攪拌摩擦焊在高壓封閉電器通電導體中的應用

薛根奇，胡延偉，宿國友

（1．平高集團有限公司焊接技術及壓力容器實驗室，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.上海航天設備制造總廠，上海200245）

攪拌摩擦焊在高壓封閉電器通電導體中的應用

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.上海航天設備制造總廠，上海200245）

結合高壓封閉電器通電導體材料及結構形式，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，并按NB/T47014-2011進行焊接工藝評定。在攪拌頭轉速900 r/min、焊接速度150 mm/min工藝參數條件下可獲得性能優良的焊接接頭，焊接接頭的抗拉強度達到母材的77.2％，焊縫金屬導電率達到母材的93％，通電導體回阻電阻6.95 μΩ/m，焊接接頭經超聲檢測未見焊接缺陷，焊縫經剖開、拋光、腐蝕后觀察，焊縫根部熔合良好。實驗檢測結果與高壓封閉電器產品的技術要求對比，攪拌摩擦焊焊接的通電導體滿足產品的技術要求，在高壓封閉電器產品中安裝使用效果良好。

攪拌摩擦焊；6063鋁合金；通電導體；高壓封閉電器

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）技術是一種是高效綠色環保的固相連接技術，通過高速旋轉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，在攪拌頭高速旋轉與工件摩擦產生的摩擦熱作用下，使焊縫材料達到塑性狀態，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平衡而形成焊縫。近年來國內外各院校及企業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、軌道交通、船舶制造等領域應用較多，為鋁筒等金屬的焊接提供了良好的解決方案[5-8]。

通電導體是高壓開關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。通電導體由中空的導電管兩端焊接實心導體接頭組成，中間導電管直徑60～260mm，壁厚10～20mm，長度500～12000mm，兩端接頭形式根據產品要求而變化，如圖1所示。導體接頭經機加工并鍍銀后焊接在導電管兩端，焊接過程需要特別注意導體頭鍍銀面的保護，鍍銀面劃傷或飛濺等都會影響通電導體的導電效果，導致整個通電導體報廢。

圖1 通電導體結構形式

通電導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（提高表面質量，避免出現針孔缺陷），焊接過程需適當控制熱輸入，避免導體兩端接頭溫度過高影響鍍銀層的結合力，焊縫余高用風銑刀或其他方式將其清除并打磨光滑平整，導體表面的粗糙度Ra3.2。

基于攪拌摩擦焊的綠色環保、無煙塵、無輻射、無焊材消耗、產熱少、熱影響區窄等特點，考慮采用攪拌摩擦焊焊接通電導體。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

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

表1 6063化學成分實測值％

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體相同的尺寸和結構形式，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

（1）試驗設備及工裝：HT-JM16攪拌摩擦焊設備及專用通電導體焊接工裝。

（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：攪拌頭旋轉速度800～900 r/min、焊接速度120～140 mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接試驗結果及分析

不同焊接參數下的焊接接頭強度如表2所示。

攪拌摩擦焊參數中，攪拌頭轉速和焊接速度是兩個重要參數，直接決定了攪拌摩擦焊接頭的質量和性能。

攪拌頭轉速直接影響焊接區域的熱循環溫度，轉速過低時焊接峰值溫度低，材料流動性差，易形成缺陷；轉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和熱影響區退火嚴重，也會降低焊接接頭性能。

焊接速度是影響焊接熱循環的重要參數，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，焊接熱循環溫度低，材料流動性差，對材料轉移效率要求高；焊接速度低，焊接線能量高，焊接熱循環溫度高，材料流動性好，對材料轉移效率要求低。

上述兩參數若組合不當，不僅焊接接頭性能偏低，焊縫中還會出現缺陷。攪拌摩擦焊應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部，呈隧道狀，內壁粗糙不平。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，內壁粗糙。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，但未形成充分結合。

經過設計工藝評審以滿足產品使用的要求，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電率、通電導體的回路電阻、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《承壓設備焊接工藝評定》，將FSW焊接的導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。試驗結果見表3。

圖2 焊接工藝評定試樣

表3 導體試件機械性能試驗結果

根據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 焊縫金屬的導電率測試

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

表4 焊縫導電率檢測結果

根據測試結果，6063-T6通電導體母材部分導電率為58.5％IACS，近焊縫處導電率為58.3％IACS。焊縫處導電率平均為54.6％IACS，達到本體FSW的93％；MIG焊接導電管焊縫的導電率平均為28.7％ IACS，導電率約為本體的51％。FSW焊縫導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，導電率低于6063。

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

2.4 通電導體的回路電阻測試

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

如表5所示。

表5 通電導體回路電阻測試結果

2.5 焊縫的熔透解剖及無損檢測

超聲波檢測FSW的導體焊縫，未發現焊縫內部缺陷，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 導體FSW焊縫熔透情況

根據導體FSW焊縫結構形式，焊縫相當于墊板的焊縫，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體的接頭，預留0.5 mm，導電管端部30 mm采用脹形0.5 mm后加工相關的裝配對接直口及坡口焊縫打磨處理。焊接及處理后的導體如圖4所示，開始在生產中安裝應用。

圖4 FSW焊接的通電導體

3 結論

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

（3）攪拌摩擦焊焊接通電導體，經解剖根部焊接良好，未見焊接缺陷，通電導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體進行工藝評定、焊縫金屬導電率測試、導體回路電阻測試、單件脹形及表面處理，達到產品的性能要求。該焊接產品在高壓封閉電器產品中使用良好。

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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備自動化技術推廣應用研究工作。