電機銅鋁接線端子失效機理

李燕，賴云亭，張忠偉，左敦桂

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 前言

銅、鋁及其合金具有良好的導電性能、加工性能以及優(yōu)良的耐腐蝕性能，常被廣泛用于電力行業(yè)，尤其在電網(wǎng)系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用[1-3]。國內(nèi)鋁資源儲存豐富，銅資源相對匱乏，鋁的密度是銅的1/3，使用銅鋁連接，不僅可以降低部件重量，發(fā)揮各自材料的性能優(yōu)點，還可以降低成本。但是，銅和鋁的物理、化學性能差別較大，其中熔點相差423 ℃，導熱系數(shù)相差46%以上，抗剪強度相差50%以上，抗拉強度相差1/4。這些物理性能的差距，導致常規(guī)的擴散焊、釬焊、壓力焊、熔焊等方法都難以形成優(yōu)良的接頭[4-8]。焊接接頭也容易出現(xiàn)脆性大、裂紋、氣孔、夾渣等問題。此外，銅和鋁都容易氧化，焊接過程中常發(fā)生氧化而生成高熔點的氧化物，從而造成焊縫未能完全熔合。上述焊接問題，導致服役過程中的銅鋁接頭極易出現(xiàn)斷裂、腐蝕、發(fā)熱等問題[9-11]。文中針對某電廠電動泵電機銅鋁過渡接線端子在發(fā)生開裂問題進行綜合性能分析研究，找出開裂的原因，為機組后續(xù)安全穩(wěn)定運行提供保障。

1 試驗方法

1.1 研究背景

失效的電動泵電機接線端子類型為銅鋁過渡壓接型端子，主要使用在電機三相（U相、V相、W相）進線電纜上，用于連接電機和電纜。接線端子部件上部分為銅，和電機相接；下部分為鋁，用于和鋁芯電纜相接，冷壓壓緊。

電機接線端子型號為TL50-16，銅材為T2，執(zhí)行標準為GB/T 5231—2001《加工銅及銅合金牌號和化學成分》，鋁材為L2，執(zhí)行標準為GB/T 3190—1996 《變形鋁及鋁合金化學成分》。銅鋁接線端子采用摩擦焊方式連接，后通過車削方式對焊接部位進行加工成形。

1.2 宏觀形貌

結(jié)合現(xiàn)場安裝情況，對來樣樣品進行宏觀檢查，并通過體式顯微鏡對開裂位置進行拍照記錄。宏觀檢查結(jié)果如圖1所示。開裂位置分布在安裝位置外側(cè)的銅鋁焊接處，裂紋為環(huán)向裂紋，開口較小，裂紋兩側(cè)金屬均未見明顯的宏觀塑性變形特征，為脆性開裂。在體式顯微鏡下，來樣樣品的焊縫位置離變徑處也僅有1 mm左右距離。

圖1 銅鋁接線端子檢查情況

1.3 化學成分分析

成分分析結(jié)果見表1和表2。結(jié)果表明，銅材取樣樣品中的鐵、鉛、錫元素含量遠超標準要求，其余元素均滿足GB/T 5231—2001對T2的要求。鋁材取樣樣品中的元素均滿足GB/T 3190—1996對L2的要求。

表1 銅材化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 鋁材化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.4 金相檢驗

金相檢驗結(jié)果如圖2和圖3所示。銅基體組織為單向α固溶體，鋁基體組織為軋制狀細晶粒。裂紋啟裂于外表面焊縫處，呈“V”形向內(nèi)側(cè)擴展，裂紋深度約為2 673 μm。啟裂處鋁側(cè)外表面邊緣存在較為明顯的腐蝕現(xiàn)象，裂紋中間和裂紋尖端鋁側(cè)同樣存在較為明顯的腐蝕現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部存在銅夾渣、孔洞等缺欠。

圖2 接線端子開裂處金相檢驗

圖3 接線端子基體金相組織

1.5 SEM微觀觀察和能譜分析

圖4～圖6為裂紋外表面和斷口的微觀結(jié)果以及斷口表面的能譜檢測結(jié)果。結(jié)果表明，裂紋外表面不同位置處的微觀結(jié)果顯示，裂紋附近鋁側(cè)存在明顯的機加工紋理和細小的點腐蝕坑，裂紋內(nèi)部存在異物。斷口可見明顯的機加工紋理和點腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物主要元素為Al，O，Cu，F(xiàn)e，Si，K，Na，P等。

圖4 裂紋側(cè)面微觀觀察結(jié)果

圖5 裂紋打開后鋁側(cè)斷口微觀觀察結(jié)果

圖6 鋁側(cè)斷口能譜結(jié)果

1.6 X射線衍射分析

X射線衍射掃描分析結(jié)果如圖7所示。斷口表面只存在Cu，Al，未見金屬間化合物生成。

圖7 端子接頭X射線衍射圖

2 失效原因分析

樣品的開裂位置分布在安裝位置外側(cè)的銅鋁焊縫處，裂紋為環(huán)向裂紋，開口較小，裂紋兩側(cè)金屬均未見明顯的宏觀塑性變形特征，為脆性開裂。微觀上，裂紋啟裂于外表面焊縫處，呈“V”形向內(nèi)側(cè)擴展。鋁側(cè)斷口及其臨近表面存在明顯的點腐蝕坑，為銅鋁電化學腐蝕結(jié)果。因此，電機端子裂紋應為接頭焊縫發(fā)生電化學腐蝕，導致接頭承載能力降低，在運行過程中，裂紋進一步擴展直至被發(fā)現(xiàn)。

接線端子采用的焊接方法為摩擦焊，考慮到防止焊縫中產(chǎn)生銅鋁金屬間化合物，從而降低接頭機械性能，摩擦焊均采用低溫摩擦焊方法，其焊接溫度均控制在鋁-銅共晶點（548 ℃）以下[10]。該次來樣端子的焊接接頭處X射線衍射掃描分析結(jié)果顯示，接頭處僅有Cu，Al，未見脆性金屬間化合物，可見焊接溫度并未超過548 ℃。但是，裂紋打開后的斷口均可見明顯的機加工紋理，表明摩擦焊過程中塑性變形不完全，應為摩擦焊過程中焊接溫度過低且頂斷壓力過小所致。另外，接頭處存在銅夾渣、孔洞等缺欠。綜上，來樣接線端子在焊接前的原材料加工過程、焊接前的清理環(huán)節(jié)以及焊接工藝參數(shù)設(shè)定均存在問題。

正常情況下，如果銅、鋁焊接界面表面平整光滑，焊接質(zhì)量良好，焊縫表面無微裂紋或未熔合等焊接缺欠，不存在容納電解液存在的環(huán)境，2種金屬發(fā)生電化學反應的可能性很小。該次開裂端子鋁側(cè)表面均存在較為明顯的機加工紋理，且機加工結(jié)束處為焊縫處，部分焊縫處存在銅夾渣、孔洞等缺欠。上述，均會導致空氣中的水和氧化碳及其他有害雜質(zhì)在上述焊縫缺欠處聚集，造成電化學腐蝕。銅鋁間的電極電位差為2 V左右，所以鋁首先發(fā)生氧化還原反應出現(xiàn)腐蝕，鋁不斷丟失電子而成為鋁離子，再氧化成Al2O3。隨著腐蝕的繼續(xù)，表面金屬的逐步缺失，在接頭處會形成“V”形缺口，導致此處應力集中。同時，焊縫處于結(jié)構(gòu)的變徑處和焊接接頭質(zhì)量不佳，更加會加快焊縫開裂速度，焊縫的開裂進一步為電化學腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造環(huán)境，鋁材進一步腐蝕缺失，銅鋁接觸截面減少，承載能力降低，導致裂紋的進一步擴展。

3 結(jié)論

（1）接線端子的焊接接頭存在質(zhì)量問題，具體表現(xiàn)在：焊接溫度過低且頂斷壓力過小，導致塑性變形不完全，焊縫中殘留較為明顯的機加工痕跡。接頭存在銅夾渣、孔洞等缺欠以及銅材金屬缺失現(xiàn)象。

（2）接頭焊接質(zhì)量問題是導致接線端子開裂的主要原因。另外，鋁側(cè)斷口及其臨近表面存在明顯的點腐蝕坑，為銅鋁電化學腐蝕結(jié)果，這種電偶腐蝕對裂紋萌生和發(fā)展起到促進作用。