摘 要:對 GIS(氣體絕緣全封閉組合電器)用鎢銅合金弧觸頭接合面連接工藝進行研究,提出 了適用于滅弧室用弧觸頭的連接工藝。分析了鎢銅合金弧觸頭在機械壽命試驗過程中電子束焊位 置失效的原因,并對弧觸頭結構提出優(yōu)化設計方案,為今后 GIS設備的弧觸頭結構優(yōu)化設計提供 了一定的技術基礎。
關鍵詞:氣體絕緣全封閉組合電器;鎢銅合金;弧觸頭;接合面;連接工藝
中圖分類號:TG457.1 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)07-0001-04
GIS(氣體絕緣全封閉組合電器)具有結構緊湊、 滅弧性能強、可靠性高等優(yōu)點。隨著高電壓行業(yè)的快 速發(fā)展,GIS設備趨向小型化、輕量化設計,隨之對高 壓電器產品中鎢銅合金弧觸頭材料的各項性能提出 了更高的要求。鎢銅合金弧觸頭在 GIS設備中承擔 著接通、承載、分斷正常電流和故障電流的功能,對于 應用于斷路器滅弧室開斷、關合用弧的觸頭,除要求 其具備耐電弧燒蝕性的前提下,還需具備力學性能 好、壽命長等特點,而鎢銅合金觸頭與銅尾導電端的 接合強度已成為影響斷路器開斷性能的重要因素。
鎢銅合金材料因具有良好的力學性能和耐電燒 蝕性能,成為了高壓電器開關中不可缺少的關鍵材 料,現已廣泛應用于高壓電器行業(yè)。
根據 GIS設備不同的使用需求,弧觸頭導電端 選用材料也有很大差異。目前,高壓電器開關行業(yè) 中銅尾導電端廣泛使用的材料有純銅(Cu)、鉻 銅 (TCr0.5)等。純銅導電端具有良好的導電性能,但 其力學性能及耐高溫軟化性能較差;TCr0.5導電端 具有良好的力學性能及耐高溫軟化性能。為滿足斷 路器開 斷 過 程 中 的 大 容 量 及 機 械 沖 擊,多 采 用 TCr0.5作為導電端材料。
筆者對鎢銅合金觸頭接合面連接工藝進行研 究,提出了適用于斷路器滅弧室用 CuW70-TCr0.5 弧觸頭的連接方式;針對 GIS設備鎢銅合金觸頭在 機械壽命試驗過程中的失效原因進行了深入分析, 發(fā)現鎢銅合金觸頭接合面斷裂受成型工藝的影響, 并對弧觸頭結構提出了優(yōu)化設計方案。
1 CuW70-TCr0.5連接方式
鎢銅合金是由鎢元素和銅元素所組成的,其組 織不互相固溶、不形成金屬間化合物、兩相單體混合 均勻。對于這樣一種金屬基復合材料,稱其為“假合 金”[1]。鎢銅合金的綜合性能可以通過改變其化學 成分的比例而加以調整。筆者提出的鎢銅合金材料 為 CuW70,導電端材料為 TCr0.5,兩者理化性能分 別如表1,2所示。
根據 GIS設備用弧觸頭的使用環(huán)境,目前國內 鎢銅合金與導電端的連接方式有真空整體燒結熔滲 成型[2]、焊接連接等,焊接連接的方式有真空銀釬 焊[3]、真空電子束焊[4]和摩擦焊等,不同連接工藝的 接合面抗拉強度如表3所示。從表3可以看出:除 真空 銀 釬 焊 外,其 他 連 接 工 藝 均 可 滿 足 GB/T 8320—2017《銅鎢及銀鎢電觸頭》對鎢銅觸頭接合 面抗拉強度[5]的要求(≥226MPa)。
1.1 真空銀釬焊
真空銀釬焊連接的接合面抗拉強度最低,在高 速沖擊位置存在鎢銅合金觸頭脫落的風險;其耐熱 性能較差,最高使用溫度不得超過260℃,在滅弧室 大容量開斷時存在熔斷風險;同時釬焊過程中,受焊 料與基體間隙不均勻、焊面不平整、異物附著等因素 的影響,易造成氣孔、夾雜等缺陷,降低了其釬著率,電器行業(yè)對釬焊觸頭的釬著率要求一般在85%以 上[6-7]。依據 GB/T7674—2020《額定電壓72.5kV 及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》,對銀釬焊弧觸 頭進行出廠機械操作試驗,試驗后弧觸頭宏觀形貌 如圖1所示。
1.2 真空電子束焊
真空電子束焊連接的接合面抗拉強度較真空銀 釬焊有一定的提高[8],其釬著率可達到95%以上; 但真空電子束焊的對中要求高,對中不良或電子束 偏移容易造成未熔接或者虛接(見圖2)。同時電子 束焊熱影響區(qū) TCr0.5為退火態(tài),接合面的抗拉強 度與基體相比有一定程度的降低,在滅弧室分合閘 操作過程中,因對中不良等原因,觸頭受到一定側向 力的影響,接合面易開裂(見圖3)。
1.3 摩擦焊
摩擦焊是利用焊件相對摩擦運動產生的熱量來 實現材料可靠連接的一種壓力焊方法。作為一種固 相焊接方式[9],其可以使焊件金屬不熔化,材料熱影響區(qū)小,接口組織為鍛造組織。與真空銀釬焊和真 空電子束焊相比,鎢銅合金觸頭與導電端通過摩擦 焊方式連接,接合面具有良好的抗拉強度和釬著率, 內部缺陷 較 少,焊 縫 的 抗 拉 強 度 與 和 基 體 金 屬 相 同[10]。摩擦焊接過程靠工件旋轉、擠壓實現,不能 實現非圓截面的焊接,另外受焊接設備轉速、壓力的 限制,摩擦焊接對工件直徑要求高,不利于大直徑的 弧觸頭及異形觸頭的連接。
1.4 整體燒結熔滲
采用整體燒結熔滲的成型工藝[11-12],可以避免 焊接過程中熱影響區(qū)硬度下降,但其成型速率慢、成 本高;另外燒結過程中燒結溫度大于 TCr0.5基體 的熔融溫度,冷卻后 Cr-Cu顯微組織的晶粒粗大、 存在共晶等鑄態(tài)組織,合金韌性有所降低。
綜上,采 用 整 體 燒 結 熔 滲、摩 擦 焊 的 CuW70- TCr0.5弧觸頭接合面具有較好的力學性能[13],適 用于 GIS斷路器用高速沖擊、彈性弧觸頭。
2 弧觸頭失效分析及結構優(yōu)化
2.1 弧觸頭失效分析
鎢銅合金觸頭 Cu-TCr0.5的成型工藝為電子 束焊成型,其加工工藝流程為:配混粉→壓鎢坯→燒 結熔滲→車端面;下料→硬化處理→銅尾端加工→ 車端面;電子束焊→超聲檢測→精加工。
將弧觸頭裝入插拔試驗裝置中進行萬次插拔試 驗,插拔 試 驗 過 程 如 圖 4 所 示,其 中 插 入 速 度 為 3m/s,拔出速度為9m/s,插入深度為45mm,試驗 過程中弧觸頭導電端斷裂[見圖5a)]。對斷裂面解 剖,發(fā)現斷裂位置為 Cu-TCr0.5電子束焊接交界面 [見圖5b)]。
為驗證 CuW70端與 Cu端燒結后電子束焊連 接質 量 的 穩(wěn) 定 性,按 照 GB/T8320—2017 要 求 對 Cu-TCr0.5電子束焊接合面進行力學性能測試。結 果表明:CuW70端的抗彎強度及 TCr0.5端的抗拉 強度符合標準要求,Cu-TCr0.5電子束焊焊接區(qū)的 抗拉強度為173MPa,低于 GB/T8320—2017標準 要求(≥226MPa)。其中弧觸頭試樣從 Cu-TCr0.5 電子束焊位置呈縮頸斷裂(見圖6)。
對鎢銅合金弧觸頭斷面進行解剖,可以看出弧 觸頭的 CuW70接頭與 TCr0.5銅尾之間存在變徑 區(qū)域(見圖7);對弧觸頭接合面進行應力分析,發(fā)現 CuW70與 TCr0.5之間的變徑區(qū)域存在局部應力集 中,Cu過渡區(qū)及電子束焊接合面位于局部應力集中 區(qū)域(見圖8)。
2.2 結構優(yōu)化
根據上述分析結果可以發(fā)現,增強弧觸頭局部 應力集中位置的抗拉強度十分關鍵,可以采取以下 結構優(yōu)化方案。
(1)將 CuW70-Cu燒結熔滲+Cu-TCr0.5電子 束焊焊接連接工藝轉變?yōu)?CuW-TCr0.5 整體燒結 熔滲連接工藝。
(2)弧觸頭CuW70與 TCr0.5的連接結構由平 面連接轉變?yōu)?T 型連接,增大整體燒結接合面面 積,同時使燒結接合面遠離應力集中區(qū)域(見圖9)。
采用整體 燒 結 熔 滲 工 藝 的 CuW70-TCr0.5 弧 觸頭接合面的力學性能測試結果如表4所示,由表 4可知:工藝優(yōu)化后弧觸頭接合面的抗拉強度滿足 標準 GB/T8320—2017 的要求(見表4)。
將弧觸頭裝入插拔試驗裝置中,進行萬次插拔 試驗,無肉眼可見裂紋;對完成萬次插拔試驗的弧觸 頭進行彎曲試驗,并對彎曲試驗后的試樣進行熒光 滲透檢測,接合面彎曲試驗及熒光滲透檢測結果如 圖10所示,可以發(fā)現無裂紋產生。
3 結論
(1)整 體 燒 結 熔 滲 + 摩 擦 焊 接 的 CuW70- TCr0.5弧觸頭接合面具有較好的力學性能,適用于 GIS斷路器用承受高速沖擊且具有一定彈性的弧 觸頭。
(2)CuW70-Cu燒結熔滲+Cu-TCr0.5電子束 焊 連 接 工 藝 弧 觸 頭,其 接 合 面 的 抗 拉 強 度 較 CuW70-TCr0.5整體燒結熔滲連接工藝接合面的抗 拉強度明顯降低,同時電子束焊接存在未熔接、虛 接、結合面氧化的質量隱患,斷路器在高速分合閘過 程中存在斷裂風險。
(3)采用 CuW70-TCr0.5整體燒結熔滲連接工 藝,CuW70與 TCr0.5弧觸頭結構的連接方式為 T 型連接,增大了整體燒結熔滲接合面面積,避開了應 力集中區(qū)域,可以提高接合面的連接強度。
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