放熱焊銅排熔接施工工藝分析及模具的改進(jìn)

胡恒星，熊 杰

（中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙410014）

0 引言

放熱焊接常被稱作火泥熔接或熱熔焊接。在石墨模具的型腔內(nèi)，它利用金屬化合物化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量，將放熱焊劑與待連接的母材熔融為一體，凝固為符合工程要求的放熱焊連接。根據(jù)熔焊母材的不同，有銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體以及鐵導(dǎo)體連接，以及鋼與鋼連接，鋼與鐵連接的放熱焊劑[1-2]。

放熱焊接工藝的特點如下：

（1）電流負(fù)載能力大。熔焊點的載流能力與母材的載流能力相等，進(jìn)行焊接時，無需外接電源，具有良好的導(dǎo)電性能。

（2）抗大電流沖擊能力強(qiáng)。焊接點能經(jīng)受反復(fù)多次的大浪涌電流沖擊而不退化。

（3）電阻轉(zhuǎn)換穩(wěn)定。在正常電流和大電流的沖擊下，熔焊點表面不會改變電阻值。

（4）機(jī)械性能良好。焊接點是一種永久性的分子結(jié)合，不松脫、不老化，具有良好的機(jī)械性能。

（5）抗腐蝕性強(qiáng)。熔焊后的接頭沒有殘余應(yīng)力，被純銅覆蓋，極大地增強(qiáng)了導(dǎo)體的抗蝕能力。

（6）操作簡單安全。放熱焊接方法簡單、時間較短、培訓(xùn)容易，可用于焊接銅、銅合金、各種合金鋼及高阻加熱熱源等材料。

1 放熱焊施工工藝分析

1.1 放熱焊工藝原理

以銅導(dǎo)體的放熱焊為例，放熱焊接工藝是利用放熱焊劑中單質(zhì)鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)，放出熱量，產(chǎn)生2500～3500℃的液態(tài)單質(zhì)銅和氧化鋁的焊渣，通過放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫來實現(xiàn)高性能電氣熔接的現(xiàn)代焊接工藝。放熱焊接適用于銅和銅、鋼和銅的電氣連接，它無需外加能源或動力[3]。

銅焊劑的放熱焊接工藝反應(yīng)方程式：

1.2 放熱焊工藝流程

在銅排放熱焊接前，要清理模具及待焊銅排接頭，再將清理后的銅排置于石墨模具型腔的中心位置。石墨模具主要由模蓋和模體組成，其中模體內(nèi)結(jié)構(gòu)主要由反應(yīng)腔、導(dǎo)流槽和型腔組成。閉合模具并鎖緊模夾，然后在反應(yīng)腔底先放置隔離墊圈，其作用是防止放熱焊劑粉末漏入型腔中，再將放熱焊劑粉末倒入反應(yīng)腔，并撒引燃劑至反應(yīng)腔口，蓋上模蓋，用點火槍點燃引燃劑，使放熱焊劑粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成的液態(tài)銅融化隔離墊片通過導(dǎo)流槽流入型腔內(nèi)，將兩段銅排熔為一體。最后待反應(yīng)完畢后靜置不少于120s，開啟模具，清除放熱焊接點焊渣。放熱焊工藝流程圖和石墨模具的外形結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 放熱焊工藝流程圖

圖2 石墨模具結(jié)構(gòu)圖

1.3 放熱焊施工工藝改進(jìn)

放熱焊在工程實際應(yīng)用中，其接頭依然存在夾渣和未焊合等現(xiàn)象。產(chǎn)生夾渣的主要原因有2個：①由于焊接反應(yīng)的溫度未達(dá)到要求，反應(yīng)不完全，靜待時間不足未充分完全反應(yīng)，模具內(nèi)化合反應(yīng)產(chǎn)生焊渣，由于模具過早打開冷卻，使得焊渣未能及時浮出；②焊劑的成分、比例及顆粒大小不符合規(guī)范要求。產(chǎn)生未焊合現(xiàn)象的主要原因：①由于銅排斷面切割不平整，斷面處理不到位，使接頭處縫隙過大，融合不均勻；②融熱溫度不夠、不均勻，如模具型腔過小，溶劑量不足，或者模具的規(guī)格、精度不符合規(guī)范要求，有限的溶劑不完全在融腔內(nèi)，造成焊劑并未與母體完全熔合就已經(jīng)冷卻，影響了焊接質(zhì)量。

現(xiàn)提出改進(jìn)方法：現(xiàn)實施工過程中，工人都是通過切割機(jī)對銅排進(jìn)行分段切割，最多劃一條線，沿線切割，這樣難以保證切割后銅排端面的平整度，也就無法保證兩段待連接的母體端面足夠吻合，往往造成放置在模具型腔后的縫隙過大。現(xiàn)對切割方法作一個簡單改進(jìn)，如圖3所示，將待連接的兩段銅排端面疊加放置，通過直角尺沿線切割，將切割掉的銅排端頭扔掉，留下的兩段銅排切割端面就能做到相互吻合，這樣就可以有效避免未焊合現(xiàn)象的發(fā)生。另外延長焊接的靜待時間，保證120s 之后再打開模蓋清理模具，這樣可以有效減少夾渣現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 銅排切割示意圖

1.4 模具的改進(jìn)

焊接過程中，熱熔后的高溫液態(tài)銅分別與兩側(cè)的銅排端面和石墨模具接觸，由于不同介質(zhì)傳導(dǎo)熱量速度不一樣，在低溫環(huán)境下或材質(zhì)預(yù)熱溫度不夠焊接后沒有緩冷措施，亦或是放熱模具或預(yù)熱槍放置位置偏差，導(dǎo)致模具內(nèi)部某一側(cè)有過熱現(xiàn)象，易引起如軌道腳部等截面較小的部分銅液凝固迅速，使得氣體無法完全排出或是補(bǔ)縮不足，從而形成縮孔和氣泡等鑄造缺陷。但是如果預(yù)熱不均勻，如預(yù)熱孔處的局部軌道面溫度偏高，附近銅液受高溫凝固減慢，則接頭表面可能出現(xiàn)縮孔，而縮孔及疏松等缺陷會引起金屬的疲勞核心作用，在往后長期使用中，可能在疲勞核心處逐漸形成疲勞裂紋，導(dǎo)致焊縫提早疲勞斷裂引發(fā)質(zhì)量和安全問題。為了解決這些問題，對現(xiàn)有模具進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)CECS 427：2016《接地裝置放熱焊接技術(shù)規(guī)程》的要求[4]，放熱焊接點的截面積不應(yīng)小于母材截面積的2倍，和DL/T 1315-2013《電力工程接地裝置用放熱焊劑技術(shù)條件》中對放熱焊劑用量的要求[5]，現(xiàn)通過加寬型腔兩側(cè)，用來增加接頭處的補(bǔ)縮銅水量，同時要求模具的母材孔長度L大于或等于母材寬度才能保證焊接的性能要求，如圖4所示。為了增加銅排焊接過程中的穩(wěn)定性，結(jié)合CECS 427：2016《接地裝置放熱焊技術(shù)規(guī)程》中對模具母材孔尺寸公差應(yīng)達(dá)到IT12公差等級，以母材銅排（50mm×5mm）為例，確定標(biāo)準(zhǔn)公差為0.25mm，根據(jù)圖5所示，可以得到如下計算銅排之間縫隙e的計算公式：

由式（1）、式（2）、式（3）求得e=2，a≈2mm。

圖4 模具焊接示意圖

圖5 銅排之間縫隙示意圖

2 試驗

為了證明本文提出工藝與模具改進(jìn)方法的有效性，將改進(jìn)前的模具與改進(jìn)后的模具進(jìn)行試驗對比。改進(jìn)后的模具如圖6所示。模具改進(jìn)前后的試驗銅排搭接分別如圖7（a）和7（b）所示。從圖7（a）中可以看到兩段母材銅排有明顯傾斜，未能保持對齊，這可能是由于試驗過程中銅排隨意切割，導(dǎo)致兩段銅排插入母材孔時中間產(chǎn)生過大縫隙，配合母材孔的過盈配合縫隙產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)其放熱焊接頭冒口處有部分氧化鋁夾渣未能排除，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是反應(yīng)等待時間不足為充分完全反應(yīng)。從圖7（b）中可以看到，利用改進(jìn)后的工藝和模具其放熱焊接頭表面較為光滑，焊點飽滿，兩端銅排連接較為吻合，線條筆直。綜上，改進(jìn)后工藝與模具可以有效地提高放熱焊接的可靠性。

圖7 利用改進(jìn)前后模型銅排搭接示意圖

3 結(jié)論

通過簡單的銅排疊加切割工藝改進(jìn)和延長焊接時間，有效的解決了原來銅排切割面不平整與反應(yīng)不充分帶來的夾渣和未焊合的問題。

根據(jù)CECS 427：2016《接地裝置放熱焊技術(shù)規(guī)程》和DL/T 1315-2013《電力工程接地裝置用放熱焊劑技術(shù)條件》的規(guī)范要求，進(jìn)一步改進(jìn)模具，使模具的母材孔長度大于或等于母材寬度的2倍，從而解決縮孔的問題，提高模具焊接的穩(wěn)定性。

試驗證明本文提出的改進(jìn)方法可以有效地解決焊接過程中出現(xiàn)的夾渣、未焊合和縮孔等問題。