耿进锋1 沈元勋2 王忠强3 许江晓1 汪 毅1 聂京凯4 龙伟民2
(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；2.郑州机械研究所 新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001；3.国网河南省电力公司，郑州 450018；4.全球能源互联网研究院，北京 102211)
摘要 以一种新型接地网材料——不锈钢包钢复合材料为被焊母材，采用市售、进口以及自主研发的三种铝热焊粉，实施铝热焊接，对接头界面组织及其形成机理进行了系统研究。结果表明，三种焊粉焊接接头界面组织结构类似，接头界面形成Cu(s,s)/Cu(s,s)+Fe(s,s)/Fe(s,s)的过渡组织界面，Cu基体内存在粒状、离散分布的富Fe相，其形成机理为钢在铝热焊粉反应后生成的高温铜液作用下熔化，随后在原子溶解、扩散共同作用下形成。铝热焊粉中添加活性剂粉末可以有效净化铜液，提高铜液流动性，有利于气体排出从而消除气孔缺陷。添加萤石粉、硅钡钙等造渣剂则可显著增强造渣、排渣作用。
关键词： 不锈钢包钢复合材料 铝热焊 焊粉 界面组织
铝热焊相比电焊、钎焊、压接等其它连接工艺，具有高效率、高质量、熔接点截流能力强、永久分子结合等诸多优点，广泛用于接地装置的连接[1-5]。长期、可靠、安全的接地网系统是维护电力系统稳定运行、保障人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，而接地系统可靠运行的关键环节在于接地材料的高可靠连接。近年来，镀锌钢、镀铜钢、敷碳钢以及不锈钢包钢等新型接地材料逐步推广，对接地网可靠连接提出了更高的要求[6]。
铝热焊是目前接地网应用最广的连接方式之一。接地网铝热焊接技术开发的关键在于原材料品级调控、焊粉成分优化以及模具研制。目前，国内在铝热焊焊粉开发方面研究薄弱，其对熔接质量的影响机理尚不清楚，现场施工出现各种焊接质量问题缺乏理论分析依据和解决措施，急需开展接地网铝热焊专用焊粉及熔接机理研究。
文中针对一种新型耐腐蚀接地网材料即不锈钢包钢复合材料，以市售铝热焊粉、进口铝热焊粉以及自制铝热焊粉焊接接头为研究对象，通过界面组织、元素扩散行为分析以及熔接机理阐述，为高品质铝热焊粉的开发提供基础理论与参考数据。
试验采用的新型接地网材料为不锈钢包钢复合棒材，是由优质碳素钢专用棒材和特制不锈钢管两部分组成，外皮不锈钢管厚度T为0.5 mm，芯部碳素钢直径d为19 mm，试样尺寸为φ20 mm × 12 mm。
采用三种不同铝热焊粉，分别为国内市售普通铝热焊粉、进口WeldTech铝热焊粉以及自制专用铝热焊粉。自制铝热焊粉以Al粉、CuO和Cu2O粉末为基体，添加活性剂、萤石粉、硅钡钙等微量元素。铝热焊所用模具、焊接工艺方法如前文[8]所述。
将焊接接头沿接头中心区域切割、剖开并取样进行金相样品制备，抛光后采用Phenom PW100-018型扫描电镜对接头组织形貌进行分析。
2.1 不同铝热焊粉焊接接头成形质量宏观分析
对三种不同铝热焊粉焊接不锈钢包钢接头的截面形貌进行分析。图1为进口WeldTech铝热焊粉与市售普通铝热焊粉接头截面形貌；图2为自制铝热焊粉焊接接头截面形貌。可以看出，市售焊粉焊接接头内部出现大量气孔和夹杂物，且气孔呈环形均匀分布在铜体内部。
自制焊粉与进口焊粉可以获得较好的焊接接头，并且与市售焊粉相比焊接质量有较大改观，接头内部基本未出现明显气孔、夹杂缺陷。
图1 进口焊粉与市售铝热焊粉焊接接头截面形貌
图2 自制铝热焊粉焊接接头截面形貌
2.2 普通铝热焊粉接头界面组织分析
图3为普通市售铝热焊粉焊接接头界面SEM形貌及合金元素面扫描分布图。从图3a可以看出，接头熔合界面较为完整，Fe与Cu之间存在较为明显过渡区域；从图3b和图3c可知，该过渡区域Fe，Cu元素富集。依据Fe-Cu二元相图，该区域应为Cu在Fe中的固溶体组织。此外，该过渡区域存在黑色相，能谱分析表明Fe，Cu，Al，O含量较高，推测为Fe，Cu，Al的氧化物夹杂。Cu侧近界面形成离散分布的富Fe粒状组织。同时，Al，O的面扫描分布结果表明接头Cu侧区域存在细小粒度的Al2O3夹杂物。从图1接头宏观照片可以看出，这种夹杂物在接头芯部环形气孔富集区以及接头近外表面区域更多。
2.3 进口焊粉接头界面组织分析
图4为采用进口焊粉铝热焊接接头界面SEM形貌。接头界面Cu,Fe之间形成明显过渡区。对界面不同相组织进行了能谱分析，结果表明Cu侧基体(标记点1)主成分Cu含量84%(原子分数)，同时含有微量Fe，Ni，Al等合金元素，推断其相组织为富Cu固溶体。Cu侧基体分布游离状富Fe相，如标记2所示。Cu，Fe界面过渡区基体组织为Fe(Cu)基固溶体，如图4标记3所示。过渡区基体上分布少量富Cu相，如标记4所示，由此可以推断Cu，Fe界面过渡区域为Fe基固溶体和Cu基固溶体的混合组织。这种界面组织与Cu/Fe钎焊或熔焊界面组织类似[9-10]。
图3 市售焊粉焊接接头SEM形貌及元素面扫描分布
图4 进口焊粉焊接接头界面SEM形貌
2.4 自制铝热焊粉接头界面组织
图5为自制铝热焊粉焊接不锈钢包钢接头界面组织形貌。接头界面组织结构与上述两种接头界面结构相似，熔接界面完好，无缺陷。Cu，Fe界面出现明显过渡扩散区，界面元素线扫描分析结果如图5b所示，合金元素分布趋势与进口焊粉焊接接头元素分布基本一致。另外，Cu侧基体内含有一定量的Al。与纯铜相比，CuAl合金具有更好的耐腐蚀性能，因此接头具有较好的耐腐蚀性能[11]。
2.5 铝热焊接头界面组织形成机理
铝热焊粉接头内部出现气孔、夹杂缺陷的根本原因在于焊粉的除氧、排气、排渣能力不足，这些缺陷的消除解决措施应当以除气、排渣和提高铜液流动性为主导思路。根据铝热焊原理，Al与CuO和Cu2O均可发生化学反应，其化学反应方程式为：
图5 自制焊粉焊接接头界面组织形貌及元素线扫描分布
3CuO+2Al→3Cu+Al2O3 ΔH=1 210 kJ
(1)
3Cu2O+2Al→6Cu+Al2O3 ΔH=1 060 kJ
(2)
Al与CuO反应生成热量较高，反应剧烈但铜液量相对较少，而Al与Cu2O反应热量稍低但铜液量较大。对于铝热焊粉的研制，单一的Al粉和CuO粉或Al粉与Cu2O粉的成分搭配并不能完全满足铝热焊的技术要求。铝热焊粉在引燃剂的催化作用下发生化学反应，充分反应后生成的高温铜液在模具腔道的引流作用下，全方位快速流入熔接腔内，不锈钢包钢在瞬间高温作用下溶解，Cu，Fe在熔接界面溶解、互扩散，形成Cu(s,s)/ Cu(s,s)+ Fe(s,s)/Fe(s,s)过渡界面，然后包裹、凝固后形成熔接接头。文中研制的铝热焊粉以Al粉、CuO和Cu2O粉末为基体，添加含P活性剂粉末，利用P的还原作用可以有效去除反应铜液内的氧气[12]，净化铜液，提高铜液流动性，更有利于气体排出从而消除气孔缺陷。
铝热焊接头内部夹杂主要为氧化铝残渣。铝热反应引燃后，氧化铝在反应腔内随即生成，铜液流入型腔，完全反应后的氧化铝在反应腔内形成残渣。接头内部出现氧化铝夹杂物，说明铝热焊粉排渣能力不足，部分氧化铝残渣随着铜液流入熔接腔内形成夹杂。文中自制的铝热焊粉以萤石粉为造渣剂，添加硅钡钙辅助熔剂显著增强了造渣、排渣作用。图6为自制铝热焊粉反应后形成的完整杯状残渣。
图6 铝热焊接接头形成的完整杯状残渣
(1)铝热焊接不锈钢包钢接头出现气孔、夹杂缺陷的根本原因在于焊粉的除氧、排气、排渣能力不足。
(2)焊接接头界面组织为Cu(s,s)/ Cu(s,s)+ Fe(s,s)/Fe(s,s)过渡界面，Cu，Fe界面形成富Cu和富Fe相混合区，Cu侧基体存在粒状、离散分布的富Fe相，其形成机理为铝热焊粉反应后形成的高温铜液使得钢熔化，在原子溶解、扩散作用下形成上述特点界面组织。
(3)铝热焊粉的研制以Al粉、CuO和Cu2O粉末为基体，添加活性剂粉末可以有效净化铜液，提高铜液流动性，有利于气体排出从而消除气孔缺陷。添加萤石粉、硅钡钙等造渣剂显著增强了造渣、排渣作用。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册第1卷:焊接方法及设备[M]. 北京:机械工业出版社，2008.
[2] 王 鹏.水电站永久接地网的放热焊接工艺[J].水利水电施工，2008(3): 62-64.
[3] 魏常信,关金锁.WTWELD放热焊接工艺在电网直流工程接地设施中的应用[J].中国新技术新产品，2009(7):112-115.
[4] 韩 钰,聂京凯.接地装置连接用放热焊粉研制及接头性能研究[J].电力建设，2011，32(1):91-93.
[5] 侯昌明.放热焊接法在变电站接地网中的应用[J].电工材料,2006(3):26-28.
[6] 胡志成.铝热焊焊接过程中的常见问题及对策[J].上海铁道科技，2008(4):56-61.
[7] 吕大鹰.新材料与新技术在电力接地系统中的应用[J]. 能源工程，2009(6):49-53.
[8] 许江晓，胡锋涛，汪 毅，等. 不锈钢包钢复合材料铝热焊接试验研究[J]. 焊接，2014(11):24-28.
[9] Molleda F，Mora J，Molleda J R，et al. Copper coating of carbon steel by a furnace brazing process using brass as the braze[J]. Materials Characterization，2008，59(5): 613-617.
[10] Zhang Y F，Huang J H，Chi H，et al. Study on welding-brazing of copper and stainless steel using tungsten/metal gas suspended arc welding[J]. Materials Letters，2015，156: 7-9.
[11] 郑 峰. 铜与铜合金速查手册[M]. 北京：化学工业出版社， 2008.
[12] 张启运，庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京:机械工业出版社，2008.
中图分类号： TG451
收稿日期： 2017-05-15
作者简介： 耿进锋，1979年出生，高级工程师。主要研究方向为电力设备安全评估、工程力学及焊接技术研究，已发表论文10余篇
联系客服
