銅鋁過渡類金具的質量問題及滲透檢測在抽檢中的應用

程明等

【摘要】針對抽檢工作發現的銅鋁過渡類金具產品的焊接質量問題展開調查研究，認為現有焊接技術都有各自難以克服的缺點，加之銅、鋁的焊接性能較差，使得銅鋁對接焊縫成為銅鋁過渡類金具自身固有的薄弱環節。進而對抽檢工作提出指導，將滲透檢測技術大量應用于銅鋁過渡類金具抽檢工作取得了良好的效果。從驗收、安裝施工和運行環節對銅鋁過渡類金具開展全方位抽檢工作，消除設備安全隱患。

【關鍵詞】金具抽檢；銅鋁焊接；薄弱環節；焊接質量；滲透檢測；抽檢環節

Abstract： The research aims at the welding quality problem of copper to aluminum adapter fitting products， issues that there are insurmountable disadvantages in the present welding technology. And the poor welding performance of copper and aluminum， makes Cu-Al halving welded seam the inherent weak link of the copper to aluminum adapter fittings. And then gives guidance to test check working， applies of penetrant testing technology to the test check of copper to aluminum adapter fittings have achieved good results. The omnibearing test check from acceptance， installation and operation aspects to copper to aluminum adapter fittings has been carried out， to eliminate equipment safety hidden trouble.

Key words： fittings test check； Cu-Al soldering； weak link； welding quality； penetrant testing； test check link

1.銅鋁過渡類金具的質量問題

國網天津市電力公司電力科學研究院自2010年開展電力金具入網抽檢工作以來，積累了大量寶貴經驗。金具抽檢工作者將試驗數據進行系統分析，二次歸納總結，將抽檢工作中積累的經驗轉化為理論，從而指導金具產品抽檢工作重點，為杜絕不合格的產品流入電力系統帶來巨大便利。

銅鋁過渡類金具包括銅鋁過渡設備線夾、銅鋁過渡接線端子、銅鋁過渡T型線夾、銅鋁過渡并溝線夾、銅鋁過渡板等，用于變電站或架空電力線路銅導體和鋁導線的過渡連接。

抽檢過程中注意到，相對于其它金具產品，銅鋁過渡的金具產品出現質量問題的幾率較大。而針對銅鋁過渡的各類金具抽檢時發現：銅鋁過渡的金具產品極易在銅鋁接合面（對接焊縫處）存在微裂紋、未熔合、夾雜等焊接質量問題，使焊接接頭強度降低，在安裝使用過程中發生斷裂事故。

2. 銅鋁焊接質量問題調查研究

某供電公司型號為DTL-185的銅鋁接線端子，在安裝使用時發生了斷裂，斷裂位于銅鋁接合面，見圖1。斷口的宏觀檢查結果顯示焊縫未熔合，如圖2。受物流管理中心委托，對同批產品進行抽樣檢查，抽檢產品共11件，在銅鋁對接焊縫處均存在不同程度的表面缺陷，其中4件表面缺陷嚴重，抽樣不合格率達到100%。

產品不合格固然有金具供應商的焊接工藝控制不穩定的因素，但本質原因是由銅鋁兩種異種金屬焊接造成的。

目前大量應用于銅鋁過渡金具的焊接技術有摩擦焊、釬焊和閃光焊。

摩擦焊接利用焊接端面相對旋轉運動摩擦生熱，使端部達到熱塑性狀態，然后迅速頂鍛，焊接界面在壓力下進行固態擴散及反應而實現連接的一種固相焊接技術[1]。滾動摩擦焊只限于焊接棒材。國內已有用焊好的棒材經鍛壓、機加工形成板件的例子，但大截面工件鍛壓時易產生夾層及焊縫裂紋，而且加工成板件的工作量大，成材率和生產效率低等不足[2]。

釬焊是使母材金屬不熔化，靠釬料熔化后填滿間隙，并與母材金屬之間發生溶解、擴散等冶金作用的金屬焊接方法，特別適合于異種材料的焊接。同時釬焊還具有工件變形小，設備簡單，操作簡便，可現場焊接等優點[3]。釬焊工藝已較廣泛地應用，且多用于不規則形狀或大截面銅鋁過渡接頭，但存在銅鋁粘合力小，易剝離，焊后的釬縫清洗和釬縫腐蝕問題，其生產效率也低[2]。

閃光焊接是利用焊件的固有電阻及焊件端部的接觸電阻引起金屬閃光燃燒進行的焊接技術。閃光焊接雖然具有生產效率高，導電性好和焊縫強度大等優點，但十分耗費銅材，而且焊接工藝參數繁多，焊接不同截面的銅鋁焊件時，要將有關參數進行反復調試，任何一項參數調節不當都會影響焊接質量[2]。

銅鋁焊接屬于異種金屬焊接。由于銅和鋁兩種金屬的物理和化學性能以及化學成分差別很大，加之鋁的熔點遠低于銅，在焊接時晶相組織不能完全融合[4]，在焊縫中產生脆性相，焊縫容易產生熱應力及裂紋[5]，焊接較為困難，在制造環節中容易出現焊接質量問題。加之現有驗收檢測手段單一，僅依靠目測和少量的破環性抽檢試驗難以發現微裂紋等缺陷，使得斷裂事故頻發。

銅鋁兩種金屬的電極電位相差較大。在正常情況下，銅鋁接合面平整光滑，焊縫表面無微裂紋或未熔合等焊接缺陷，兩種金屬發生電化學反應的可能性很小。而一旦存在微裂紋等缺陷，在空氣中的水分、二氧化碳和其它雜質作用下形成電解液，會發生電化學反應及腐蝕開裂，導致跳閘、停電等電網事故。

以上所述焊接技術都有各自難以克服的缺點，加之銅、鋁（特別是鋁）的焊接性能較差，焊接質量難以保證。因此銅鋁接合面（對接焊縫）成為銅鋁過渡類金具自身固有的薄弱環節，供應商必須嚴格控制焊接工藝參數，才能減少銅鋁過渡類金具的質量問題。

3. 滲透檢測技術的應用

3.1 概述

銅鋁過渡金具現有的驗收檢測手段單一。180℃彎曲試驗由于具有破壞性，能檢測到的產品數量十分有限。而目測外觀檢查只能發現宏觀缺陷，加之安裝施工人員很難辨別微裂紋等焊接缺陷，因此為電網設備安全運行埋下隱患，很多焊接質量問題引起的斷裂事故都是在運行當中才發現的[6-8]。

針對上述問題，國網天津市電力公司將滲透檢測技術應用于銅鋁過渡金具的抽檢工作中，取得了良好效果。

3.2 方法選擇

銅鋁過渡類金具的檢測位置為銅鋁對接焊縫處，雖然金具形狀較復雜，但是對接焊縫處實施噴涂法較方便，不受金具形狀的影響；金具表面光潔度較高，無鍍層；每批次抽檢數量較小，并不是大批量工件同時進行檢測；檢驗靈敏度要求不高；實驗室內檢測，采用水洗等方式并不方便，且易對實驗室造成污染。綜上所述，參照JB/T4730.5-2005 《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》相關要求，銅鋁過渡類金具宜使用ⅡC-d滲透檢測方法。

3.3 實施檢測

金具滲透檢測包括表面準備和預清洗、施加滲透劑、去除多余的滲透劑、干燥、施加顯像劑、觀察及評定、后清洗七個步驟。檢測溫度為10-50℃。

金具的滲透檢測及缺陷評定參照JB/T4730.5-2005 《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》相關要求執行。

表面準備和預清洗：銅鋁過渡類金具對接焊縫處表面光潔度較高，表面無焊瘤、氧化皮、涂層等，只需用水洗去表面污物并干燥即可，如表面有油污，可用有機溶劑清洗。

施加滲透劑：采用噴灌噴涂法，保證備件部位完全被滲透劑覆蓋，并在整個滲透時間內保持濕潤狀態，滲透時間10min。

去除多余的滲透劑：先用干燥、潔凈不脫毛的布擦拭，再用蘸有清洗劑的干凈不脫毛的布進行擦拭。不得往復擦拭，不得用清洗劑直接沖洗被檢面，注意不要欠洗或過洗。

干燥：室溫下干燥5min。

施加顯像劑：采用噴灌噴涂法，噴灌使用前應搖動噴灌使顯像劑懸浮。

觀察及評定：在施加顯像劑后7min-60min內進行，并保證工件表面白光照度符合要求。

檢測時應使用B型試塊進行靈敏度驗證。

3.3 檢測結果

對某供應商生產的某兩批次銅鋁跨徑線夾和銅鋁異型并溝線夾進行抽檢，滲透檢測試驗結果顯示：抽檢產品在銅鋁對接焊縫處出現線性缺陷顯示，焊縫未完全熔合，見圖3和圖4。

滲透檢測方法應用于銅鋁過渡類金具的優勢在于：

① 滲透檢測作為一種表面缺陷檢測方法，適用于工作現場各種焊接部件表面開口缺陷的檢驗[9]，特別適用于銅鋁過渡金具焊縫微裂紋、未熔合等表面缺陷的檢測。

② 滲透檢測不受工件形狀和尺寸大小的限制，對形狀復雜的部件一次操作就可大致做到全面檢測，十分適用于帶有螺栓孔或開槽的形狀復雜的銅鋁過渡線夾的檢驗。

③ 檢驗過的金具經過后清洗可直接交付使用。

④ 便攜式噴罐著色滲透檢測法，不需要大型設備，成本低廉，操作簡單，適用于快速檢驗焊縫表面缺陷。

綜上，滲透檢測檢驗方法在實現了檢測銅鋁過渡金具對接焊縫質量的同時，不損害產品，可實現快速的、大量的檢測產品質量的需要，在金具檢驗工作和金具制造商中可大力推廣。

4 改進抽檢環節

除將滲透檢測技術應用抽檢工作外，還應對抽檢工作進行如下改進：

① 擴大對銅鋁過渡類金具的入網抽檢比例，各類指標檢驗合格的產品才能在電網中使用，這樣可以從根本上避免由于產品質量不良造成的金具斷裂事故。

② 在安裝和施工期間發現焊接質量問題的，應對該供應商的銅鋁過渡類金具產品進行大規模抽檢。如在同類產品的其他批次中再發現質量問題，應對供應商銅鋁焊接工藝水平進行實地考察。

③ 除入網抽檢外，還應對現已運行的銅鋁過渡類金具開展抽檢工作。對運行時間較短的金具，進行抽樣檢查；運行時間達到10年以上的，應及時更換。

④ 利用設備或線路停電機會，對銅鋁過渡類金具開展專項檢查，有輕微腐蝕的，可以繼續運行，但必須加強監視和紅外測溫；發現焊接質量問題或腐蝕嚴重的，應立即更換新產品。

5. 結語

針對抽檢工作發現的銅鋁過渡類金具產品的焊接質量問題展開調查研究，認為焊接質量難以保證的本質原因是由銅鋁兩種異種金屬焊接造成的。現有焊接技術都有各自難以克服的缺點，加之銅、鋁（特別是鋁）的焊接性能較差，使得銅鋁接合面（對接焊縫）成為銅鋁過渡類金具自身固有的薄弱環節，供應商必須嚴格控制焊接工藝參數，才能減少銅鋁過渡類金具的質量問題。進而對抽檢工作提出指導，將滲透檢測技術大量應用于銅鋁過渡類金具抽檢工作取得了良好的效果。對抽檢工作環節進行改進，從驗收、安裝施工和運行環節，對銅鋁過渡類金具開展全方位抽檢工作，嚴把質量關，杜絕不合格產品流入電力系統。

參考文獻

[1]陳忠海. 摩擦焊接技術及其工程應用[J]. 電焊機，2011，41（8）：101-106.

[2]孫遇諄. 銅鋁閃光焊接工藝參數討論[J]. 焊接技術，2011，40（6）：22-26.

[3]閆飛，徐道榮. 銅鋁異種金屬釬焊問題及其對策[J]. 電焊機，2009，39（7）：62-65.

[4]溫開元. 銅鋁設備線夾產品的改進與應用[J]. 電力金具，2011，1：31-34.

[5]何占啟，亢世江，杜洪杰等.銅鋁異種金屬接頭的焊接[J]. 水務世界，2008，5：46-48.

[6]董瑾，鐘相源，安江英. 變電站銅鋁過渡設備線夾斷裂原因[J]. 中國電力，2010， 43（12）：27-30.

[7]陳國宏，閔良，王家慶. 220kV變電站銅鋁過渡線夾腐蝕與斷裂分析[J]. 安徽電力，2010，27（4）：1-5.

[8]謝宏亮. 一起變電站隔離刀閘銅鋁線夾斷裂的原因分析及防范措施[J]. 安徽電力科技信息，2007， 5：16-17.

[9]苗紅章. 壓力容器檢驗中滲透檢測的選擇[J]. 2011， 30（13）： 64、74.