电气接地装置铜包钢接头熔接质量的控制

黄仰凯，吴小荣

（中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东广州 510726）

电气接地装置铜包钢接头熔接质量的控制

黄仰凯，吴小荣

（中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东广州 510726）

介绍电气接地装置铜包钢材料接头热焊熔接中出现的残缺、内部密集蜂窝状气孔、未熔合和漏浆等质量缺陷，对其形成原因进行试验分析，提出控制措施，指导工程施工，取得一定的效果。

电气接地；铜包钢；热焊熔接；缺陷；控制

笔者公司改扩建项目中，防雷、防静电和电气保护接地装置的接地体和接地线均采用铜包钢材料，接头连接方法是采用热焊熔接。在施工前期，出现接头熔焊质量不稳定，存在残缺、内部蜂窝状气孔、未熔合、漏浆等质量缺陷。据统计，圆柱形接地极与扁型接地线的T字型熔焊接头中，约70%要返工处理，扁钢与扁钢的T字型接头熔焊中，约60%要返工，既浪费材料，又延误工期。

1 铜包钢的性质

铜包钢材料采用特殊制造工艺，在低碳钢材的外表面均匀包上一层铜材，铜与铁之间形成无气隙、紧密接触的整体。由于25℃铜导体电阻率为1.7×10－8Ω·m，铁导电阻率为10×10－8Ω·m，基于导体的集肤效应，铜包钢材料作为接地导体，其导电性能比普通低碳钢好。其特点是抗腐蚀能力强、接头抗拉强度高和电阻率小。接头的部分物理化学性能如表1所示。

表1 EC－S120（27×7）铜包钢材料热焊熔接接头的部分物理化学性能

在华南地区多雨潮湿环境，特别是在炼化企业这种金属材料腐蚀比较严重的环境，采用铜包钢材料作为接地装置的接地极和接地母线是非常合适的。

2 热焊熔接工艺

2.1 工艺原理

热焊熔接是一种金属连接方法，通过金属铝粉与氧化亚铜的化学置换反应（放热反应）产生高温液态铜和氧化铝残渣，利用反应所产生的热能来熔化原材料表面的外包铜皮，实现铜分子之间的连接，无需外加能源或动力。焊接的反应方程式：

3Cu2O+2Al=6Cu+Al2O3+热量

热熔焊接所需的主要材料是焊粉，使用的工具有模具、模夹、点火枪、专用毛刷、专用钢刷、专用除渣铲、锉刀和喷灯等。模具由几部分组成，包括模穴、注入孔、模腔等。不同形状的连接有不同构造的模具，如直通型、T字型、十字型等等。化学反应在模穴内进行，经过注入孔，流入模腔，凝固成型。

2.2 热焊熔接接头的工艺要求

根据《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006中关于热焊熔接的工艺要求，热焊熔接接头必须符合下列规定[1]：

（1）被连接的导体必须完全包在接头里；

（2）要保证连接部位的金属完全熔化，连接牢固；

（3）接头的表面应平滑；

（4）接头应无贯穿性的气孔。

只要施工符合工艺要求，观感质量符合上述规定，可确定该接头为合格产品。

3 质量缺陷原因分析

3.1 蜂窝状气孔

施工初期，焊接接头成形比较差，为了了解熔焊接头内部的情况，随机抽取一个接头，从接头的中间剖开，剖开位置如图1所示，剖开后切面如图2所示，接头内有密集分布的蜂窝状气孔，中间部位也熔接不好，有缝隙，出现松脱现象。

蜂窝状气孔是由于化学反应时产生的气体积聚形成。使用喷灯烘烤模具和连接材料的端部，清除附着在其表面的水分、油污等杂物后，用相同规格、刚出厂的药粉，再做试验，重新做接头，然后剖开检查，发现内部气孔数量有逐步减少的趋势。认为反应产生的气体是连接材料的湿度、表面的油污所造成。

图1 圆棒接地极与扁钢T型接头剖开位置

图2 圆棒接地极与扁钢T型接头剖面

3.2 漏浆

热剂焊使用的反应模具，是采用耐高温和半永久性的石墨加工制造而成。这种模具能够承受金属熔化时的超高温，但是承受不了碰击和敲撬。模具的内棱角有一定的脆性，使用的次数多了，或者使用的方法不当，模腔内棱角就会崩落，如图3所示的T字型模具，施工时就容易出现漏浆，典型的连接头如图4所示。另外材料的规格尺寸不符合产品的标称尺寸，也会造成模具安装后密封不严。

图3 已磨损的T型模具

图4 圆棒接地极与扁钢T型接头出现漏浆

3.3 残缺和未熔合

调查发现在施工初期，施工人员不会辨别药粉的规格，错乱使用各种规格的药粉，将直通型接头的药粉用来制作T字型接头，当感到药粉量不能填满模穴时，粗略地增加一些，结果，药粉的量不足，反应产生的热量也不足，接头成形之后，敲掉上部熔渣，就出现残缺和未熔合，如图5和图6所示。

4 影响热焊熔接效果的主要因素

影响热焊熔接的主要因素大致有以下几个方面：

（1）水汽是影响热焊熔接的主要因素。模具内表面和被熔接物表面均可能吸附水分，影响施工质量。

（2）模具和被熔接物表面的清洁程度是影响热焊熔接的另一个因素。现场存放的被熔接物表面容易受污染，如容易附着尘土、油脂、氯化物(锈)等，模具内遗留的残渣不完全清除，也造成焊接接头表面不光滑。

（3）另一个影响热熔焊焊接效果的因素是药粉的量。焊接药粉剂量过多或过少，都会影响接头成形。

（4）模具的密封性差，也是影响热焊熔接接头成形的因素。模具与焊接材料规格不匹配，模具的内腔棱角磨损，铜包钢材料的规格尺寸不符合产品的标称尺寸，以及夹具变形都会影响模具的密封性。

图5 圆棒接地极与扁钢T字型接头残缺、未熔合

图6 扁钢T型接头未熔合

5 施工质量控制的措施和效果

综合以上分析，施工现场应从以下几方面进行熔接接头质量控制。

（1）严格执行进场材料报验制度，控制进场材料质量，特别是规格、型号和数量要符合设计要求。焊粉要在有效期内使用。

（2）认真做好现场成品、半成品的防护，设备、材料存放环境要符合规范和设备材料本身的技术要求，焊接药粉存放干燥环境，防止受潮，严禁雨天作业。

（3）正确使用模具，特别是使用前要先清理、烘干模具，清洁材料表面污渍杂物；模具与被熔接材料要匹配，安装好模具后，伸进模具内部的金属材料不应对模具产生任何应力，模具磨损后要及时更换。

（4）配备足够数量的模具。据统计，正常情况下，一个模具大约能重复使用20～30次，工程施工要根据接头的数量，配备足够数量的模具。

（5）作业人员要认真辨别药粉的规格与连接头的规格，做到一一对应。

（6）严格控制施工工艺质量，建议在每批材料施工前，进行工艺评定，评定的标准可以采取剖开检查，并参考《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006中关于接地体连接的要求。

通过以上几方面措施的把关，铜包钢材料熔接接头质量得到控制，在后续工程施工中热熔焊接接头质量符合规范的要求。

［1］GB50169-2006.电气装置安装工程接地装置施工及验收规［S］.

Thermal Weld Quality Control of Copper Clad Steel Connectors in Electric Grounding Device

HUANG Yang-kai，WU Xiao-rong
（SINOPEC Guangzhou Company，Guangzhou 510726，China）

Introduced the honey comb porosity，the lack of fusion，the slurry leak and some quality defects occurred in the thermal weld of the copper clad steel connectors used in electric grounding device，analyzed the main cause of the connector quality defects.Some measures are suggested to meet the construction quality requirements of acceptance specification.

electric grounding；copper clad steel；thermal weld；fault quality control

TG442

A

1009－9492(2014)02－0092－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.026

黄仰凯，男，1969年生，广东揭阳人，大学本科，工程师。研究领域：电气工程及其自动化。已发表论文3篇。

(编辑：王智圣)

2013－08－09