(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，鄭州 450018；4.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102211)

鋁熱焊接不銹鋼包鋼復(fù)合材料接頭界面組織研究

耿進(jìn)鋒1沈元?jiǎng)?王忠強(qiáng)3許江曉1汪毅1聶京凱4龍偉民2

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450052；2.鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450001；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司，鄭州450018；4.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京102211)

以一種新型接地網(wǎng)材料——不銹鋼包鋼復(fù)合材料為被焊母材，采用市售、進(jìn)口以及自主研發(fā)的三種鋁熱焊粉，實(shí)施鋁熱焊接，對(duì)接頭界面組織及其形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，三種焊粉焊接接頭界面組織結(jié)構(gòu)類似，接頭界面形成Cu(s,s)/Cu(s,s)+Fe(s,s)/Fe(s,s)的過渡組織界面，Cu基體內(nèi)存在粒狀、離散分布的富Fe相，其形成機(jī)理為鋼在鋁熱焊粉反應(yīng)后生成的高溫銅液作用下熔化，隨后在原子溶解、擴(kuò)散共同作用下形成。鋁熱焊粉中添加活性劑粉末可以有效凈化銅液，提高銅液流動(dòng)性，有利于氣體排出從而消除氣孔缺陷。添加螢石粉、硅鋇鈣等造渣劑則可顯著增強(qiáng)造渣、排渣作用。

不銹鋼包鋼復(fù)合材料鋁熱焊焊粉界面組織

0 序 言

鋁熱焊相比電焊、釬焊、壓接等其它連接工藝，具有高效率、高質(zhì)量、熔接點(diǎn)截流能力強(qiáng)、永久分子結(jié)合等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于接地裝置的連接[1-5]。長(zhǎng)期、可靠、安全的接地網(wǎng)系統(tǒng)是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、保障人員和電氣設(shè)備安全的根本保證和重要措施，而接地系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于接地材料的高可靠連接。近年來，鍍鋅鋼、鍍銅鋼、敷碳鋼以及不銹鋼包鋼等新型接地材料逐步推廣，對(duì)接地網(wǎng)可靠連接提出了更高的要求[6]。

鋁熱焊是目前接地網(wǎng)應(yīng)用最廣的連接方式之一。接地網(wǎng)鋁熱焊接技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵在于原材料品級(jí)調(diào)控、焊粉成分優(yōu)化以及模具研制。目前，國(guó)內(nèi)在鋁熱焊焊粉開發(fā)方面研究薄弱，其對(duì)熔接質(zhì)量的影響機(jī)理尚不清楚，現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)各種焊接質(zhì)量問題缺乏理論分析依據(jù)和解決措施，急需開展接地網(wǎng)鋁熱焊專用焊粉及熔接機(jī)理研究。

文中針對(duì)一種新型耐腐蝕接地網(wǎng)材料即不銹鋼包鋼復(fù)合材料，以市售鋁熱焊粉、進(jìn)口鋁熱焊粉以及自制鋁熱焊粉焊接接頭為研究對(duì)象，通過界面組織、元素?cái)U(kuò)散行為分析以及熔接機(jī)理闡述，為高品質(zhì)鋁熱焊粉的開發(fā)提供基礎(chǔ)理論與參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的新型接地網(wǎng)材料為不銹鋼包鋼復(fù)合棒材，是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼專用棒材和特制不銹鋼管兩部分組成，外皮不銹鋼管厚度T為0.5 mm，芯部碳素鋼直徑d為19 mm，試樣尺寸為φ20 mm × 12 mm。

采用三種不同鋁熱焊粉，分別為國(guó)內(nèi)市售普通鋁熱焊粉、進(jìn)口WeldTech鋁熱焊粉以及自制專用鋁熱焊粉。自制鋁熱焊粉以Al粉、CuO和Cu2O粉末為基體，添加活性劑、螢石粉、硅鋇鈣等微量元素。鋁熱焊所用模具、焊接工藝方法如前文[8]所述。

將焊接接頭沿接頭中心區(qū)域切割、剖開并取樣進(jìn)行金相樣品制備，拋光后采用Phenom PW100-018型掃描電鏡對(duì)接頭組織形貌進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同鋁熱焊粉焊接接頭成形質(zhì)量宏觀分析

對(duì)三種不同鋁熱焊粉焊接不銹鋼包鋼接頭的截面形貌進(jìn)行分析。圖1為進(jìn)口WeldTech鋁熱焊粉與市售普通鋁熱焊粉接頭截面形貌；圖2為自制鋁熱焊粉焊接接頭截面形貌?？梢钥闯?，市售焊粉焊接接頭內(nèi)部出現(xiàn)大量氣孔和夾雜物，且氣孔呈環(huán)形均勻分布在銅體內(nèi)部。

自制焊粉與進(jìn)口焊粉可以獲得較好的焊接接頭，并且與市售焊粉相比焊接質(zhì)量有較大改觀，接頭內(nèi)部基本未出現(xiàn)明顯氣孔、夾雜缺陷。

圖1 進(jìn)口焊粉與市售鋁熱焊粉焊接接頭截面形貌

圖2 自制鋁熱焊粉焊接接頭截面形貌

2.2 普通鋁熱焊粉接頭界面組織分析

圖3為普通市售鋁熱焊粉焊接接頭界面SEM形貌及合金元素面掃描分布圖。從圖3a可以看出，接頭熔合界面較為完整，F(xiàn)e與Cu之間存在較為明顯過渡區(qū)域；從圖3b和圖3c可知，該過渡區(qū)域Fe，Cu元素富集。依據(jù)Fe-Cu二元相圖，該區(qū)域應(yīng)為Cu在Fe中的固溶體組織。此外，該過渡區(qū)域存在黑色相，能譜分析表明Fe，Cu，Al，O含量較高，推測(cè)為Fe，Cu，Al的氧化物夾雜。Cu側(cè)近界面形成離散分布的富Fe粒狀組織。同時(shí)，Al，O的面掃描分布結(jié)果表明接頭Cu側(cè)區(qū)域存在細(xì)小粒度的Al2O3夾雜物。從圖1接頭宏觀照片可以看出，這種夾雜物在接頭芯部環(huán)形氣孔富集區(qū)以及接頭近外表面區(qū)域更多。

2.3 進(jìn)口焊粉接頭界面組織分析

圖4為采用進(jìn)口焊粉鋁熱焊接接頭界面SEM形貌。接頭界面Cu,Fe之間形成明顯過渡區(qū)。對(duì)界面不同相組織進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果表明Cu側(cè)基體(標(biāo)記點(diǎn)1)主成分Cu含量84%(原子分?jǐn)?shù))，同時(shí)含有微量Fe，Ni，Al等合金元素，推斷其相組織為富Cu固溶體。Cu側(cè)基體分布游離狀富Fe相，如標(biāo)記2所示。Cu，F(xiàn)e界面過渡區(qū)基體組織為Fe(Cu)基固溶體，如圖4標(biāo)記3所示。過渡區(qū)基體上分布少量富Cu相，如標(biāo)記4所示，由此可以推斷Cu，F(xiàn)e界面過渡區(qū)域?yàn)镕e基固溶體和Cu基固溶體的混合組織。這種界面組織與Cu/Fe釬焊或熔焊界面組織類似[9-10]。

圖3 市售焊粉焊接接頭SEM形貌及元素面掃描分布

圖4 進(jìn)口焊粉焊接接頭界面SEM形貌

2.4 自制鋁熱焊粉接頭界面組織

圖5為自制鋁熱焊粉焊接不銹鋼包鋼接頭界面組織形貌。接頭界面組織結(jié)構(gòu)與上述兩種接頭界面結(jié)構(gòu)相似，熔接界面完好，無缺陷。Cu，F(xiàn)e界面出現(xiàn)明顯過渡擴(kuò)散區(qū)，界面元素線掃描分析結(jié)果如圖5b所示，合金元素分布趨勢(shì)與進(jìn)口焊粉焊接接頭元素分布基本一致。另外，Cu側(cè)基體內(nèi)含有一定量的Al。與純銅相比，CuAl合金具有更好的耐腐蝕性能，因此接頭具有較好的耐腐蝕性能[11]。

2.5 鋁熱焊接頭界面組織形成機(jī)理

鋁熱焊粉接頭內(nèi)部出現(xiàn)氣孔、夾雜缺陷的根本原因在于焊粉的除氧、排氣、排渣能力不足，這些缺陷的消除解決措施應(yīng)當(dāng)以除氣、排渣和提高銅液流動(dòng)性為主導(dǎo)思路。根據(jù)鋁熱焊原理，Al與CuO和Cu2O均可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

圖5 自制焊粉焊接接頭界面組織形貌及元素線掃描分布

3CuO+2Al→3Cu+Al2O3ΔH=1 210 kJ

(1)

3Cu2O+2Al→6Cu+Al2O3ΔH=1 060 kJ

(2)

Al與CuO反應(yīng)生成熱量較高，反應(yīng)劇烈但銅液量相對(duì)較少，而Al與Cu2O反應(yīng)熱量稍低但銅液量較大。對(duì)于鋁熱焊粉的研制，單一的Al粉和CuO粉或Al粉與Cu2O粉的成分搭配并不能完全滿足鋁熱焊的技術(shù)要求。鋁熱焊粉在引燃劑的催化作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，充分反應(yīng)后生成的高溫銅液在模具腔道的引流作用下，全方位快速流入熔接腔內(nèi)，不銹鋼包鋼在瞬間高溫作用下溶解，Cu，F(xiàn)e在熔接界面溶解、互擴(kuò)散，形成Cu(s,s)/ Cu(s,s)+ Fe(s,s)/Fe(s,s)過渡界面，然后包裹、凝固后形成熔接接頭。文中研制的鋁熱焊粉以Al粉、CuO和Cu2O粉末為基體，添加含P活性劑粉末，利用P的還原作用可以有效去除反應(yīng)銅液內(nèi)的氧氣[12]，凈化銅液，提高銅液流動(dòng)性，更有利于氣體排出從而消除氣孔缺陷。

鋁熱焊接頭內(nèi)部夾雜主要為氧化鋁殘?jiān)?。鋁熱反應(yīng)引燃后，氧化鋁在反應(yīng)腔內(nèi)隨即生成，銅液流入型腔，完全反應(yīng)后的氧化鋁在反應(yīng)腔內(nèi)形成殘?jiān)?。接頭內(nèi)部出現(xiàn)氧化鋁夾雜物，說明鋁熱焊粉排渣能力不足，部分氧化鋁殘?jiān)S著銅液流入熔接腔內(nèi)形成夾雜。文中自制的鋁熱焊粉以螢石粉為造渣劑，添加硅鋇鈣輔助熔劑顯著增強(qiáng)了造渣、排渣作用。圖6為自制鋁熱焊粉反應(yīng)后形成的完整杯狀殘?jiān)?/p>

圖6 鋁熱焊接接頭形成的完整杯狀殘?jiān)?/p>

3 結(jié) 論

(1)鋁熱焊接不銹鋼包鋼接頭出現(xiàn)氣孔、夾雜缺陷的根本原因在于焊粉的除氧、排氣、排渣能力不足。

(2)焊接接頭界面組織為Cu(s,s)/ Cu(s,s)+ Fe(s,s)/Fe(s,s)過渡界面，Cu，F(xiàn)e界面形成富Cu和富Fe相混合區(qū)，Cu側(cè)基體存在粒狀、離散分布的富Fe相，其形成機(jī)理為鋁熱焊粉反應(yīng)后形成的高溫銅液使得鋼熔化，在原子溶解、擴(kuò)散作用下形成上述特點(diǎn)界面組織。

(3)鋁熱焊粉的研制以Al粉、CuO和Cu2O粉末為基體，添加活性劑粉末可以有效凈化銅液，提高銅液流動(dòng)性，有利于氣體排出從而消除氣孔缺陷。添加螢石粉、硅鋇鈣等造渣劑顯著增強(qiáng)了造渣、排渣作用。

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TG451

2017-05-15

耿進(jìn)鋒，1979年出生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備安全評(píng)估、工程力學(xué)及焊接技術(shù)研究，已發(fā)表論文10余篇。