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、加工性能以及優良的耐腐蝕性能，常被廣泛用于電力行業，尤其在電網系統中起到了至關重要的作用[1-3]。國內鋁資源儲存豐富，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，發揮各自材料的性能優點，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，導致常規的擴散焊、釬焊、壓力焊、熔焊等方法都難以形成優良的接頭[4-8]。焊接接頭也容易出現脆性大、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斷裂、腐蝕、發熱等問題[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，為機組后續安全穩定運行提供保障。

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

結合現場安裝情況，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。宏觀檢查結果如圖1所示。開裂位置分布在安裝位置外側的銅鋁焊接處，裂紋為環向裂紋，開口較小，裂紋兩側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

成分分析結果見表1和表2。結果表明，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果（質量分數，%)

表2 鋁材化學成分分析結果(質量分數，%)

1.4 金相檢驗

金相檢驗結果如圖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”形向內側擴展，裂紋深度約為2 673 μm。啟裂處鋁側外表面邊緣存在較為明顯的腐蝕現象，裂紋中間和裂紋尖端鋁側同樣存在較為明顯的腐蝕現象，裂紋內部存在銅夾渣、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果以及斷口表面的能譜檢測結果。結果表明，裂紋外表面不同位置處的微觀結果顯示，裂紋附近鋁側存在明顯的機加工紋理和細小的點腐蝕坑，裂紋內部存在異物。斷口可見明顯的機加工紋理和點腐蝕坑，腐蝕產物主要元素為Al，O，Cu，Fe，Si，K，Na，P等。

圖4 裂紋側面微觀觀察結果

圖5 裂紋打開后鋁側斷口微觀觀察結果

圖6 鋁側斷口能譜結果

1.6 X射線衍射分析

X射線衍射掃描分析結果如圖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的銅鋁焊縫處，裂紋為環向裂紋，開口較小，裂紋兩側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”形向內側擴展。鋁側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果。因此，電機端子裂紋應為接頭焊縫發生電化學腐蝕，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現。

接線端子采用的焊接方法為摩擦焊，考慮到防止焊縫中產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、焊接前的清理環節以及焊接工藝參數設定均存在問題。

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境，2種金屬發生電化學反應的可能性很小。該次開裂端子鋁側表面均存在較為明顯的機加工紋理，且機加工結束處為焊縫處，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，所以鋁首先發生氧化還原反應出現腐蝕，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，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，焊縫處于結構的變徑處和焊接接頭質量不佳，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生創造環境，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 結論

（1）接線端子的焊接接頭存在質量問題，具體表現在：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象。

（2）接頭焊接質量問題是導致接線端子開裂的主要原因。另外，鋁側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果，這種電偶腐蝕對裂紋萌生和發展起到促進作用。