內(nèi)沒有涉及放熱焊接技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE std 837—2002《變電站接地件永久性聯(lián)接的質(zhì)量鑒定》[9]中對(duì)接地裝置的永久性連接的接頭性能試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，因此嚴(yán)格按照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)進(jìn)口焊粉、國(guó)產(chǎn)焊粉及自研焊粉焊制的接頭進(jìn)行了電流溫度沖擊試驗(yàn)→冰凍融化試驗(yàn)→鹽霧腐蝕試驗(yàn)→短路電流沖擊試驗(yàn)等循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 研制放熱焊粉主要化學(xué)成分Tab.1 Chemical constituents of the developed welding solder

表2 循環(huán)試驗(yàn)后電阻變化Tab.2 Resistance variation after cycle test

由表2可得，所有接頭試樣電阻增大都遠(yuǎn)低于IEEE std 837—2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電阻增大值不超過50％的要求，但部分銅覆鋼材料的表面發(fā)生鼓泡、氧化皮嚴(yán)重剝落等現(xiàn)象。由于IEEE std 837—2002要求的試驗(yàn)包括電流溫度沖擊試驗(yàn)→冰凍融化試驗(yàn)→鹽霧腐蝕試驗(yàn)→短路電流沖擊試驗(yàn)等試驗(yàn)過程，因此，綜合考慮了試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)周期等因素，尤其是接頭試驗(yàn)結(jié)果后，認(rèn)為上述試驗(yàn)更適合于檢驗(yàn)接地材料本體的性能，作為型式試驗(yàn)推廣。而通過型式試驗(yàn)為合格的接地材料在應(yīng)用前，使用單位應(yīng)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)（評(píng)定）且要滿足國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《接地裝置放熱焊接技術(shù)導(dǎo)則》要求，遵循焊縫與母材性能要相當(dāng)?shù)脑瓌t，焊接工藝評(píng)定接頭性能如表3所示。

2.2 性能對(duì)比

按照國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《接地裝置放熱焊接技術(shù)導(dǎo)則》要求，進(jìn)行了試樣制備、對(duì)比和分析。

2.2.1 導(dǎo)電率

自研、進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)焊粉接頭電阻值如表4所示。由表4可知，自研焊粉接頭導(dǎo)電率與進(jìn)口焊粉接頭導(dǎo)電率相當(dāng)。

2.2.2 抗拉強(qiáng)度

自研、進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)焊粉接頭抗拉強(qiáng)度如表5[10]所示。

表3 接頭性能Tab.3 Properties of joints

表4 電阻值Tab.4 Resistances

表5 抗拉強(qiáng)度Tab.5 Tensile strength

2.2.3 接頭熔點(diǎn)

采用WCR-DTA型差熱儀分析了幾種接頭的熔點(diǎn)，結(jié)果見圖1。由圖1可知自研焊粉接頭熔點(diǎn)為1 090℃，進(jìn)口焊粉接頭熔點(diǎn)為1 083℃，國(guó)產(chǎn)焊粉接頭熔點(diǎn)為855℃。

2.2.4 接頭外觀質(zhì)量

3種焊粉焊制接頭如圖2所示。由圖2可知，自研焊粉接頭外觀光滑、圓潤(rùn)、飽滿，好于進(jìn)口焊粉接頭。

2.2.5 截面質(zhì)量

由于自研焊粉接頭含有一定量的合金粉末，有較強(qiáng)的還原性，起到了助熔造渣、消除氣孔的作用。圖3所示的自研焊粉接頭與進(jìn)口焊粉接頭宏觀金相質(zhì)量相當(dāng)，而國(guó)產(chǎn)焊粉接頭截面氣孔較多。

圖4列舉了接頭截面的掃描組織微觀形貌，由圖4可知，自研焊粉接頭組織均勻細(xì)密，無(wú)明顯氣孔。

3 結(jié)論

（1）放熱焊接頭的服役條件較為苛刻，受到環(huán)境腐蝕及電流沖擊的共同作用，且作為安全保障裝置對(duì)于電力財(cái)產(chǎn)保護(hù)至關(guān)重要，故采用放熱焊需嚴(yán)格依照操作規(guī)范。

（2）自研的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的放熱焊粉的綜合水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，具備高安全性、高熔點(diǎn)、低氣孔率的特點(diǎn)，并且性價(jià)比更高。

（3）在試驗(yàn)基礎(chǔ)上并結(jié)合接地工程建設(shè)實(shí)際情況，確定了放熱焊接接頭性能技術(shù)指標(biāo)，相應(yīng)技術(shù)成果在國(guó)家電網(wǎng)公司基建部組織下編寫了國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 467—2010《接地裝置放熱焊接技術(shù)導(dǎo)則》，為提高電氣工程接地裝置建設(shè)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

[1]М.М.Берзин.ВестникВНИИЖТ[J].2007（4）：37-43.

[2]盧慶華，徐培全，于治水，等.鋼軌焊接技術(shù)及質(zhì)量控制[J].焊接技術(shù)，2010（1）：66-68.

[3]胡志成.鋁熱焊焊接過程中的常見問題和對(duì)策[J].上海鐵道科技，2008（4）：56，117.

[4]IEEE std 80—2000Guide forsafety in ac substation[S].

[5]王鵬.水電站永久接地網(wǎng)的放熱焊接工藝[J].水利水電施工，2008（3）：62-64.

[6]呂大鷹，鮑威.新材料與新技術(shù)在電力接地系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].能源工程，2009（6）：49-53.

[7]唐寶鋒，范輝，賀春光，等.二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)的敷設(shè)[J].電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制，2009（7）：112-115.

[8]魏常信，關(guān)金鎖.WTWELD放熱焊接工藝在電網(wǎng)直流工程接地設(shè)施中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（14）：140-141.

[9]IEEE std 837—2002 Qualifying permanent connections used in substation grounding[S].

[10]GB/T 4423—2007銅及銅合金拉制棒[S].