唐立軍，周年榮,2，劉雪揚(yáng)，劉榮海，張文斌

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；3.昆明品啟科技有限公司，昆明 650500；4.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650051)

0 引 言

電力系統(tǒng)中的發(fā)熱故障主要發(fā)生在電力連接頭中[1-3]。電氣設(shè)備中的電力連接頭種類(lèi)較多，鋁導(dǎo)線連接頭是其中較為普遍的一種。目前鋁導(dǎo)線連接主要采用壓縮連接法[4-5]，即采用液壓鉗將導(dǎo)線和連接金具進(jìn)行壓接，使導(dǎo)線和連接金具變形后連接在一起。該方法在壓力過(guò)大(過(guò)壓)時(shí)容易導(dǎo)致導(dǎo)線斷股，壓力過(guò)小(欠壓)時(shí)則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線接觸面積減小，力學(xué)性能較差。并且，壓接后的鋁導(dǎo)線與連接金具并非完全接觸，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中二者的接觸電阻會(huì)逐漸增大，而且水的凍脹累積效應(yīng)會(huì)使未接觸部位膨脹開(kāi)裂，使得接觸電阻急劇增加。接觸電阻的增加會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量和電能損耗增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)電力連接頭斷裂故障[5-6]。此外，壓接后導(dǎo)線線股之間存在微小間隙，外界的水會(huì)通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)部[7]，加快電力連接頭的腐蝕，危及電網(wǎng)安全。

基于以上原因，作者提出采用軟釬焊方法(釬料熔點(diǎn)不超過(guò)450 ℃)連接鋁導(dǎo)線，該方法可以增加導(dǎo)線與連接金具之間的接觸面積，改善鋁導(dǎo)線電力連接頭的發(fā)熱問(wèn)題。目前關(guān)于鋁的軟釬焊研究主要集中在釬料在鋁表面的潤(rùn)濕性能和潤(rùn)濕界面的微觀分析[8-13]以及鋁片搭接釬焊接頭方面[14-15]，而關(guān)于釬焊連接鋁導(dǎo)線與連接金具的研究較少。

與鋁片搭接連接相比，多股鋁線絞合而成的鋁導(dǎo)線和連接金具之間的接觸面積較大且不規(guī)則，釬料需要具備更高的潤(rùn)濕性能才能增加接觸面積。與鋁的潤(rùn)濕性較好的釬料包括Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Ag系合金釬料，綜合成本、潤(rùn)濕性能等因素，作者選擇了Sn-Cu-Zn合金釬料作為研究材料；同時(shí)考慮到鉍元素具有提高合金潤(rùn)濕性能的特性，作者在Sn-Cu-Zn合金釬料中加入鉍元素進(jìn)行定向改性，研究了鉍含量對(duì)釬料熔點(diǎn)、電導(dǎo)率、潤(rùn)濕性，以及軟釬焊鋁導(dǎo)線與金具連接頭界面形貌、溫升和拉伸性能的影響，確定了鉍元素的最佳含量。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料包括銅塊(純度99.99%)、錫塊(純度99.99%)、鉍塊(純度99.99%)和鋅塊(純度99.99%)。按照組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)為Sn-0.7Cu-Zn-xBi(x=0.5，1，1.5，2)稱(chēng)取原料，在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1 100 ℃，保溫10 min后，將溫度降到400 ℃±5 ℃，保溫2 h，每間隔30 min攪拌一次，最后澆鑄成球狀備用。采用DSC200F3型差式掃描量熱儀(溫度精度為±0.1 ℃)測(cè)定釬料的熔點(diǎn)，加熱和冷卻速率均為10 K·min-1。采用D60K型渦流電導(dǎo)儀測(cè)定釬料合金的電導(dǎo)率。

根據(jù)GB/T 11364-2008，采用鋪展性試驗(yàn)表征釬料的潤(rùn)濕性能[16]，母材為1060鋁合金，尺寸為20 mm×20 mm×0.8 mm，助焊劑選用廣州有色金屬研究院提供的SF-L-3助焊劑。試驗(yàn)前將母材表面磨平，去除表面氧化膜，并用酒精清洗干凈。在母材表面涂覆一層助焊劑后，將0.2 g球狀釬料置于母材表面中心，并將母材置于加熱平臺(tái)上升溫至270 ℃保溫30 s后空冷，采用Image Pro Plus軟件測(cè)定釬料的鋪展面積，每種釬料重復(fù)3次試驗(yàn)，取平均值。

使用潤(rùn)濕性能最佳的釬料連接鋁導(dǎo)線和連接金具，鋁導(dǎo)線型號(hào)為JKLYJ-10，橫截面積為10 mm2，連接金具型號(hào)為DL-10，適用于橫截面積為10 mm2的鋁導(dǎo)線連接。連接步驟如下：鋁導(dǎo)線去除絕緣層，在鋁導(dǎo)線表面和連接金具內(nèi)壁涂敷助焊劑，并在連接金具內(nèi)部放置釬料；將鋁導(dǎo)線和連接金具置于感應(yīng)加熱設(shè)備中，升溫至270 ℃，待釬料熔化后，將鋁導(dǎo)線插入連接金具中,保溫5 min，再自然冷卻。

將鋁導(dǎo)線與連接金具軟釬焊連接頭橫向切開(kāi)，用1200#砂紙打磨，清洗，采用XL30ESEM型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察接頭的界面形貌。采用MTS Landmark型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭的拉伸性能，拉伸速度為5 mm·min-1。根據(jù)GB/T 2317-2008，搭建SLQ-2000A大電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，利用優(yōu)利德UT325型溫度測(cè)試儀測(cè)定接頭的溫升，加載電流為150 A，采用K型熱電偶測(cè)定溫度，進(jìn)行5組平行試驗(yàn)取平均值。

圖1 SLQ-2000A大電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意Fig.1 Diagram of SLQ-2000A large current experiment platform

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 釬料的熔化特性

由表1可知：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%2.5%的鉍后，Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料的熔點(diǎn)降低，熔程增大，但變化幅度均較??；隨著鉍含量的增加，釬料的起始溫度、終止溫度略微降低，每增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的鉍，釬料的熔點(diǎn)下降約1 ℃，熔程總體呈增大趨勢(shì)。釬料熔點(diǎn)降低，有利于降低連接工藝中加熱設(shè)備的功耗；熔程變大，說(shuō)明半固態(tài)溫度區(qū)間變大，熔化過(guò)程中釬料易形成糊狀，最終會(huì)影響熔池的流動(dòng)性。

表1 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的熔點(diǎn)Table 1 Melting point of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.2 釬料的電導(dǎo)率

由圖2可知，鉍元素的添加降低了釬料的電導(dǎo)率，且隨著鉍含量的增加，電導(dǎo)率持續(xù)下降。影響金屬電導(dǎo)率的因素包括化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及物相[17]。Sn-0.7Cu-1Zn合金鑄態(tài)組織包括Sn-Zn、Sn-Cu及Cu-Zn相，添加的鉍會(huì)固溶于錫形成Bi-Sn相；鉍原子的相對(duì)原子質(zhì)量為208.98，其固溶會(huì)導(dǎo)致錫的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，電子散射增大，電導(dǎo)率下降[18]。

圖2 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的電導(dǎo)率隨鉍含量的變化曲線Fig.2 Variation curve of conductivity vs Bi content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

2.3 釬料的潤(rùn)濕性

由圖3可知：Sn-0.7Cu-Zn合金釬料未發(fā)生明顯鋪展，仍呈小球狀，說(shuō)明其與母材的潤(rùn)濕性能較差，添加鉍元素后，釬料在母材上均發(fā)生了一定的鋪展，說(shuō)明鉍元素的添加能夠提高釬料與母材的潤(rùn)濕性能。由圖4可知，隨著鉍含量的增加，釬料的鋪展面積先增大后減小，當(dāng)鉍含量為1.0%時(shí)，鋪展面積最大，達(dá)63 mm2。鉍元素的添加可以降低Sn-0.7Cu-1Zn合金熔體的表面張力，使得其在鋁合金母材上的鋪展面積增加；但鉍含量過(guò)多會(huì)增大合金的熔程，影響熔體的流動(dòng)性，使得鋪展面積減小。

圖3 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料在母材上的鋪展形貌Fig.3 Spreading morphology of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder on base metal

圖4 Sn-0.7Cu-1Zn-xBi合金釬料的鋪展面積隨鉍含量的變化曲線Fig.4 Variation curve of spreading area vs Bi Content of Sn-0.7Cu-1Zn-xBi alloy solder

鋁導(dǎo)線電力連接頭主要通過(guò)增加導(dǎo)線與金具之間的接觸面積來(lái)降低接觸電阻。釬料的潤(rùn)濕性越好，鋪展面積越大，導(dǎo)線與金具的接觸面積越大，接觸電阻越小。雖然鉍元素的添加會(huì)降低Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料的電導(dǎo)率，但是在一定范圍內(nèi)提高了釬料的潤(rùn)濕性能。綜合來(lái)看，鉍元素的最佳含量為1.0%，此時(shí)釬料的電導(dǎo)率適中，潤(rùn)濕性能最好。

2.4 電力連接頭截面微觀形貌

由圖5知：Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料基本與鋁導(dǎo)線外表面完全接觸，與連接金具內(nèi)壁緊密接觸(區(qū)域A)，潤(rùn)濕效果較好；在釬料與鋁導(dǎo)線接觸界面上，部分區(qū)域(區(qū)域B)潤(rùn)濕效果較好，也有部分區(qū)域(區(qū)域C和區(qū)域D)接觸面上出現(xiàn)一層亮白色物質(zhì)，推測(cè)是焊接后的殘留物，原因是在連接過(guò)程中，少部分助焊劑沒(méi)有及時(shí)排出。

圖5 Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊后鋁導(dǎo)線連接頭橫截面的微觀形貌Fig.5 Cross section micro morphology of aluminum wire connector after brazing with Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi alloy solder: (a) low magnification morphology; (b) enlarged view of region A; (c) enlarged view of region B; (d) enlarged view of region C and (e) enlarged view of region D

2.5 電力連接頭的拉伸性能

由圖6可以看出，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊后鋁導(dǎo)線接頭的最大拉力為1 079 N，達(dá)到鋁導(dǎo)線計(jì)算拉斷力(根據(jù)鋁材料的抗拉強(qiáng)度和橫截面積計(jì)算)的83%，符合GB/T 2314-2008中絕緣線用線夾的最大拉力應(yīng)不小于導(dǎo)線計(jì)算拉斷力的65%的要求。鋁導(dǎo)線出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，但鋁導(dǎo)線與金具之間的連接部位基本無(wú)變化。這說(shuō)明鋁導(dǎo)線與連接金具之間連接緊密，連接處的拉斷力大于鋁導(dǎo)線的實(shí)際拉斷力；當(dāng)其他部位鋁導(dǎo)線出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象時(shí)，電力連接頭仍然可靠。

2.6 電力連接頭的溫升

由表2可知，采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi釬料連接的鋁導(dǎo)線連接頭的溫升比傳統(tǒng)壓縮連接方式的低18.3%，說(shuō)明采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi釬料連接鋁導(dǎo)線能夠改善鋁導(dǎo)線連接頭的發(fā)熱問(wèn)題。

表2 在150 A電流下軟釬焊連接和壓縮連接鋁導(dǎo)線連接頭的溫升Table 2 Temperature rise of aluminum wire connectors by soft brazing and compression connection at 150 A current

3 結(jié) 論

(1) 鉍元素的添加對(duì)Sn-0.7Cu-1Zn合金釬料熔點(diǎn)和熔程的影響較小，但降低了其電導(dǎo)率，提高了其在鋁表面的潤(rùn)濕性；隨著鉍含量的增加，釬料的電導(dǎo)率下降，在鋁表面的鋪展面積先增后降，當(dāng)鉍含量為1.0%時(shí)的電導(dǎo)率適中，鋪展面積最大，潤(rùn)濕性最好。綜合考慮電導(dǎo)率和潤(rùn)濕性，確定鉍的最佳含量為1%。

(2) 采用Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊鋁導(dǎo)線和連接金具，釬料與鋁導(dǎo)線外表面基本實(shí)現(xiàn)完全接觸，和連接金具內(nèi)壁緊密接觸；Sn-0.7Cu-1Zn-1Bi合金釬料釬焊連接頭的最大拉力達(dá)到鋁導(dǎo)線計(jì)算拉斷力的83%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，溫升比傳統(tǒng)壓縮連接方式的低18.3%，說(shuō)明軟釬焊連接能夠改善鋁導(dǎo)線連接頭的發(fā)熱問(wèn)題。