閃光焊銅鋁過渡線夾焊縫檢測方法研究

胡飛飛，程思明，陳曉東，陳曉明，宋立斌

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021）

電氣設(shè)備出線端子多為銅制品，與其連接的架空線路引下線多為鋁制品，銅鋁過渡線夾是電氣設(shè)備與架空線路之間的重要連接部件。銅鋁過渡線夾具有用量多、成分復(fù)雜的特點(diǎn)。性能不符合規(guī)范的線夾，宏觀上難以辨別，一旦進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)，非常容易失效，且處理難度極大，會造成重大損失，帶來嚴(yán)重的后果。某省級電力公司近5年發(fā)生設(shè)備線夾斷裂事故16次（造成設(shè)備停電故障7次），其中有15次均為銅鋁過渡線夾失效。本文以農(nóng)網(wǎng)改造升級工程的某批次SLG－4A 平板型閃光焊銅鋁過渡線夾為例，著重分析閃光焊銅鋁過渡線夾焊縫強(qiáng)度和銅鋁結(jié)合面微觀組織的檢測方法。

1 線夾焊接方式及型號

銅鋁過渡線夾的銅與鋁之間常用的3種焊接方式為摩擦焊、閃光焊和釬焊。這3種焊接方式均有一定的不足，對線夾的電導(dǎo)率和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致線路運(yùn)行期間焊縫部位發(fā)生斷裂，造成電網(wǎng)事故，甚至大面積停電。

閃光焊是利用對焊機(jī)使兩端金屬接觸，通過低電壓的強(qiáng)電流，待金屬被加熱到一定溫度變軟后，進(jìn)行軸向加壓頂鍛，使兩個對接表面的整個區(qū)域同時牢固結(jié)合起來的電阻焊接方法。閃光焊適用于大截面銅鋁板材的連接。根據(jù)尺寸的大小，閃光焊線夾的型號有SLG－1A／1B、SLG－2A／2B、SLG－3A／3B和SLG－4A／4B，其中A 型為平板型，B 型為銅板與鋁板呈30°角的折線型。在實際交貨時，受檢測儀器的限制，驗收人員只對線夾的外觀進(jìn)行檢驗，至于線夾焊縫的強(qiáng)度以及銅鋁結(jié)合面的質(zhì)量則不檢測。

2 線夾外觀檢驗

該批次SLG－4A 型閃光焊線夾共計362個，按照GB／T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》和DL／T 346—2010《設(shè)備線夾》外觀及尺寸的要求，隨機(jī)選取10個線夾進(jìn)行外觀檢驗。所選取線夾試樣的標(biāo)志清晰，位置明顯；表面光潔，無毛刺或其他碰傷、突起等；鋁母材無縮孔、砂眼；焊縫無裂紋或氣孔；總長度、銅板寬度和厚度、鋁板寬度和厚度等尺寸均與標(biāo)稱值相符。

3 焊縫的檢測方法及合格條件

3.1 高溫開裂測試

使用過程中的大電流會導(dǎo)致銅鋁過渡線夾溫度升高，最高會超過200℃，所以需要對銅鋁過渡線夾的焊縫進(jìn)行高溫開裂測試。將銅鋁過渡線夾置于高溫環(huán)境箱內(nèi)，箱內(nèi)溫度升至300℃，持續(xù)保溫30 min，若焊縫處不斷裂則合格。

隨機(jī)選取3個SLG－4A 型閃光焊線夾，在室溫下放入高溫環(huán)境箱，當(dāng)溫度升至300℃，持續(xù)保溫30min后，3個線夾均未見開裂現(xiàn)象，只是銅母材的顏色由黃色變?yōu)樯罴t色。

3.2 彎曲試驗

GB／T 2317.1—2008 中規(guī)定：“用試驗機(jī)使銅鋁焊接處彎曲180°，壓頭半徑為2.5倍的板厚。若焊縫不斷裂，則試驗通過?！北驹囼炈脧澢囼灆C(jī)為SDS－200型。

選取4個SLG－4A 線夾，對銅鋁焊接處進(jìn)行彎曲試驗，其中1個線夾在焊縫處出現(xiàn)孔洞，且一側(cè)邊緣出現(xiàn)結(jié)合面斷裂現(xiàn)象，其余3個線夾均沒斷裂。

3.3 強(qiáng)度試驗

隨機(jī)選取SLG－4A 線夾，壓平并剪切，使之滿足拉伸試驗機(jī)夾頭對試樣形狀的要求。受拉伸機(jī)夾頭尺寸的限制，拉伸試樣剩余尺寸過大不能放入夾頭，過小則會出現(xiàn)夾持不住而脫落的現(xiàn)象。拉伸試驗機(jī)為DNS－300型。經(jīng)過反復(fù)的試驗，最終確定銅、鋁兩種母材的夾持長度不能小于1cm，兩側(cè)夾頭中間的長度均不能小于2cm。

拉伸后的SLG－4A 型線夾見圖1，圖中試樣標(biāo)號從左至右分別為：2—1、2—2、2—3、2—4、2—5。可以看出試樣的拉伸試驗數(shù)據(jù)一致性較好，斷裂位置均出現(xiàn)在鋁母材區(qū)，抗拉強(qiáng)度平均值為60.8 MPa，詳見表1。

表1 SLG－4A線夾試樣的拉伸試驗結(jié)果

個別斷裂位置距離焊縫很近的試樣，焊縫處存在夾雜物或孔洞等缺陷，且相應(yīng)抗拉強(qiáng)度小于其他試樣，這是由于缺陷導(dǎo)致的焊縫強(qiáng)度下降。綜合大量閃光焊銅鋁過渡線夾焊縫強(qiáng)度的測試結(jié)果，認(rèn)為拉伸后斷裂位置在銅或鋁母材側(cè)，且距離焊縫3 mm 以上為合格。

本批次抽查試樣的斷裂位置與焊縫的距離均大于3mm，且斷面未見夾雜物或孔洞等缺陷。

3.4 銅鋁結(jié)合面的微觀組織檢驗

圖1 拉斷后的線夾試樣

在線夾的銅鋁結(jié)合面切取金相試樣（面積約為1cm2），經(jīng)過多次試驗，切割位置應(yīng)在以焊縫為中心，銅、鋁兩側(cè)各保留至少5 mm，且試樣觀察面距線夾邊緣大于5mm，以保證不受切割過程的影響，檢測面為厚度所在的平面。腐蝕液選用FeCl3、稀鹽酸和無水乙醇的混合溶液。

利用光學(xué)顯微鏡對金相試樣進(jìn)行分析，微觀組織見圖2（左側(cè)為銅，右側(cè)為鋁），可以看到SLG－4A型線夾試樣雖界面反應(yīng)不均勻，但未見可引發(fā)焊接脆性增加的金屬間化合物，此種情況認(rèn)為銅鋁結(jié)合面微觀組織合格。

圖2 閃光焊線夾銅鋁結(jié)合面的微觀組織（200倍）

4 結(jié)論

閃光焊銅鋁過渡線夾是電氣設(shè)備和導(dǎo)線之間的重要連接件，有必要對每批次產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗。外觀需符合GB／T 2314—2008和DL／T 346—2010的要求，此外，焊縫需滿足下列條件視為合格：

a.高溫開裂：線夾在300℃環(huán)境下保溫30 min，焊縫不開裂；

b.彎曲：線夾在焊縫處彎曲180°不斷裂；

c.力學(xué)性能：線夾拉伸后斷裂位置在銅或鋁母材側(cè)，且距離焊縫3mm 以上；

d.微觀組織：線夾在銅鋁結(jié)合面處無金屬間化合物。