搅拌摩擦焊在高压封闭电器通电导体中的应用

薛根奇，胡延伟，宿国友

（1．平高集团有限公司焊接技术及压力容器实验室，河南平顶山467001；2．河南平高电气股份有限公司，河南平顶山467001；3.上海航天设备制造总厂，上海200245）

搅拌摩擦焊在高压封闭电器通电导体中的应用

薛根奇1，2，胡延伟2，宿国友3

（1．平高集团有限公司焊接技术及压力容器实验室，河南平顶山467001；2．河南平高电气股份有限公司，河南平顶山467001；3.上海航天设备制造总厂，上海200245）

结合高压封闭电器通电导体材料及结构形式，采用搅拌摩擦焊焊接6063-T6铝合金管材、棒材组成的对带垫板对接焊缝，确定最佳的焊接工艺参数，并按NB/T47014-2011进行焊接工艺评定。在搅拌头转速900 r/min、焊接速度150 mm/min工艺参数条件下可获得性能优良的焊接接头，焊接接头的抗拉强度达到母材的77.2％，焊缝金属导电率达到母材的93％，通电导体回阻电阻6.95 μΩ/m，焊接接头经超声检测未见焊接缺陷，焊缝经剖开、抛光、腐蚀后观察，焊缝根部熔合良好。实验检测结果与高压封闭电器产品的技术要求对比，搅拌摩擦焊焊接的通电导体满足产品的技术要求，在高压封闭电器产品中安装使用效果良好。

搅拌摩擦焊；6063铝合金；通电导体；高压封闭电器

0 前言

搅拌摩擦焊（FSW）技术是一种是高效绿色环保的固相连接技术，通过高速旋转的搅拌头缓慢接触被焊工件，搅拌头轴肩微量压入工件表面而搅拌针插入焊缝，在搅拌头高速旋转与工件摩擦产生的摩擦热作用下，使焊缝材料达到塑性状态，搅拌头前进移动时塑化材料在顶锻力、搅拌力作用下移动到搅拌头的后方，摩擦热与散热达到动态平衡而形成焊缝。近年来国内外各院校及企业对搅拌摩擦焊进行了大量研究[1-4]，搅拌摩擦焊在航空航天、汽车工业、轨道交通、船舶制造等领域应用较多，为铝筒等金属的焊接提供了良好的解决方案[5-8]。

通电导体是高压开关封闭电器中的主要零部件，它是封闭电器中的电流载体，通电电流3～8 kA，电压等级35～1 100 kV。通电导体由中空的导电管两端焊接实心导体接头组成，中间导电管直径60～260mm，壁厚10～20mm，长度500～12000mm，两端接头形式根据产品要求而变化，如图1所示。导体接头经机加工并镀银后焊接在导电管两端，焊接过程需要特别注意导体头镀银面的保护，镀银面划伤或飞溅等都会影响通电导体的导电效果，导致整个通电导体报废。

图1 通电导体结构形式

通电导体接头形式一般为锁底Y形接头，采用熔化极氩弧焊（MIG）打底及填充+钨极氩弧焊（TIG）焊重熔（提高表面质量，避免出现针孔缺陷），焊接过程需适当控制热输入，避免导体两端接头温度过高影响镀银层的结合力，焊缝余高用风铣刀或其他方式将其清除并打磨光滑平整，导体表面的粗糙度Ra3.2。

基于搅拌摩擦焊的绿色环保、无烟尘、无辐射、无焊材消耗、产热少、热影响区窄等特点，考虑采用搅拌摩擦焊焊接通电导体。

1 试验材料及设备

1.1 试验材料

先采用10 mm厚板材进行工艺参数试验，再用与通电导体相同的材料φ90×15管6063-T6及φ90棒6063-T6进行试件焊接试验。材料的化学成分符合GB/T3190，实测值如表1所示。

表1 6063化学成分实测值％

1.2 试件接头形式

10板6063采用I形对接接头，无间隙；管棒试件采用与通电导体相同的尺寸和结构形式，焊接接头采用类似带垫板的I形接头，间隙尽量小。

1.3 试验装备及试验参数

（1）试验设备及工装：HT-JM16搅拌摩擦焊设备及专用通电导体焊接工装。

（2）试验搅拌头形式：轴肩直径φ14 mm，圆锥螺丝型搅拌头，搅拌针长度9.7 mm，直径φ3.5 mm。

（3）工艺参数：搅拌头旋转速度800～900 r/min、焊接速度120～140 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 焊接试验结果及分析

不同焊接参数下的焊接接头强度如表2所示。

搅拌摩擦焊参数中，搅拌头转速和焊接速度是两个重要参数，直接决定了搅拌摩擦焊接头的质量和性能。

搅拌头转速直接影响焊接区域的热循环温度，转速过低时焊接峰值温度低，材料流动性差，易形成缺陷；转速过高时焊接峰值温度高，材料流动性好，但焊接接头的热力影响区和热影响区退火严重，也会降低焊接接头性能。

焊接速度是影响焊接热循环的重要参数，是决定焊接接头性能的重要因素。焊接速度高，焊接线能量低，焊接热循环温度低，材料流动性差，对材料转移效率要求高；焊接速度低，焊接线能量高，焊接热循环温度高，材料流动性好，对材料转移效率要求低。

上述两参数若组合不当，不仅焊接接头性能偏低，焊缝中还会出现缺陷。搅拌摩擦焊应用中常见的缺陷有隧道型缺陷、犁沟型缺陷、未焊透、吻接等。

表2 不同焊接工艺下焊缝的抗拉强度

隧道型缺陷存在于焊缝内部，呈隧道状，内壁粗糙不平。造成此类缺陷的原因是：材料温度低，流动性差，搅拌针后方材料不能及时填充，最终形成隧道缺陷。

犁沟型缺陷存在于焊缝表面搅拌针前进侧，内壁粗糙。造成此类缺陷的原因是：材料温度低，流动性差，搅拌针及轴肩后方材料不能及时填充。

未焊透缺陷主要是因为搅拌针长度与接头厚度尺寸差距较大，搅拌针未影响到接头底部材料，从而形成未焊透缺陷。

吻接缺陷的形成主要是因为搅拌针端部距离接头底部尺寸偏大，搅拌针对底部材料影响不充分，造成该部分材料被挤压在一起，但未形成充分结合。

经过设计工艺评审以满足产品使用的要求，确定焊接试验检测项目：焊接工艺评定试验（焊接试件进行拉伸弯曲试验），搅拌摩擦焊焊缝金属的导电率、通电导体的回路电阻、焊缝的熔透解剖型式试验，焊缝金属的金相组织确认。

2.2 焊接工艺评定

按照NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》，将FSW焊接的导体分解加工试件进行机械性能试验（拉伸及弯曲试验），工艺评定试样如图2所示。试验结果见表3。

图2 焊接工艺评定试样

表3 导体试件机械性能试验结果

根据GB/T3191 6063 T6，室温下抗拉强度为205 MPa，搅拌摩擦焊均值为158.2 MPa，达到母材的77.2％。面弯及背弯试件未见弯曲裂纹及焊接缺陷。

2.3 焊缝金属的导电率测试

对FSW焊后通电导体的焊缝部位进行导电率测试，并对比MIG焊焊缝的导电率，测试结果如表4所示。

表4 焊缝导电率检测结果

根据测试结果，6063-T6通电导体母材部分导电率为58.5％IACS，近焊缝处导电率为58.3％IACS。焊缝处导电率平均为54.6％IACS，达到本体FSW的93％；MIG焊接导电管焊缝的导电率平均为28.7％ IACS，导电率约为本体的51％。FSW焊缝导电率与母材相近是因为没有填加焊丝，焊缝金属组织及成分与母材接近。MIG焊采用ER5356焊丝，导电率低于6063。

导体的回路电阻分别为6 μΩ、5.6 μΩ，导体回路电阻小于产品性能（产品的要求回路电阻小于10 μΩ）。

2.4 通电导体的回路电阻测试

用回路电阻测试仪分别测量FSW、MIG焊接的通电导体的回路电阻，测量设备型号Y2FHL-300，计量编号ER-16-0109，通电导体回路电阻测量值

如表5所示。

表5 通电导体回路电阻测试结果

2.5 焊缝的熔透解剖及无损检测

超声波检测FSW的导体焊缝，未发现焊缝内部缺陷，再进行解剖、抛光、腐蚀查看焊接的宏观熔透效果，如图3所示。

图3 导体FSW焊缝熔透情况

根据导体FSW焊缝结构形式，焊缝相当于垫板的焊缝，要求焊缝熔深10 mm，焊缝截面呈酒杯形，焊缝完全熔透。

2.6 搅拌擦摩擦焊焊缝表面低凹处理

搅拌摩擦焊时，由于顶锻压力使焊缝表面低于母材表面约0.5 mm，而高压封闭电器通电导体要求母材与焊缝表面平齐光滑，表面粗糙度要求为Ra3.2。为保证焊缝表面通电导体的接头，预留0.5 mm，导电管端部30 mm采用胀形0.5 mm后加工相关的装配对接直口及坡口焊缝打磨处理。焊接及处理后的导体如图4所示，开始在生产中安装应用。

图4 FSW焊接的通电导体

3 结论

（1）采用搅拌摩擦焊对φ90mm×12.5mm 6063-T6铝合金管及φ90 mm 6063-T6铝合金棒进行通电导体焊接工艺评定，焊接接头为带垫板的I形对接接头，焊缝抗拉强度158.2 MPa，达到母材强度的77.2％。

（2）通电导体的焊缝金属导电率为54.7％IACS，达到母材的93％，完全焊透，通电导体的整体回阻电阻为6.95 μΩ/m。

（3）搅拌摩擦焊焊接通电导体，经解剖根部焊接良好，未见焊接缺陷，通电导体单件电管进行胀形处理，焊后打磨处理。

（4）对采用搅拌摩擦焊焊接的通电导体进行工艺评定、焊缝金属导电率测试、导体回路电阻测试、单件胀形及表面处理，达到产品的性能要求。该焊接产品在高压封闭电器产品中使用良好。

[1]邱宇，郭晓娟，李光，等.5083铝合金的搅拌摩擦焊研究[J].电焊机，2014，44（4）：58-59.

[2]董继红，佟建华，郭晓娟，等.30 mm 7A05铝合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能[J].焊接学报，2012，33（4）：65-68.

[3]张欣盟，杨景宏，王春生，等.搅拌摩擦焊技术及其应用发展[J].焊接，2015（1）：29-32.

[4]夏罗生，朱树红.2519铝合金搅拌摩擦焊工艺研究[J].金属铸锻焊技术，2010，39（6）：144-146.

[5]王永景，陈文静，许莉，等.铝合金搅拌摩擦焊接头性能研究[J].热加工工艺，2014，43（17）：179-184.

[6]简波，倪淑凤，康占祥，等.搅拌摩擦焊接大厚度铝合金法兰框的应用研究[J].航空制造技术，2014（5）：105-108.

[7]何广忠，王锋袁，李军，等.搅拌摩擦焊技术在高速动车组铝合金厚板焊接上的应用研究[J].热加工工艺，2014，44（3）：206-211.

[8]栾国红，郭德伦.搅拌摩擦焊技术在中国的发展和推广应用[J].航空制造技术，2014（17）：70-75.

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，河南郏县人，高级工程师，硕士，主要从事焊接工艺及设备自动化技术推广应用研究工作。