张五杰,张涛锋,陈 东,秦晓宇,吕寻浩,肖鹤旋,杨春月,吕 进,朱 科,吕 敏,丁鹏翔

(河南平芝高压开关有限公司,平顶山 467001)

摘 要:对 GIS(气体绝缘全封闭组合电器)用钨铜合金弧触头接合面连接工艺进行研究,提出 了适用于灭弧室用弧触头的连接工艺。分析了钨铜合金弧触头在机械寿命试验过程中电子束焊位 置失效的原因,并对弧触头结构提出优化设计方案,为今后 GIS设备的弧触头结构优化设计提供 了一定的技术基础。

关键词:气体绝缘全封闭组合电器;钨铜合金;弧触头;接合面;连接工艺

中图分类号:TG457.1 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0001-04

GIS(气体绝缘全封闭组合电器)具有结构紧凑、 灭弧性能强、可靠性高等优点。随着高电压行业的快 速发展,GIS设备趋向小型化、轻量化设计,随之对高 压电器产品中钨铜合金弧触头材料的各项性能提出 了更高的要求。钨铜合金弧触头在 GIS设备中承担 着接通、承载、分断正常电流和故障电流的功能,对于 应用于断路器灭弧室开断、关合用弧的触头,除要求 其具备耐电弧烧蚀性的前提下,还需具备力学性能 好、寿命长等特点,而钨铜合金触头与铜尾导电端的 接合强度已成为影响断路器开断性能的重要因素。 钨铜合金材料因具有良好的力学性能和耐电烧 蚀性能,成为了高压电器开关中不可缺少的关键材 料,现已广泛应用于高压电器行业。 根据 GIS设备不同的使用需求,弧触头导电端 选用材料也有很大差异。目前,高压电器开关行业 中铜尾导电端广泛使用的材料有纯铜(Cu)、铬 铜 (TCr0.5)等。纯铜导电端具有良好的导电性能,但 其力学性能及耐高温软化性能较差;TCr0.5导电端 具有良好的力学性能及耐高温软化性能。为满足断 路器开 断 过 程 中 的 大 容 量 及 机 械 冲 击,多 采 用 TCr0.5作为导电端材料。 笔者对钨铜合金触头接合面连接工艺进行研 究,提出了适用于断路器灭弧室用 CuW70-TCr0.5 弧触头的连接方式;针对 机械寿命试验过程中的失 G 效 IS 原 设 因 备 进 钨 行 铜 了 合 深 金 入 触 分 头 析 在 , 发现钨铜合金触头接合面断裂受成型工艺的影响, 并对弧触头结构提出了优化设计方案。

1 CuW70-TCr0.5连接方式

钨铜合金是由钨元素和铜元素所组成的,其组 织不互相固溶、不形成金属间化合物、两相单体混合 均匀。对于这样一种金属基复合材料,称其为“假合 金”[1]。钨铜合金的综合性能可以通过改变其化学 成分的比例而加以调整。笔者提出的钨铜合金材料 为 CuW70,导电端材料为 TCr0.5,两者理化性能分 别如表1,2所示。

根据 GIS设备用弧触头的使用环境,目前国内 钨铜合金与导电端的连接方式有真空整体烧结熔渗 成型[2]、焊接连接等,焊接连接的方式有真空银钎 焊[3]、真空电子束焊[4]和摩擦焊等,不同连接工艺的 接合面抗拉强度如表3所示。从表3可以看出:除 真空 银 钎 焊 外,其 他 连 接 工 艺 均 可 满 足 GB/T 8320—2017《铜钨及银钨电触头》对钨铜触头接合 面抗拉强度[5]的要求(≥226MPa)。

1.1 真空银钎焊

真空银钎焊连接的接合面抗拉强度最低,在高 速冲击位置存在钨铜合金触头脱落的风险;其耐热 性能较差,最高使用温度不得超过260℃,在灭弧室 大容量开断时存在熔断风险;同时钎焊过程中,受焊 料与基体间隙不均匀、焊面不平整、异物附着等因素 的影响,易造成气孔、夹杂等缺陷,降低了其钎着率,电器行业对钎焊触头的钎着率要求一般在85%以 上[6-7]。依据 GB/T7674—2020《额定电压72.5kV 及以上气体绝缘金属封闭开关设备》,对银钎焊弧触 头进行出厂机械操作试验,试验后弧触头宏观形貌 如图1所示。

1.2 真空电子

束焊 真空电子束焊连接的接合面抗拉强度较真空银 钎焊有一定的提高[8],其钎着率可达到95%以上; 但真空电子束焊的对中要求高,对中不良或电子束 偏移容易造成未熔接或者虚接(见图2)。同时电子 束焊热影响区 TCr0.5为退火态,接合面的抗拉强 度与基体相比有一定程度的降低,在灭弧室分合闸 操作过程中,因对中不良等原因,触头受到一定侧向 力的影响,接合面易开裂(见图3)。

1.3 摩擦焊

摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来 实现材料可靠连接的一种压力焊方法。作为一种固 相焊接方式[9],其可以使焊件金属不熔化,材料热影 响区小,接口组织为锻造组织。与真空银钎焊和真 空电子束焊相比,钨铜合金触头与导电端通过摩擦 焊方式连接,接合面具有良好的抗拉强度和钎着率, 内部缺陷 较 少,焊 缝 的 抗 拉 强 度 与 和 基 体 金 属 相 同[10]。摩擦焊接过程靠工件旋转、挤压实现,不能 实现非圆截面的焊接,另外受焊接设备转速、压力的 限制,摩擦焊接对工件直径要求高,不利于大直径的 弧触头及异形触头的连接。

1.4 整体烧结熔渗

采用整体烧结熔渗的成型工艺[11-12],可以避免 焊接过程中热影响区硬度下降,但其成型速率慢、成 本高;另外烧结过程中烧结温度大于 TCr0.5基体 的熔融温度,冷却后 Cr-Cu显微组织的晶粒粗大、 存在共晶等铸态组织,合金韧性有所降低。 综上,采 用 整 体 烧 结 熔 渗、摩 擦 焊 的 CuW70- TCr0.5弧触头接合面具有较好的力学性能[13],适 用于 GIS断路器用高速冲击、弹性弧触头。

2 弧触头失效分析及结构优化

2.1 弧触头失效分析

钨铜合金触头 Cu-TCr0.5的成型工艺为电子 束焊成型,其加工工艺流程为:配混粉→压钨坯→烧 结熔渗→车端面;下料→硬化处理→铜尾端加工→ 车端面;电子束焊→超声检测→精加工。 将弧触头装入插拔试验装置中进行万次插拔试 验,插拔 试 验 过 程 如 图 4 所 示,其 中 插 入 速 度 为 3m/s,拔出速度为9m/s,插入深度为45mm,试验 过程中弧触头导电端断裂[见图5a)]。对断裂面解 剖,发现断裂位置为 Cu-TCr0.5电子束焊接交界面 [见图5b)]。

为验证 CuW70端与 Cu端烧结后电子束焊连 接质 量 的 稳 定 性,按 照 GB/T8320—2017 要 求 对 Cu-TCr0.5电子束焊接合面进行力学性能测试。结 果表明:CuW70端的抗弯强度及 TCr0.5端的抗拉 强度符合标准要求,Cu-TCr0.5电子束焊焊接区的 抗拉强度为173MPa,低于 GB/T8320—2017标准 要求(≥226MPa)。其中弧触头试样从 Cu-TCr0.5 电子束焊位置呈缩颈断裂(见图6)。

对钨铜合金弧触头断面进行解剖,可以看出弧 触头的 CuW70接头与 TCr0.5铜尾之间存在变径 区域(见图7);对弧触头接合面进行应力分析,发现 CuW70与 TCr0.5之间的变径区域存在局部应力集 中,Cu过渡区及电子束焊接合面位于局部应力集中 区域(见图8)。

2.2 结构优化

根据上述分析结果可以发现,增强弧触头局部 应力集中位置的抗拉强度十分关键,可以采取以下 结构优化方案。 (1)将 CuW70-Cu烧结熔渗+Cu-TCr0.5电子 束焊焊接连接工艺转变为 CuW-TCr0.5 整体烧结 熔渗连接工艺。 (2)弧触头CuW70与 TCr0.5的连接结构由平 面连接转变为 T 型连接,增大整体烧结接合面面 积,同时使烧结接合面远离应力集中区域(见图9)

采用整体 烧 结 熔 渗 工 艺 的 CuW70-TCr0.5 弧 头接合面的力学性能测试结果如表4所示,由表 4可知:工艺优化后弧触头接合面的抗拉强度满足 标准 GB/T8320—2017 的要求(见表4)。

将弧触头装入插拔试验装置中,进行万次插拔 试验,无肉眼可见裂纹;对完成万次插拔试验的弧触 头进行弯曲试验,并对弯曲试验后的试样进行荧光 渗透检测,接合面弯曲试验及荧光渗透检测结果如 图10所示,可以发现无裂纹产生。

3 结论

(1)整 体 烧 结 熔 渗 + 摩 擦 焊 接 的 CuW70- TCr0.5弧触头接合面具有较好的力学性能,适用于 GIS断路器用承受高速冲击且具有一定弹性的弧 触头。 (2)CuW70-Cu烧结熔渗+Cu-TCr0.5电子束 焊 连 接 工 艺 弧 触 头,其 接 合 面 的 抗 拉 强 度 较 CuW70-TCr0.5整体烧结熔渗连接工艺接合面的抗 拉强度明显降低,同时电子束焊接存在未熔接、虚 接、结合面氧化的质量隐患,断路器在高速分合闸过 程中存在断裂风险。 (3)采用 CuW70-TCr0.5整体烧结熔渗连接工 艺,CuW70与 TCr0.5弧触头结构的连接方式为 T 型连接,增大了整体烧结熔渗接合面面积,避开了应 力集中区域,可以提高接合面的连接强度。

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