Page 19 - 理化检验-物理分册2022年第七期

张五杰, 等: 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

响区小, 接口组织为锻造组织。与真空银钎焊和真 为验证 CuW70 端与 Cu 端烧结后电子束焊连

空电子束焊相比, 钨铜合金触头与导电端通过摩擦 接质 量 的 稳 定 性, 按 照 GB / T8320 — 2017 要 求 对
焊方式连接, 接合面具有良好的抗拉强度和钎着率, Cu-TCr0.5 电子束焊接合面进行力学性能测试。结
内部缺陷 较 少, 焊 缝 的 抗 拉 强 度 与 和 基 体 金 属 相 果表明: CuW70 端的抗弯强度及 TCr0.5 端的抗拉
同 [ 10 ] 。摩擦焊接过程靠工件旋转、 挤压实现, 不能 强度符合标准要求, Cu-TCr0.5 电子束焊焊接区的

实现非圆截面的焊接, 另外受焊接设备转速、 压力的 抗拉强度为 173MPa , 低于 GB / T8320 — 2017 标准
限制, 摩擦焊接对工件直径要求高, 不利于大直径的 要求( ≥226 MPa )。其中弧触头试样从 Cu-TCr0.5

弧触头及异形触头的连接。 电子束焊位置呈缩颈断裂( 见图 6 )。
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。
图 6 焊缝缩颈断裂宏观形貌
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 对钨铜合金弧触头断面进行解剖, 可以看出弧
用于 GIS 断路器用高速冲击、 弹性弧触头。 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
2 弧触头失效分析及结构优化
CuW70 与 TCr0.5 之间的变径区域存在局部应力集
2.1 弧触头失效分析 中, Cu过渡区及电子束焊接合面位于局部应力集中
钨铜合金触头 Cu-TCr0.5 的 成 型 工 艺 为 电 子 区域( 见图 8 )。
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
图 7 弧触头解剖断面示意
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 )]。

图 8 弧触头接合面应力分析结果
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
图 4 插拔试验过程示意
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
图 5 弧触头导电端断裂形貌 积, 同时使烧结接合面远离应力集中区域( 见图 9 )。
3