薛根奇，胡延偉，宿國友

（1．平高集團有限公司焊接技術(shù)及壓力容器實驗室，河南平頂山467001；2．河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山467001；3.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

攪拌摩擦焊在高壓封閉電器通電導(dǎo)體中的應(yīng)用

薛根奇1，2，胡延偉2，宿國友3

（1．平高集團有限公司焊接技術(shù)及壓力容器實驗室，河南平頂山467001；2．河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山467001；3.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

結(jié)合高壓封閉電器通電導(dǎo)體材料及結(jié)構(gòu)形式，采用攪拌摩擦焊焊接6063-T6鋁合金管材、棒材組成的對帶墊板對接焊縫，確定最佳的焊接工藝參數(shù)，并按NB/T47014-2011進行焊接工藝評定。在攪拌頭轉(zhuǎn)速900 r/min、焊接速度150 mm/min工藝參數(shù)條件下可獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，焊接接頭的抗拉強度達到母材的77.2％，焊縫金屬導(dǎo)電率達到母材的93％，通電導(dǎo)體回阻電阻6.95 μΩ/m，焊接接頭經(jīng)超聲檢測未見焊接缺陷，焊縫經(jīng)剖開、拋光、腐蝕后觀察，焊縫根部熔合良好。實驗檢測結(jié)果與高壓封閉電器產(chǎn)品的技術(shù)要求對比，攪拌摩擦焊焊接的通電導(dǎo)體滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，在高壓封閉電器產(chǎn)品中安裝使用效果良好。

攪拌摩擦焊；6063鋁合金；通電導(dǎo)體；高壓封閉電器

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是一種是高效綠色環(huán)保的固相連接技術(shù)，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩慢接觸被焊工件，攪拌頭軸肩微量壓入工件表面而攪拌針插入焊縫，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)與工件摩擦產(chǎn)生的摩擦熱作用下，使焊縫材料達到塑性狀態(tài)，攪拌頭前進移動時塑化材料在頂鍛力、攪拌力作用下移動到攪拌頭的后方，摩擦熱與散熱達到動態(tài)平衡而形成焊縫。近年來國內(nèi)外各院校及企業(yè)對攪拌摩擦焊進行了大量研究[1-4]，攪拌摩擦焊在航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域應(yīng)用較多，為鋁筒等金屬的焊接提供了良好的解決方案[5-8]。

通電導(dǎo)體是高壓開關(guān)封閉電器中的主要零部件，它是封閉電器中的電流載體，通電電流3～8 kA，電壓等級35～1 100 kV。通電導(dǎo)體由中空的導(dǎo)電管兩端焊接實心導(dǎo)體接頭組成，中間導(dǎo)電管直徑60～260mm，壁厚10～20mm，長度500～12000mm，兩端接頭形式根據(jù)產(chǎn)品要求而變化，如圖1所示。導(dǎo)體接頭經(jīng)機加工并鍍銀后焊接在導(dǎo)電管兩端，焊接過程需要特別注意導(dǎo)體頭鍍銀面的保護，鍍銀面劃傷或飛濺等都會影響通電導(dǎo)體的導(dǎo)電效果，導(dǎo)致整個通電導(dǎo)體報廢。

圖1 通電導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形式

通電導(dǎo)體接頭形式一般為鎖底Y形接頭，采用熔化極氬弧焊（MIG）打底及填充+鎢極氬弧焊（TIG）焊重熔（提高表面質(zhì)量，避免出現(xiàn)針孔缺陷），焊接過程需適當(dāng)控制熱輸入，避免導(dǎo)體兩端接頭溫度過高影響鍍銀層的結(jié)合力，焊縫余高用風(fēng)銑刀或其他方式將其清除并打磨光滑平整，導(dǎo)體表面的粗糙度Ra3.2。

基于攪拌摩擦焊的綠色環(huán)保、無煙塵、無輻射、無焊材消耗、產(chǎn)熱少、熱影響區(qū)窄等特點，考慮采用攪拌摩擦焊焊接通電導(dǎo)體。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 試驗材料

先采用10 mm厚板材進行工藝參數(shù)試驗，再用與通電導(dǎo)體相同的材料φ90×15管6063-T6及φ90棒6063-T6進行試件焊接試驗。材料的化學(xué)成分符合GB/T3190，實測值如表1所示。

表1 6063化學(xué)成分實測值％

1.2 試件接頭形式

10板6063采用I形對接接頭，無間隙；管棒試件采用與通電導(dǎo)體相同的尺寸和結(jié)構(gòu)形式，焊接接頭采用類似帶墊板的I形接頭，間隙盡量小。

1.3 試驗裝備及試驗參數(shù)

（1）試驗設(shè)備及工裝：HT-JM16攪拌摩擦焊設(shè)備及專用通電導(dǎo)體焊接工裝。

（2）試驗攪拌頭形式：軸肩直徑φ14 mm，圓錐螺絲型攪拌頭，攪拌針長度9.7 mm，直徑φ3.5 mm。

（3）工藝參數(shù)：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度800～900 r/min、焊接速度120～140 mm/min。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接試驗結(jié)果及分析

不同焊接參數(shù)下的焊接接頭強度如表2所示。

攪拌摩擦焊參數(shù)中，攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度是兩個重要參數(shù)，直接決定了攪拌摩擦焊接頭的質(zhì)量和性能。

攪拌頭轉(zhuǎn)速直接影響焊接區(qū)域的熱循環(huán)溫度，轉(zhuǎn)速過低時焊接峰值溫度低，材料流動性差，易形成缺陷；轉(zhuǎn)速過高時焊接峰值溫度高，材料流動性好，但焊接接頭的熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)退火嚴(yán)重，也會降低焊接接頭性能。

焊接速度是影響焊接熱循環(huán)的重要參數(shù)，是決定焊接接頭性能的重要因素。焊接速度高，焊接線能量低，焊接熱循環(huán)溫度低，材料流動性差，對材料轉(zhuǎn)移效率要求高；焊接速度低，焊接線能量高，焊接熱循環(huán)溫度高，材料流動性好，對材料轉(zhuǎn)移效率要求低。

上述兩參數(shù)若組合不當(dāng)，不僅焊接接頭性能偏低，焊縫中還會出現(xiàn)缺陷。攪拌摩擦焊應(yīng)用中常見的缺陷有隧道型缺陷、犁溝型缺陷、未焊透、吻接等。

表2 不同焊接工藝下焊縫的抗拉強度

隧道型缺陷存在于焊縫內(nèi)部，呈隧道狀，內(nèi)壁粗糙不平。造成此類缺陷的原因是：材料溫度低，流動性差，攪拌針后方材料不能及時填充，最終形成隧道缺陷。

犁溝型缺陷存在于焊縫表面攪拌針前進側(cè)，內(nèi)壁粗糙。造成此類缺陷的原因是：材料溫度低，流動性差，攪拌針及軸肩后方材料不能及時填充。

未焊透缺陷主要是因為攪拌針長度與接頭厚度尺寸差距較大，攪拌針未影響到接頭底部材料，從而形成未焊透缺陷。

吻接缺陷的形成主要是因為攪拌針端部距離接頭底部尺寸偏大，攪拌針對底部材料影響不充分，造成該部分材料被擠壓在一起，但未形成充分結(jié)合。

經(jīng)過設(shè)計工藝評審以滿足產(chǎn)品使用的要求，確定焊接試驗檢測項目：焊接工藝評定試驗（焊接試件進行拉伸彎曲試驗），攪拌摩擦焊焊縫金屬的導(dǎo)電率、通電導(dǎo)體的回路電阻、焊縫的熔透解剖型式試驗，焊縫金屬的金相組織確認。

2.2 焊接工藝評定

按照NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，將FSW焊接的導(dǎo)體分解加工試件進行機械性能試驗（拉伸及彎曲試驗），工藝評定試樣如圖2所示。試驗結(jié)果見表3。

圖2 焊接工藝評定試樣

表3 導(dǎo)體試件機械性能試驗結(jié)果

根據(jù)GB/T3191 6063 T6，室溫下抗拉強度為205 MPa，攪拌摩擦焊均值為158.2 MPa，達到母材的77.2％。面彎及背彎試件未見彎曲裂紋及焊接缺陷。

2.3 焊縫金屬的導(dǎo)電率測試

對FSW焊后通電導(dǎo)體的焊縫部位進行導(dǎo)電率測試，并對比MIG焊焊縫的導(dǎo)電率，測試結(jié)果如表4所示。

表4 焊縫導(dǎo)電率檢測結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，6063-T6通電導(dǎo)體母材部分導(dǎo)電率為58.5％IACS，近焊縫處導(dǎo)電率為58.3％IACS。焊縫處導(dǎo)電率平均為54.6％IACS，達到本體FSW的93％；MIG焊接導(dǎo)電管焊縫的導(dǎo)電率平均為28.7％ IACS，導(dǎo)電率約為本體的51％。FSW焊縫導(dǎo)電率與母材相近是因為沒有填加焊絲，焊縫金屬組織及成分與母材接近。MIG焊采用ER5356焊絲，導(dǎo)電率低于6063。

導(dǎo)體的回路電阻分別為6 μΩ、5.6 μΩ，導(dǎo)體回路電阻小于產(chǎn)品性能（產(chǎn)品的要求回路電阻小于10 μΩ）。

2.4 通電導(dǎo)體的回路電阻測試

用回路電阻測試儀分別測量FSW、MIG焊接的通電導(dǎo)體的回路電阻，測量設(shè)備型號Y2FHL-300，計量編號ER-16-0109，通電導(dǎo)體回路電阻測量值

如表5所示。

表5 通電導(dǎo)體回路電阻測試結(jié)果

2.5 焊縫的熔透解剖及無損檢測

超聲波檢測FSW的導(dǎo)體焊縫，未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷，再進行解剖、拋光、腐蝕查看焊接的宏觀熔透效果，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)體FSW焊縫熔透情況

根據(jù)導(dǎo)體FSW焊縫結(jié)構(gòu)形式，焊縫相當(dāng)于墊板的焊縫，要求焊縫熔深10 mm，焊縫截面呈酒杯形，焊縫完全熔透。

2.6 攪拌擦摩擦焊焊縫表面低凹處理

攪拌摩擦焊時，由于頂鍛壓力使焊縫表面低于母材表面約0.5 mm，而高壓封閉電器通電導(dǎo)體要求母材與焊縫表面平齊光滑，表面粗糙度要求為Ra3.2。為保證焊縫表面通電導(dǎo)體的接頭，預(yù)留0.5 mm，導(dǎo)電管端部30 mm采用脹形0.5 mm后加工相關(guān)的裝配對接直口及坡口焊縫打磨處理。焊接及處理后的導(dǎo)體如圖4所示，開始在生產(chǎn)中安裝應(yīng)用。

圖4 FSW焊接的通電導(dǎo)體

3 結(jié)論

（1）采用攪拌摩擦焊對φ90mm×12.5mm 6063-T6鋁合金管及φ90 mm 6063-T6鋁合金棒進行通電導(dǎo)體焊接工藝評定，焊接接頭為帶墊板的I形對接接頭，焊縫抗拉強度158.2 MPa，達到母材強度的77.2％。

（2）通電導(dǎo)體的焊縫金屬導(dǎo)電率為54.7％IACS，達到母材的93％，完全焊透，通電導(dǎo)體的整體回阻電阻為6.95 μΩ/m。

（3）攪拌摩擦焊焊接通電導(dǎo)體，經(jīng)解剖根部焊接良好，未見焊接缺陷，通電導(dǎo)體單件電管進行脹形處理，焊后打磨處理。

（4）對采用攪拌摩擦焊焊接的通電導(dǎo)體進行工藝評定、焊縫金屬導(dǎo)電率測試、導(dǎo)體回路電阻測試、單件脹形及表面處理，達到產(chǎn)品的性能要求。該焊接產(chǎn)品在高壓封閉電器產(chǎn)品中使用良好。

[1]邱宇，郭曉娟，李光，等.5083鋁合金的攪拌摩擦焊研究[J].電焊機，2014，44（4）：58-59.

[2]董繼紅，佟建華，郭曉娟，等.30 mm 7A05鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能[J].焊接學(xué)報，2012，33（4）：65-68.

[3]張欣盟，楊景宏，王春生，等.攪拌摩擦焊技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展[J].焊接，2015（1）：29-32.

[4]夏羅生，朱樹紅.2519鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39（6）：144-146.

[5]王永景，陳文靜，許莉，等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能研究[J].熱加工工藝，2014，43（17）：179-184.

[6]簡波，倪淑鳳，康占祥，等.攪拌摩擦焊接大厚度鋁合金法蘭框的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù)，2014（5）：105-108.

[7]何廣忠，王鋒袁，李軍，等.攪拌摩擦焊技術(shù)在高速動車組鋁合金厚板焊接上的應(yīng)用研究[J].熱加工工藝，2014，44（3）：206-211.

[8]欒國紅，郭德倫.攪拌摩擦焊技術(shù)在中國的發(fā)展和推廣應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014（17）：70-75.

Application of friction stir welding technology in current-carrying conductor of high-voltage gas insulated switchgear

XUE Genqi1，2，HU Yanwei2，SU Guoyou3
（1.Welding Technology and Pressure Vessel Laboratory of Pinggao Group Co.，Ltd.，Pingdingshan 467001，China；2.He′nanPinggaoElectricCo.，Ltd.，Pingdingshan467001，China；3.ShanghaiEquipmentFactoryofAerospace，Shanghai 200245，China）

Combined with the materials and structural forms of high-voltage Gas Insulated Switchgear（GIS）current-carrying conductor，lock butt joint of 6063-T6 aluminum alloy welded by friction stir welding.Experiments determined the best welding process parameters and welding procedure，the welding procedure was evaluated by NB/T47014-2011.High quality welded could be gotten at travel speed of 140 mm/min and rotation speed of 900 r/min，the weld metal with 74％strength and 93％conductivity of the base material，the resistance ofcurrent-carryingconductorwelded byFSWwas6.95 μΩ/m.Noweldingdefects were found in weldingjointbyultrasonic testing.Welding joint was observed after spilling，polishing and etching，the root of lock butt joint was fused well.The experimental results compared to the technicalrequirements ofhigh-voltage GISproducts，the conductor welded byfriction stir weldingsatisfied the requirements ofthe products, the conductor was installed in high-voltage GISand the application effect was good.

friction stir welding；6063 aluminum alloy；current-carrying conductor；high-voltage gas insulated switchgear

TG453

A

1001－2303（2016）09－0012-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.03

2016-03-07；

2016-05-16

薛根奇（1971—），男，河南郟縣人，高級工程師，碩士，主要從事焊接工藝及設(shè)備自動化技術(shù)推廣應(yīng)用研究工作。