張五杰, 張濤鋒, 陳 東, 秦曉宇, 呂尋浩, 肖鶴旋, 楊春月, 呂 進(jìn), 朱 科, 呂 敏, 丁鵬翔

(河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司, 平頂山 467001)

GIS(氣體絕緣全封閉組合電器)具有結(jié)構(gòu)緊湊、滅弧性能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著高電壓行業(yè)的快速發(fā)展，GIS設(shè)備趨向小型化、輕量化設(shè)計(jì)，隨之對(duì)高壓電器產(chǎn)品中鎢銅合金弧觸頭材料的各項(xiàng)性能提出了更高的要求。鎢銅合金弧觸頭在GIS設(shè)備中承擔(dān)著接通、承載、分?jǐn)嗾ｋ娏骱凸收想娏鞯墓δ?，?duì)于應(yīng)用于斷路器滅弧室開(kāi)斷、關(guān)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(xué)性能好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而鎢銅合金觸頭與銅尾導(dǎo)電端的接合強(qiáng)度已成為影響斷路器開(kāi)斷性能的重要因素。

鎢銅合金材料因具有良好的力學(xué)性能和耐電燒蝕性能，成為了高壓電器開(kāi)關(guān)中不可缺少的關(guān)鍵材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高壓電器行業(yè)。

根據(jù)GIS設(shè)備不同的使用需求，弧觸頭導(dǎo)電端選用材料也有很大差異。目前,高壓電器開(kāi)關(guān)行業(yè)中銅尾導(dǎo)電端廣泛使用的材料有純銅(Cu)、鉻銅(TCr0.5)等。純銅導(dǎo)電端具有良好的導(dǎo)電性能，但其力學(xué)性能及耐高溫軟化性能較差；TCr0.5導(dǎo)電端具有良好的力學(xué)性能及耐高溫軟化性能。為滿足斷路器開(kāi)斷過(guò)程中的大容量及機(jī)械沖擊，多采用TCr0.5作為導(dǎo)電端材料。

筆者對(duì)鎢銅合金觸頭接合面連接工藝進(jìn)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(duì)GIS設(shè)備鎢銅合金觸頭在機(jī)械壽命試驗(yàn)過(guò)程中的失效原因進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)鎢銅合金觸頭接合面斷裂受成型工藝的影響，并對(duì)弧觸頭結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)于這樣一種金屬基復(fù)合材料，稱(chēng)其為“假合金”[1]。鎢銅合金的綜合性能可以通過(guò)改變其化學(xué)成分的比例而加以調(diào)整。筆者提出的鎢銅合金材料為CuW70，導(dǎo)電端材料為T(mén)Cr0.5，兩者理化性能分別如表1，2所示。

表1 CuW70的理化性能

表2 TCr0.5的理化性能

根據(jù)GIS設(shè)備用弧觸頭的使用環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)鎢銅合金與導(dǎo)電端的連接方式有真空整體燒結(jié)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(qiáng)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(duì)鎢銅觸頭接合面抗拉強(qiáng)度[5]的要求(≥226 MPa)。

表3 CuW70和TCr0.5不同連接工藝接合面抗拉強(qiáng)度 MPa

1.1 真空銀釬焊

真空銀釬焊連接的接合面抗拉強(qiáng)度最低，在高速?zèng)_擊位置存在鎢銅合金觸頭脫落的風(fēng)險(xiǎn)；其耐熱性能較差，最高使用溫度不得超過(guò)260 ℃，在滅弧室大容量開(kāi)斷時(shí)存在熔斷風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)釬焊過(guò)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(duì)釬焊觸頭的釬著率要求一般在85%以上[6-7]。依據(jù)GB/T 7674—2020 《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備》，對(duì)銀釬焊弧觸頭進(jìn)行出廠機(jī)械操作試驗(yàn)，試驗(yàn)后弧觸頭宏觀形貌如圖1所示。

圖1 銀釬焊弧觸頭操作試驗(yàn)后弧觸頭宏觀形貌

1.2 真空電子束焊

真空電子束焊連接的接合面抗拉強(qiáng)度較真空銀釬焊有一定的提高[8]，其釬著率可達(dá)到95%以上；但真空電子束焊的對(duì)中要求高，對(duì)中不良或電子束偏移容易造成未熔接或者虛接(見(jiàn)圖2)。同時(shí)電子束焊熱影響區(qū)TCr0.5為退火態(tài)，接合面的抗拉強(qiáng)度與基體相比有一定程度的降低，在滅弧室分合閘操作過(guò)程中，因?qū)χ胁涣嫉仍?，觸頭受到一定側(cè)向力的影響，接合面易開(kāi)裂(見(jiàn)圖3)。

圖2 未熔接的接合面宏觀形貌

圖3 開(kāi)裂的接合面宏觀形貌

1.3 摩擦焊

摩擦焊是利用焊件相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電端通過(guò)摩擦焊方式連接，接合面具有良好的抗拉強(qiáng)度和釬著率，內(nèi)部缺陷較少，焊縫的抗拉強(qiáng)度與和基體金屬相同[10]。摩擦焊接過(guò)程靠工件旋轉(zhuǎn)、擠壓實(shí)現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)非圓截面的焊接，另外受焊接設(shè)備轉(zhuǎn)速、壓力的限制，摩擦焊接對(duì)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(jié)熔滲

采用整體燒結(jié)熔滲的成型工藝[11-12]，可以避免焊接過(guò)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(jié)過(guò)程中燒結(jié)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(jié)熔滲、摩擦焊的CuW70-TCr0.5弧觸頭接合面具有較好的力學(xué)性能[13]，適用于GIS斷路器用高速?zèng)_擊、彈性弧觸頭。

2 弧觸頭失效分析及結(jié)構(gòu)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(jié)熔滲→車(chē)端面；下料→硬化處理→銅尾端加工→車(chē)端面；電子束焊→超聲檢測(cè)→精加工。

將弧觸頭裝入插拔試驗(yàn)裝置中進(jìn)行萬(wàn)次插拔試驗(yàn)，插拔試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示，其中插入速度為3 m/s，拔出速度為9 m/s，插入深度為45 mm，試驗(yàn)過(guò)程中弧觸頭導(dǎo)電端斷裂[見(jiàn)圖5a)]。對(duì)斷裂面解剖，發(fā)現(xiàn)斷裂位置為Cu-TCr0.5電子束焊接交界面[見(jiàn)圖5b)]。

圖4 插拔試驗(yàn)過(guò)程示意

圖5 弧觸頭導(dǎo)電端斷裂形貌

為驗(yàn)證CuW70端與Cu端燒結(jié)后電子束焊連接質(zhì)量的穩(wěn)定性，按照GB/T 8320—2017要求對(duì)Cu-TCr0.5電子束焊接合面進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：CuW70端的抗彎強(qiáng)度及TCr0.5端的抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，Cu-TCr0.5電子束焊焊接區(qū)的抗拉強(qiáng)度為173 MPa，低于GB/T 8320—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求(≥226 MPa)。其中弧觸頭試樣從Cu-TCr0.5電子束焊位置呈縮頸斷裂(見(jiàn)圖6)。

圖6 焊縫縮頸斷裂宏觀形貌

對(duì)鎢銅合金弧觸頭斷面進(jìn)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(jiàn)圖7)；對(duì)弧觸頭接合面進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)CuW70與TCr0.5之間的變徑區(qū)域存在局部應(yīng)力集中，Cu過(guò)渡區(qū)及電子束焊接合面位于局部應(yīng)力集中區(qū)域(見(jiàn)圖8)。

圖7 弧觸頭解剖斷面示意

圖8 弧觸頭接合面應(yīng)力分析結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)弧觸頭局部應(yīng)力集中位置的抗拉強(qiáng)度十分關(guān)鍵，可以采取以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

(1) 將CuW70-Cu燒結(jié)熔滲+Cu-TCr0.5電子束焊焊接連接工藝轉(zhuǎn)變?yōu)镃uW-TCr0.5整體燒結(jié)熔滲連接工藝。

(2) 弧觸頭CuW70與TCr0.5的連接結(jié)構(gòu)由平面連接轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)型連接，增大整體燒結(jié)接合面面積，同時(shí)使燒結(jié)接合面遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域(見(jiàn)圖9)。

圖9 不同連接工藝對(duì)比

采用整體燒結(jié)熔滲工藝的CuW70-TCr0.5弧觸頭接合面的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)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(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8320—2017 的要求(見(jiàn)表4)。

表4 采用整體燒結(jié)熔滲工藝的CuW70-TCr0.5弧觸頭接合面力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

將弧觸頭裝入插拔試驗(yàn)裝置中，進(jìn)行萬(wàn)次插拔試驗(yàn)，無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋；對(duì)完成萬(wàn)次插拔試驗(yàn)的弧觸頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，并對(duì)彎曲試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)，接合面彎曲試驗(yàn)及熒光滲透檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)裂紋產(chǎn)生。

圖10 接合面彎曲試驗(yàn)及熒光滲透探傷后的宏觀形貌

3 結(jié)論

(1) 整體燒結(jié)熔滲+摩擦焊接的CuW70-TCr0.5弧觸頭接合面具有較好的力學(xué)性能，適用于GIS斷路器用承受高速?zèng)_擊且具有一定彈性的弧觸頭。

(2) CuW70-Cu燒結(jié)熔滲+Cu-TCr0.5電子束焊連接工藝弧觸頭，其接合面的抗拉強(qiáng)度較CuW70-TCr0.5整體燒結(jié)熔滲連接工藝接合面的抗拉強(qiáng)度明顯降低，同時(shí)電子束焊接存在未熔接、虛接、結(jié)合面氧化的質(zhì)量隱患，斷路器在高速分合閘過(guò)程中存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 采用CuW70-TCr0.5整體燒結(jié)熔滲連接工藝，CuW70與TCr0.5弧觸頭結(jié)構(gòu)的連接方式為T(mén)型連接，增大了整體燒結(jié)熔滲接合面面積，避開(kāi)了應(yīng)力集中區(qū)域，可以提高接合面的連接強(qiáng)度。