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，馮衛民，林國新，孔曉峰

（1.中國電力科學研究院，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產生的化學反應熱為熱源，熔融焊粉與母材形成焊縫金屬，屬于熱劑焊。這種技術用在鐵道建設中通常被稱為鋁熱焊，其焊粉中金屬氧化物一般為氧化鐵，焊接接頭的機械力學性能要求較高[1-3]。而電力工程接地系統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的使用性能，國外標準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，對焊接接頭的熔點和耐土壤腐蝕性要求較高。

目前國內使用的放熱焊粉多為進口產品，其價格較高，不利于大范圍推廣使用，而一些國內廠家生產的焊粉質量又存在種種問題，如焊接接頭熔點過低，難以達到與母材相當的熔點；施焊過程中有噴濺現象，不利于施焊人員安全；接頭內部有氣孔及夾渣現象等。因此，研制性價比較高的放熱焊粉產品，同時規范接頭檢驗技術條件，對提高電力工程接地系統的施工質量，降低施工成本具有積極的意義[5-8]。

1 焊粉配方設計

焊粉的配方要充分考慮安全問題和經濟性問題，如氧化銅與鋁反應速度太快以致接近爆炸，容易對操作者造成傷害；或有的氧化物（如氧化錳）經反應后，被還原出的金屬沸點太低，也會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，但接頭熔點過低（鋁的熔點660℃，銅的熔點1 084℃）會導致接頭結合不良，也應控制加入量。此外焊粉配方還要根據被焊材質、截面積、接頭型式（主要有對接、搭接、T接）來配制。

通過大量的前期調研與實際考察，目前已經確定了焊粉配方，如表1所示，在焊粉配制過程中采用安全無毒成分。

2 放熱焊粉的技術性能指標對比

2.1 性能指標

由于國內沒有涉及放熱焊接技術的相關標準，而美國標準IEEE std 837—2002《變電站接地件永久性聯接的質量鑒定》[9]中對接地裝置的永久性連接的接頭性能試驗進行了詳細規定，因此嚴格按照該標準對進口焊粉、國產焊粉及自研焊粉焊制的接頭進行了電流溫度沖擊試驗→冰凍融化試驗→鹽霧腐蝕試驗→短路電流沖擊試驗等循環試驗。試驗結果如表2所示。

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

表2 循環試驗后電阻變化Tab.2 Resistance variation after cycle test

由表2可得，所有接頭試樣電阻增大都遠低于IEEE std 837—2002標準規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生鼓泡、氧化皮嚴重剝落等現象。由于IEEE std 837—2002要求的試驗包括電流溫度沖擊試驗→冰凍融化試驗→鹽霧腐蝕試驗→短路電流沖擊試驗等試驗過程，因此，綜合考慮了試驗設備、試驗條件、試驗周期等因素，尤其是接頭試驗結果后，認為上述試驗更適合于檢驗接地材料本體的性能，作為型式試驗推廣。而通過型式試驗為合格的接地材料在應用前，使用單位應進行焊接工藝試驗（評定）且要滿足國家電網公司企業標準《接地裝置放熱焊接技術導則》要求，遵循焊縫與母材性能要相當的原則，焊接工藝評定接頭性能如表3所示。

2.2 性能對比

按照國家電網公司企業標準《接地裝置放熱焊接技術導則》要求，進行了試樣制備、對比和分析。

2.2.1 導電率

自研、進口、國產焊粉接頭電阻值如表4所示。由表4可知，自研焊粉接頭導電率與進口焊粉接頭導電率相當。

2.2.2 抗拉強度

自研、進口、國產焊粉接頭抗拉強度如表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 抗拉強度Tab.5 Tensile strength

2.2.3 接頭熔點

采用WCR-DTA型差熱儀分析了幾種接頭的熔點，結果見圖1。由圖1可知自研焊粉接頭熔點為1 090℃，進口焊粉接頭熔點為1 083℃，國產焊粉接頭熔點為855℃。

2.2.4 接頭外觀質量

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、飽滿，好于進口焊粉接頭。

2.2.5 截面質量

由于自研焊粉接頭含有一定量的合金粉末，有較強的還原性，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口焊粉接頭宏觀金相質量相當，而國產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密，無明顯氣孔。

3 結論

（1）放熱焊接頭的服役條件較為苛刻，受到環境腐蝕及電流沖擊的共同作用，且作為安全保障裝置對于電力財產保護至關重要，故采用放熱焊需嚴格依照操作規范。

（2）自研的具有自主知識產權的放熱焊粉的綜合水平已經達到國外同類產品水平，具備高安全性、高熔點、低氣孔率的特點，并且性價比更高。

（3）在試驗基礎上并結合接地工程建設實際情況，確定了放熱焊接接頭性能技術指標，相應技術成果在國家電網公司基建部組織下編寫了國家電網公司企業標準Q/GDW 467—2010《接地裝置放熱焊接技術導則》，為提高電氣工程接地裝置建設質量奠定基礎。

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[10]GB/T 4423—2007銅及銅合金拉制棒[S].