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、成分復雜的特點。性能不符合規(guī)范的線夾,宏觀上難以辨別,一旦進入生產(chǎn)運行環(huán)節(jié),非常容易失效,且處理難度極大,會造成重大損失,帶來嚴重的后果。某省級電力公司近5年發(fā)生設備線夾斷裂事故16次(造成設備停電故障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度和銅鋁結(jié)合面微觀組織的檢測方法。
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,對線夾的電導率和力學性能產(chǎn)生影響,導致線路運行期間焊縫部位發(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使兩端金屬接觸,通過低電壓的強電流,待金屬被加熱到一定溫度變軟后,進行軸向加壓頂鍛,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行檢驗,至于線夾焊縫的強度以及銅鋁結(jié)合面的質(zhì)量則不檢測。
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《設備線夾》外觀及尺寸的要求,隨機選取10個線夾進行外觀檢驗。所選取線夾試樣的標志清晰,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稱值相符。
使用過程中的大電流會導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。
GB/T 2317.1—2008 中規(guī)定:“用試驗機使銅鋁焊接處彎曲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為SDS-200型。
選取4個SLG-4A 線夾,對銅鋁焊接處進行彎曲試驗,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。
隨機選取SLG-4A 線夾,壓平并剪切,使之滿足拉伸試驗機夾頭對試樣形狀的要求。受拉伸機夾頭尺寸的限制,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。拉伸試驗機為DNS-300型。經(jīng)過反復的試驗,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,圖中試樣標號從左至右分別為:2—1、2—2、2—3、2—4、2—5??梢钥闯鲈嚇拥睦煸囼灁?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,且相應抗拉強度小于其他試樣,這是由于缺陷導致的焊縫強度下降。綜合大量閃光焊銅鋁過渡線夾焊縫強度的測試結(jié)果,認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。
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。
利用光學顯微鏡對金相試樣進行分析,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)
閃光焊銅鋁過渡線夾是電氣設備和導線之間的重要連接件,有必要對每批次產(chǎn)品進行嚴格的檢驗。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。