一种提高铝合金管型母线焊接接头电导率的焊接方法

摘要

本发明公开了一种提高铝合金管型母线焊接接头电导率的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将坡口加工成V形，坡口角度为80～100°，根部不留间隙；2)对焊丝表面和待焊工件表面进行清理；3)采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为8L/min‑15L/min，电弧电压为18～22V，焊接电流为140A‑300A；4)进行焊后热处理，消除焊接残余应力。本发明采用钨极氩弧焊焊接工艺完成管型母线焊接，通过合理优化工艺参数，有效提高了铝合金管型母线的机械性能及导电性，使得焊接接头具有较高电导率，保证了铝合金根部质量。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金焊接技术领域，具体涉及一种提高铝合金管型母线焊接接头电导率的焊接方法。

背景技术

铝合金管型母线主要应用于输变电设备中导体连接、输电线路跳线、电力设备导体连接以及融冰装置中作过流导体，是电力输变电系统中关键的设备之一。焊接技术是变电站铝合金管型母线其主要安装方法，由此形成的铝合金管型母线焊接接头质量对输变电系统及电力设备的安全可靠运行具有重要作用。

随着近年来超高压、特高压技术的发展，电网电压等级不断提高，铝合金管型母线的材质、规格也在不断提升，大管径厚壁管型母线管型母线逐步获得了应用。由于铝合金管型母线焊缝金属一般合金元素含量较高，而且常常存在气孔等缺陷，其电导率同母材相比一般较低。电导率较低带来的直接影响为电能损耗，尤其对于变电站而言，铝合金管型母线焊接接头数量众多，由此导致的电能损耗成为不可忽视的一点。此外电导率较低还可能给线夹等金具焊接接头带来发热风险，影响铝合金管型母线安全运行。

对于固溶体而言ρ＝χ_aρ_b+χ_aρ_b+Cχ_aχ_b，其中ρ为电阻率，χ_a，χ_b为原子百分比，ρ_a，ρ_b为两种纯物质对应的电阻率，C为比例常数，在铝合金焊丝制造中Al固溶体含有的元素一般为Mg，Si等，均具有较高的电阻率，因此会增加焊缝的电阻带来电导率的下降。而对于两相合金电导率具有如下关系：ρ＝χ_αρ_α+χ_βρ_β，其中ρ为合金电阻率，χ_α和χ_β分别为α，β的相含量，可以看出合金的电导率复合线性混合定律，对于铝合金焊缝，其物相主要为α-Al，其他可能出现的物相包括Mg₂Si以及β’，β”强化相，该类强化相的导电能力均较低。通过上述分析可以看出对于铝合金焊缝，较高的合金元素添加以及其他物相的产生均会带来电导率的下降。此外，目前铝合金管型母线常采用增加衬管的方式来保证根部焊接质量，这样势必导致焊接工艺复杂，并增加了材料成本。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种提高铝合金管型母线焊接接头电导率的焊接方法，本发明采用钨极氩弧焊焊接工艺完成管型母线焊接，同时通过合理优化工艺参数，使得焊接接头具有较高电导率，保证了铝合金根部质量，同时取消衬管使用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高铝合金管型母线焊接接头电导率的焊接方法，具体步骤为：

1)将坡口加工成V形，坡口角度为80～100°，根部不留间隙，坡口角度较大，间隙大，从而克服母材易产生气孔和未融合的缺陷；

2)对焊丝表面和待焊工件表面进行清理，去除表面氧化膜、油脂和灰尘；

3)采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为8L/min-15L/min，电弧电压为18～22V，焊接电流为140A-300A；

4)焊后热处理，焊接完成后立即将被焊件放置在加热装置内，热处理温度上升速度为150～300℃/h，在330-380℃温度范围保温40min-2h，完成保温后随加热装置缓慢冷却至室温。

优选的，所述铝合金管型母线为6063铝合金管型母线，规格为Φ110mm×10mm；

优选的，本发明步骤(3)采用钨极氩弧焊进行焊接前对坡口及其两端进行预热，加热温度为150～180℃，保温时间为0.5-1h；预热温度过低，预热效果差，焊接过程中易产生裂纹；预热温度过高，容易导致焊接接头力学性能下降；

优选的，本发明所述焊接方法还包括：步骤(5)磨光焊缝表面，利用X光无损探伤检验和导电率测试；

优选的，所述坡口角度为90°；

优选的，所述焊丝表面和待焊工件表面清理方式具体为：采用不锈钢钢丝刷对待焊工件表面以及焊丝表面进行清理，之后采用丙酮进行清洗，擦拭待焊工件铝合金表面时需使用工业擦拭纸，防止采用其他会遗留纤维的材料，防止氧化膜产生，以防对焊接过程带来不利影响；

优选的，所述焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为10～13L/min，电弧电压为19～20V，焊接电流为190～200A；上述焊接工艺参数，能够有效保证较高的输入热量，延长熔池的存在时间，改善根部的焊透程度，增强熔池的搅动，有效避免气泡及裂纹产生，同时也避免因高温造成焊缝成型不良，造成塌陷、烧穿等缺陷，切实保障焊接质量；

优选的，选用Al-Si系焊丝作为填充材料，焊丝直径为5～10mm；焊丝中的化学元素的质量百分比(wt.％)如下：Si含量4％～6％，Ti，0.1％-0.25％，Mg≤0.1％，Fe≤0.04％，Cu≤0.05％，余量为Al。本发明焊丝以Al-Si为基础成分，具有良好流动性，因此可显著提高焊接操作工艺性，改善焊缝的成形，降低焊接接头软化现象；Ti元素可以抑制Fe，Si金属间化合物有害相的形成，细化合金晶粒，改善焊缝的力学性能；从而提高焊接接头的电导率；

优选的，所述焊后热处理具体为：采用柔性陶瓷电阻片加热，以焊缝为中心，在两侧3～5倍壁厚位置覆盖柔性陶瓷电阻片，在柔性陶瓷电阻片上覆盖保温棉；将热电偶布置于焊缝中心位置，监控热处理温度；热处理温度上升速度为200～250℃/h，在350-370℃温度范围保温1h-1.5h，完成保温后在覆盖保温条件下焊缝缓冷至室温，降温速度≤100℃/h。经过上述焊后热处理，从而有效消除焊接残余应力，进一步提高了铝合金管型母线的机械性能及导电性。

上述焊接方法焊接得到的铝合金管型母线焊接接头。

由于铝合金导热性强，热熔量大；线膨胀系数大，且易形成氧化膜，因此焊接时氧化膜易吸附水分，形成气孔，进而出现夹渣、未熔合等缺陷，在降低焊接接头机械性能的同时，(α+β)二元共晶相增多，导致焊接接头电导率下降。

基于此，本发明提出了采用钨极氩弧焊焊接工艺完成管型母线焊接，各步骤协同配合，采用具有良好流动性以及焊接工艺性能的Al-Si系焊丝，通过调整和添加微量合金元素，配合优化后的焊接工艺，有效可以保证铝合金根部质量，取消衬管使用，切实提高了管型母线的焊接质量，有效避免气孔、夹渣、未熔合等缺陷产生，从而减少(α+β)二元共晶相，有效提高了铝合金焊接接头的塑性延伸强度、抗拉强度等机械性能，同时铝合金电导率也得到明显提高。

附图说明

图1为铝合金管型母线坡口角度示意图；

图2为铝合金管型母线焊接接头拉伸和弯曲试样。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

焊接用母材为6063铝合金管型母线，规格为Φ110mm×10mm，退火态。

具体焊接方法如下：

1)将坡口加工成V形，坡口角度为90°，根部不留间隙；

2)采用不锈钢钢丝刷对待焊工件表面以及焊丝表面进行清理，之后采用丙酮进行清洗，擦拭待焊工件铝合金表面时需使用工业擦拭纸；

3)对坡口及其两端进行预热，加热温度为170℃，保温时间为40min；而后采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为12L/min，电弧电压为20V，焊接电流为200A，选用Al-Si系焊丝作为填充材料，焊丝直径为5mm；焊丝中的化学元素的质量百分比(wt.％)如下：Si含量5％，Ti，0.15％，Mg≤0.1％，Fe≤0.04％，Cu≤0.05％，余量为Al。

4)焊后热处理，采用柔性陶瓷电阻片加热，以焊缝为中心，在两侧3～5倍壁厚位置覆盖柔性陶瓷电阻片，在柔性陶瓷电阻片上覆盖保温棉；将热电偶布置于焊缝中心位置，监控热处理温度；热处理温度上升速度为250℃/h，在370℃温度范围保温1h，完成保温后在覆盖保温条件下焊缝缓冷至室温，降温速度≤100℃/h。。

5)磨光焊缝表面，利用X光无损探伤检验和导电率测试。

获得6063铝合金管型母线焊接接头，塑性延伸强度为70MPa、抗拉强度120Mpa，经X光无损探伤检验合格，焊接接头导电率51.8IACS％，与母材(53.6IACS％)相当。

实施例2

焊接用母材为6063铝合金管型母线，规格为Φ110mm×10mm，退火态。

具体焊接方法如下：

1)将坡口加工成V形，坡口角度为80°，根部不留间隙；

2)采用不锈钢钢丝刷对待焊工件表面以及焊丝表面进行清理，之后采用丙酮进行清洗，擦拭待焊工件铝合金表面时需使用工业擦拭纸；

3)对坡口及其两端进行预热，加热温度为150℃，保温时间为1h；而后采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为8L/min，电弧电压为22V，焊接电流为300A，选用Al-Si系焊丝作为填充材料，焊丝直径为10mm；焊丝中的化学元素的质量百分比(wt.％)如下：Si含量4％，Ti，0.25％，Mg≤0.1％，Fe≤0.04％，Cu≤0.05％，余量为Al。

4)焊后热处理，采用柔性陶瓷电阻片加热，以焊缝为中心，在两侧3～5倍壁厚位置覆盖柔性陶瓷电阻片，在柔性陶瓷电阻片上覆盖保温棉；将热电偶布置于焊缝中心位置，监控热处理温度；热处理温度上升速度为150℃/h，在330℃温度范围保温2h，完成保温后在覆盖保温条件下焊缝缓冷至室温，降温速度≤100℃/h。。

5)磨光焊缝表面，利用X光无损探伤检验和导电率测试。

获得6063铝合金管型母线焊接接头，塑性延伸强度为68MPa、抗拉强度115Mpa，经X光无损探伤检验合格，焊接接头导电率49.1IACS％，与母材(53.1IACS％)相当。

实施例3

焊接用母材为6063铝合金管型母线，规格为Φ110mm×10mm，退火态。

具体焊接方法如下：

1)将坡口加工成V形，坡口角度为100°，根部不留间隙；

2)采用不锈钢钢丝刷对待焊工件表面以及焊丝表面进行清理，之后采用丙酮进行清洗，擦拭待焊工件铝合金表面时需使用工业擦拭纸；

3)对坡口及其两端进行预热，加热温度为180℃，保温时间为0.5h；而后采用钨极氩弧焊进行焊接，焊接工艺参数为：气体采用99.999％纯度氩气作为保护气体，保护气流量为15L/min，电弧电压为18V，焊接电流为180A，选用Al-Si系焊丝作为填充材料，焊丝直径为8mm；焊丝中的化学元素的质量百分比(wt.％)如下：Si含量6％，Ti，0.1％，Mg≤0.1％，Fe≤0.04％，Cu≤0.05％，余量为Al。

4)焊后热处理，采用柔性陶瓷电阻片加热，以焊缝为中心，在两侧3～5倍壁厚位置覆盖柔性陶瓷电阻片，在柔性陶瓷电阻片上覆盖保温棉；将热电偶布置于焊缝中心位置，监控热处理温度；热处理温度上升速度为180℃/h，在380℃温度范围保温40min，完成保温后在覆盖保温条件下焊缝缓冷至室温，降温速度≤100℃/h。。

5)磨光焊缝表面，利用X光无损探伤检验和导电率测试。

获得6063铝合金管型母线焊接接头，塑性延伸强度为68MPa、抗拉强度115Mpa，经X光无损探伤检验合格，焊接接头导电率51.18IACS％，与母材(53.5IACS％)相当。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。