接地镀锌钢放热焊接头组织性能研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 1 7 年0 4 月 矿 冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 矾E E R 矾G V 0 1 ．3 7 №2 A p i l l2 0 1 7 接地镀锌钢放热焊接头组织性能研究① 胡加瑞，李文波，刘纯，龙毅，谢亿 国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙4 1 0 0 0 7 摘要对不同焊粉制成的镀锌钢放热焊接头进行了宏观检查、抗拉试验、成分分析及电导率试验，并结合行业规范对试验结果进 行了分析。结果表明，焊剂的成分、粒度、微观形貌直接影响接头的组织性能。c u 含量大于8 5 ％、A I 含量不大于3 ．6 ％、粒度在2 0 0 ～3 0 0p a n 的焊剂可以满足镀锌钢地网接头质量要求，可以保证输变电工程安全运行。 关键词镀锌钢；放热焊接；焊接头 中图分类号T M 7 2 7文献标识码B d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 3 3 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 7 0 2 0 1 3 3 0 3 M i c r o s t r u e t u r ea n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fE x o t h e r m i cW e l d i n gJ o i n t s o fG r o u n d i n gG a l v a n i z e dS t e e l H UJ i a m i ，L IW e n b o ，L I UC h u n ，L O N GY i ，X I EY i E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S t a t eG r i dH u n a nE l e c t r i cP o w e rC o m p a n y ，C h a n g s h a4 1 0 0 0 7 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ee x o t h e r m i cw e l d i n gj o i n t so fg a l v a n i z e ds t e e lw e l d e du s i n gd i f f e r e n ts o l d e rp o w d e rw e r ei n v e s t i g a t e db y m a c r oo b s e r v a t i o n ，t e n s i l et e s t ，c o m p o s i t i o na n a l y s i sa n dc o n d u c t i v i t yt e s t ．T h et e s tr e s u h sw e r ea n a l y z e db a s e do nt h e i n d u s t r ys t a n d a r d s ．R e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p o s i t i o n ，p a r t i c l es i z ea n dm i c r o - m o r p h o l o g yo ft h es o l d e rh a v ead i r e c t i m p a c to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ej o i n t s ．T h es o l d e rw i t hC uc o n t e n tm o r et h a n8 5 ％a n dA 1 c o n t e n tn om o r et h a n3 ．6 ％a n dp a r t i c l es i z eo f2 0 0 3 0 0 斗mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ej o i n tq u a l i t yo fg a l v a n i z e d s t e e lg r o u n dg r i d ，e n s u r i n gs a f eo p e r a t i o no fp o w e rt r a n s m i s s i o np r o j e c t ． K e yw o r d s g a l v a n i z e ds t e e l ；e x o t h e r m i cw e l d i n g ；w e l d e dj o i n t 接地网由于其隐蔽性和特殊性，材料的选择及施 工工艺一直是设计人员考虑的重点屯J 。目前主要的 接地材料为镀锌钢及镀铜钢∞‘4J 。镀铜钢接地材料已 经得到了广泛应用，其焊接主要采用放热焊接，放热焊 接的焊粉主要成分为C u 0 、A 1 ，它利用活性较强的铝 把氧化铜还原，整个过程需时很短，产生热量极高，反 应温度可达25 3 7 ℃，可以有效传导至熔接部位使熔 接剂、焊材紧密熔为一体，形成分子结合∞一7J 。镀铜钢 的放热焊接已经较为成熟，但目前镀锌钢在输变电工 程中的应用仍占绝大多数，特别是输电线路；在一些山 区或焊机难以运达的地区，镀锌钢的焊接施工十分困 难，放热焊接有较大的优势，可大大节省工时及工作 量‘8 - 1 0 ] 。 本文分析了影响镀锌钢焊接头组织性能的主要因 素，对镀锌钢的放热焊接施工以及确保输变电工程的 安全运行具有借鉴意义。 1 实验 放热焊粉成分如表1 所示，其中1 8 为进口产品，2 。 为国内厂家生产。试验用母材为3 0 0m mx4 0m l n 2 0m m 的Q 2 3 5 镀锌钢板，先用丙酮擦除焊件表面油 污，随后对镀锌钢板的前端3 0m m 镀锌层进行打磨， 直到露出金属光泽为止。然后对母材和模具进行预 热。将钢板进行对接放热焊，焊接完成后对模具及接 头表面进行清理。在德国产P L O Y V E R M E T 大型金 相显微镜下观察接头的金相组织；在P h i l i p sS i r i o n2 0 0 场发射扫描电镜上进行显微组织的观察与分析；在材 表1 焊剂成分 质量分数 ／％ ①收稿日期2 0 1 6 - 1 0 - 2 6 基金项目国家电网公司总部科技项目 K G l 2 K 1 6 0 0 4 作者简介胡加瑞 1 9 8 4 - ，男，河南新乡人，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统金属部件失效分析。 万方数据 矿冶工程第3 7 卷 料电子万能试验机C S S - 4 4 1 0 0 上进行室温拉伸实验， 测定其抗拉强度和抗弯性能，拉伸速度为2m m ／m i n 。 2 实验结果及讨论 2 ．1 焊剂微观形貌 焊剂微观形貌如图l 所示。由图1 可见，l 。焊剂 中一部分颗粒为类球状，另一部分颗粒为不规则片状， 类球状与片状颗粒分布较均匀，E D S 结果 见表2 表 明，球状颗粒为C u 0 ，粒度分布较集中，片状颗粒为 A l 。2 。焊剂中颗粒均为不规则片状，其中较大的片状 颗粒多为A l ，较小的片状颗粒为C u 0 。放热焊接中， 主要为C u 0 、A I 反应，球状颗粒的C u 0 由于表面积 较大，相较于片状C u 0 ，将有利于瞬时放热反应的充 分进行。 图I 焊剂微观形貌 a 14 焊剂； b 2 。焊帮 表2E D 分析结果 原子分数 ／％ 2 ．2 接头外观检查 样品的接头外观如图2 所示。由图2 可见，1 ’接 图2 接头表面形貌 a l4 接头； b 2 4 接头 头在焊渣被清除后连接冒口处高度低于母材，2 4 接头 外表面平滑，无气孔、裂纹等缺陷。对接头表面进行磨 光，接头内部气孔如图3 所示。可见1 。接头内部有大 量气孔，且部分气孔为贯穿性气孔。参照Q ／G D W 4 6 7 - 2 0 1 0 { 接地装置放热焊技术导则的规定要求，其 剖面气孔率不得大于5 ％，该接头的气孔率约为2 5 ％一 3 5 ％，远大于标准要求。2 8 接头内部无明显气孔，且剖 面气孔率低于5 ％。 图3 接头内部气孔 a 14 接头； b 2 “接头 2 - 3 接头成分检测 接头表面成分检测结果如表3 所示。其中1 8 接 头C u 含量为6 4 ．3 ％，A I 含量为2 6 ．8 ％。该种焊剂铜含 量较低，参照Q ／G D W 4 6 7 2 0 1 0 ⋯o 的规定要求，焊剂中 C u 含量须不低于7 6 ％、铝含量不大于4 ％。在放热焊 过程中，还原反应生成的c u 由于密度较大，快速向下 沉积，起到包裹钢材的作用。若焊剂中c u 含量过低， 可能会导致焊接过程中温度不够、接头焊接质量下降、 气孔增多、电阻率上升等问题。 表3 焊缝成分检测 质量分数 ／％ 2 ．4 力学性能试验 接头力学性能试验结果如表4 所示。其中1 ”接 头抗拉强度为2 3 1M P a ，仅为母材强度的4 5 ．1 ％，说明 接头的力学性能与基体相比有较大下降，同时其抗弯 性能较差，在弯曲过程中出现脆断。2 8 接头抗拉强度 为4 2 8M P a ，抗拉强度大于基材强度的9 0 ％，接头的强 度较高。弯曲后的断口如图4 所示，可见l 。接头内部 有贯穿性的气孔及夹杂；2 。接头无气孔、夹杂等缺陷， 与基体的结合良好。2 ”接头弯曲后形貌如图5 所示， 接头未出现断裂。 万方数据 第2 期 胡加瑞等接地镀锌钢放热焊接头组织性能研究 表4 接头力学性能试验结果 图4 焊缝断面形貌 a 14 接头； b 2 “接头 图52 8 接头弯曲后形貌 2 ．5 显微组织观察 接头显微组织如图6 所示。由图6 可见，l4 接头中 鎏 图6 接头显微组织及形貌 a 14 接头； I 2 4 接头 有较多的气孑L ，其组织为富C u 相及颗粒状分布的富 铝相，且富铝相的颗粒大小不一、分布不均匀；接头与 母材的熔合线较直，母材与焊剂形成的结合程度较低， 主要为物理结合，无明显过渡层，并存在微观裂纹及微 小气孔。2 4 接头的组织明显改善，其中富铝相减少且 分布更加均匀，气孔大幅减少；同时熔合线附近扩散程 度较高，界面存在一定的冶金结合，这将有助于提高接 头的强度和韧性。 2 ．6 直流电阻 焊接接头的直流电阻值均低于母材即镀锌钢板的 直流电阻值，其中l ”样品直流电阻值为镀锌钢板的 9 8 ％，2 ”样品为镀锌钢板的9 2 ％。 2 ．7 焊接接头热稳定性能及承载短路电流性能 根据I E E E s t d 8 0 - 2 0 0 0 标准，钢接地装置的热稳定 系数C 7 0 ，纯铜的热稳定系数C 2 1 0 ，本焊接接头材 料的热稳定系数应介于两者之间。接地材料所需的最 小截面积S 。与电流，、短路时间z 的关系为 S g ≥咎 ㈩ 式中s 。为接地引下线的最小截面积，m m 2 ；‘为流过 接地引下线的短路电流稳定值 根据系统5 1 0 年发 展规划，按系统最大运行方式确定 ，A ；t 。为短路电流 的等效持续时间，s ；c 为接地引下线材料的热稳定系 数，根据材料种类、性能及最高允许温度和短路前接地 引下线的初始温度确定。 焊接接头的截面积大于镀锌钢板的截面积，同时 其热稳定系数高于镀锌钢板，可知接头的热稳定性及 承载短路电流能力皆优于接地网的母材镀锌钢板。 3 结论 1 放热焊接接头的组织性能与焊剂成分、微观形 貌、粒度直接相关，焊剂中片状A l 颗粒含量偏高将导 致接头中存在夹杂及气孔，片状C u 0 颗粒的存在也 将造成接头性能恶化。 2 C u 含量大于8 5 ％、A 1 含量不大于3 ．6 ％、粒度 2 0 0 ～3 0 0 m 的焊剂可以满足镀锌钢地网接头质量 要求。 参考文献 [ 1 ] 刘云玲．变电站接地网存在的问题及改造措施[ J ] ．腐蚀与防护， 2 0 0 7 9 4 7 3 4 7 5 ． [ 2 ] 何金良，曾嵘，高延庆．电力系统接地技术研究进展[ J ] ．电力 建设，2 0 0 4 ，2 5 6 卜3 ． [ 3 ] 刘午阳，张蔼忱．变电站钢接地网与铜接地网的经济性比较[ J ] ． 河北电力技术，2 0 0 7 ，2 6 4 1 6 1 7 ． 下转第1 3 9 页 万方数据 第2 期周亮等抗电磁辐射碳纤维复合吸波材料优化设计与制备 1 3 9 镍及其吸波性能[ J ] ．炭素技术，2 0 1 1 ，3 0 1 2 7 3 0 ． [ 6 ] 吴红焕，王晓艳，张玲，等．碳纤维吸波材料的研究进展[ J ] ．材 料导报，2 0 0 7 ，2 1 5 1 1 5 - 1 1 7 ． [ 7 ]陈小凤，赵伯琳，高正平．单一定向铁纤维吸波涂料电磁参数的计 算[ J ] ．磁性材料及器件，2 0 0 3 ，3 4 4 2 3 2 5 。 [ 8 ] 何燕飞，龚荣洲，王鲜，等．蜂窝结构吸波材料等效电磁参数和 吸波特性研究[ J ] ．物理学报，2 0 0 8 ，5 7 8 5 2 6 1 5 2 6 3 ． [ 9 ] 周珑，王天民，杜心康，等，M o A 1 2 0 3 金属陶瓷颗粒膜的光学常 数研究[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 7 ，3 6 5 8 2 5 8 2 8 ． [ 1 0 ] 邓跃龙，蒋练军，贾平，等．基于亚铁磁材料一Y I G 的双负电磁 特异材料的设计及电磁特性研究[ J ] ．长沙铁道学院学报 社会 科学版 ，2 0 1 1 ，1 2 1 2 2 5 2 2 8 ． [ 1 1 ] 缪秀平．具有组分梯度的复合体系的介电响应[ J ] ．镇江高专学 报，2 0 1 0 ，2 3 1 4 3 - 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