CN102267024A

CN102267024A - 一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料及其引燃剂

Info

Publication number: CN102267024A
Application number: CN2011101880931A
Authority: CN
Inventors: 李卓然; 王征征; 刘羽; 吴广东
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: HEILONGJIANG PATENT TECHNOLOGY DEVELOPMENT COMPANY
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102267024B

Abstract

一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料及其引燃剂，它涉及放热焊的焊料及其引燃剂。本发明解决了现有的放热焊热熔焊剂得到的焊接接头中含有杂质，导致焊接接性能差的技术问题。本发明的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料由氧化铜粉、铜粉、工业纯铝粉、锌粉、锆粉、硅铁粉、氟石粉、大理石粉和镧铈合金粉组成。用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂由镁粉、氧化铜粉、工业纯铝粉、高锰酸钾粉和红磷粉组成；使用时用于接地系统中接地体放热焊的焊料与引燃剂的质量比为78～82∶1。焊料中各元素及稀土元素可对焊接接头净化。可用于铜、铜合金、钢材、镀锌钢材、铜包钢、不锈钢及高阻加热热源材料的焊接。

Description

一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料及其引燃剂

技术领域

本发明涉及放热焊的焊料及其引燃剂。

背景技术

随着电力系统的发展，电力系统中对接地装置的要求越来越严格，长期、可靠、安全的接地系统是维护电力系统稳定运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施。弱电系统对接地装置提出了低电阻率、高耐蚀性的要求。接地装置常由于焊接接头的腐蚀而失效，质量可靠的连接接头是接地系统长期安全运行的有力保障。目前通常采用铜合金来提高接地系统的导电性能。对于电气连接，尤其是室外土壤埋设的方式的电气连接方式都是采用放热焊焊接的方法，放热焊接是利用铝与氧化铜的化学反应，在耐高温的石墨模具内利用高温使活性较强的铝将氧化铜还原，通过模具内产生超高热铜液熔融金属导体，利用一定形状、尺寸的模具型腔来完成熔接接头的现代焊接工艺，通常亦称放热焊接、放热熔焊、火泥熔接。放热焊焊接质量取决于热熔焊料和相应的引燃剂的化学组成。公开号为CN1069215A的中国专利公开了一种用氧化铜(CuO)粉和铝(Al)粉为主，并加入纯铜(Cu)粉、氟化钙(CaF₂)粉、硅钙(Ca₂₈Si₆₀)粉作为添加剂组成的热熔焊料；该热熔焊料得到的焊接接头含有杂质元素氢、氧、硫、磷，对接头的焊接质量、稳定性和导电能力都有不利的影响，仍需要在焊后对接头进行净化处理。公开号为CN1559745A的中国专利在上述方案的基础上进行了改进，加入一定量的锌与锡，对焊接接头进行合金化，提高接头的抗腐蚀性能，但焊接接头仍含有杂质元素氢、氧、硫、磷，容易产生热裂纹和气孔，降低接头的稳定性和导电性。

发明内容

本发明是要解决现有的放热焊热熔焊剂得到的焊接接头中含有杂质，导致焊接接性能差的技术问题，而提供一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料及其引燃剂。

本发明的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料按重量份数比由40～50份的氧化铜粉、30～50份的铜粉、10～15份的工业纯铝粉、1～2份的锌粉、1～4份的锆粉、1～2份硅的质量百分含量为0.15％～0.35％的硅铁粉、4～5份氟石粉、1～2份大理石粉、0.1～0.5份镧铈合金粉组成。

本发明的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的制备方法按以下步骤进行：一、按重量份数比由40～50份的氧化铜粉、30～50份的铜粉、10～15份的工业纯铝粉、1～2份的锌粉、1～4份的锆粉、1～2份硅的质量百分含量为0.15％～0.35％的硅铁粉、4～5份氟石粉、1～2份碳酸钙粉、0.1～0.5份镧铈合金粉；二、将步骤一称取的氧化铜粉和铝粉加入到混合机中，混合6min～10min后，再将步骤一称取的硅铁粉、氟石粉和碳酸钙粉加入到混合机中，继续混合6min～10min后，再将步骤一称取的锌粉和锆粉加入到混合机中，继续混合6min～10min后，再将步骤一称取的镧铈合金粉加入到混合机中，继续混合6min～10min后，得到用于接地系统中接地体放热焊的焊料。

上述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂按重量份数比由10～20份的镁粉、40～60份的氧化铜粉、10～15份的工业纯铝粉、5～10份的高锰酸钾粉、5～10份红磷粉组成；使用时用于接地系统中接地体放热焊的焊料与引燃剂的质量比为78～82∶1。

在铜及铜合金热熔焊接过程中，由于晶粒严重长大，杂质元素及有害元素的掺入，有益合金元素的氧化、蒸发等，使接头的性能发生很大变化，主要表现为：一、接头热脆倾向增大；由于铜及铜合金无同素异构转变，在焊缝结晶过程中，易产生大量的柱状晶，晶粒严重长大，使得接头的塑性显著下降，脆性增大；柱状晶的结晶方式将合金中常见的杂质元素有氧、硫、铅、磷、铋及砷等排入到焊缝内部，少量的杂质元素能完全固溶于铜中，但当杂质元素含量超过其在铜中的溶解度而出现多相结构时，将显著降低铜的各种性能，与铜形成(Cu+Cu₂O)、(Cu+Cu₂S)、(Cu+Bi)和(Cu+Pb)等多种低熔点共晶，这些低熔点共晶组织在熔池结晶过程中分布在树枝晶间或晶界处，增加了材料的脆性和焊接热裂纹的敏感性。在这些杂质中，氧的危害性最大，它不但在冶炼时以杂质的形式存在于铜内，在焊接过程中，也会以Cu₂O的形式存在于焊缝金属中，Cu₂O能与Cu生成熔点略低于铜的低熔点共晶物，会导致焊接热裂纹的产生。二、气孔的产生；在铜及铜合金焊接时，出现气孔的倾向性较大，所形成的气孔几乎分布于焊缝的各个部位。气孔的形成主要与氢、氧和氮在铜中的溶解有关，而且熔池凝固时间短也加剧了气孔的形成倾向。三、导电性下降；焊接过程中杂质元素和合金元素的溶入都会不同程度地降低接头的导电性能。

本发明中采用粉末粒度为氧化铜粉末与工业纯铝粉末发生铝热反应。由于铝和氧化铜发生铝热反应时，反应速度快，放热量大，容易产生爆炸，威胁到焊接操作人员的人身安全，因此加入一定量的铜以控制反应过程，起到相当于冷却作用；加入镧铈合金，稀土元素是化学活性极高的稀土元素，能与合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性；而且稀土元素对氧、硫、磷等有害杂质有较强的亲和力，对焊接接头进行净化，提高了接头的导电性能，同时也避免了在树枝晶间或晶界处生成低熔共晶组织，降低了焊缝的热裂倾向；在去除杂质时所形成的镧的化合物具有很高的熔点，在焊缝结晶过程，为结晶提供形核点，多点分布，多点形核，使得晶粒细化，增加了焊缝的韧性。此外，镧元素能有效地降低氢在铝液中的活度，使氢析出气体的压力降低，减少在接头上出现氢致针孔和气孔现象，从而降低了焊接过程对潮湿环境的敏感性。考虑到锆既能强化铜又不明显降低其导电性，本发明中选择在加入金属锆粉末，同时加入金属锌，既保证了合金化效果，也保证了接头的导电性能。加入大理石粉(即碳酸钙(CaCO₃))、氟石、硅铁，大理石粉主要用于造渣，并可减轻氢、硫、磷的危害；氟石(CaF₂)主要起到造渣和稀渣的作用，也可降低氢的含量；硅铁主要用于焊缝脱氧，进一步降低杂质元素对焊接接头的危害。

本发明用于接地系统中接地体放热焊的焊料在日常运输储存过程中不会发生化学反应，需用引燃剂引燃后才能发生化学反应完成焊接过程。本发明的用于接地系统中接地体放热焊的焊料用于可广泛应用于铁路导轨、电气设备接地工程处理、防雷接地及浪涌保护、智能化大厦建设、石油化工工程建设、阴极防腐保护等许多方面的焊接。适用于焊接铜、铜合金、钢材、镀锌钢材、铜包钢、不锈钢及高阻加热热源材料等多种金属类型。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料按重量份数比由40～50份的氧化铜粉、30～50份的铜粉、10～15份的工业纯铝粉、1～2份的锌粉、1～4份的锆粉、1～2份硅的质量百分含量为0.15％～0.35％的硅铁粉、4～5份氟石粉、1～2份大理石粉、0.1～0.5份镧铈合金粉组成。

本实施方式中采用粉末粒度为氧化铜粉末与工业纯铝粉末发生铝热反应。由于铝和氧化铜发生铝热反应时，反应速度快，放热量大，容易产生爆炸，威胁到焊接操作人员的人身安全，因此加入一定量的铜以控制反应过程，起到相当于冷却作用；加入镧铈合金，稀土元素是化学活性极高的稀土元素，能与合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性；而且稀土元素对氧、硫、磷等有害杂质有较强的亲和力，对焊接接头进行净化，提高了接头的导电性能，同时也避免了在树枝晶间或晶界处生成低熔共晶组织，降低了焊缝的热裂倾向；在去除杂质时所形成的镧的化合物具有很高的熔点，在焊缝结晶过程，为结晶提供形核点，多点分布，多点形核，使得晶粒细化，增加了焊缝的韧性。此外，镧元素能有效地降低氢在铝液中的活度，使氢析出气体的压力降低，减少在接头上出现氢致针孔和气孔现象，从而降低了焊接过程对潮湿环境的敏感性。考虑到锆既能强化铜又不明显降低其导电性，本实施方式中选择在加入金属锆粉末，同时加入金属锌，既保证了合金化效果，也保证了接头的导电性能。加入大理石粉、氟石、硅铁，大理石粉主要用于造渣，并可减轻氢、硫、磷的危害；氟石(CaF₂)主要起到造渣和稀渣的作用，也可降低氢的含量；硅铁主要用于焊缝脱氧，进一步降低杂质元素对焊接接头的危害。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化铜粉(CuO)的粒度为60目～270目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量纯度≥99％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：氧化铜粉(CuO)的粒度为200目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量纯度为99.5％。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：铜粉的粒度为30目～60目，铜粉中铜的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：铜粉的粒度为50目，铜粉中铜的质量百分含量为99.6％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：工业纯铝粉的粒度为60目～100目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：工业纯铝粉的粒度为80目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量为99.8％。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：锌粉的粒度为60～100目，锌粉中锌的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：锌粉的粒度为80目，锌粉中锌的质量百分含量为99.8％。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：锆粉的粒度为60～100目，锆粉中锆的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：锆粉的粒度为80目，锆粉中锆的质量百分含量为99.9％。其它与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：硅铁粉的粒度为60～100目。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：硅铁粉的粒度为80目。其它与具体实施方式一至十一之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：氟石粉的粒度为60～100目。其它与具体实施方式一至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：氟石粉的粒度为80目。其它与具体实施方式一至十三之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：镧铈合金粉的粒度为100～150目；镧铈合金粉中镧铈合金的质量百分含量≥99％；镧铈合金中铈元素的质量百分含量为62％～68％、镧铈合金粉中镧元素的质量百分含量为32％～38％。其它与具体实施方式一至十五之一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：镧铈合金粉的粒度为120目；镧铈合金粉中镧铈合金的质量百分含量为99.8％；镧铈合金中铈元素的质量百分含量为65％、镧铈合金粉中镧元素的质量百分含量为35％。其它与具体实施方式一至十五之一相同。

具体实施方式十八：具体实施方式一的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂按重量份数比由10～20份的镁粉、40～60份的氧化铜粉、10～15份的工业纯铝粉、5～10份的高锰酸钾粉、5～10份红磷粉组成；使用时用于接地系统中接地体放热焊的焊料与引燃剂的质量比为78～82∶1。

本实施方式的与具体实施方式一的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料配合使用的引燃剂中使用了镁粉，较容易点燃，点燃后释放大量的热量，促使高锰酸钾释放出氧气并加剧红磷的燃烧，进而促进工业纯铝和氧化铜粉末发生稳定的铝热反应，利用其释放的热量点燃焊剂的铝热反应，实现焊接过程；引燃剂中选用高锰酸钾，化学稳定性好，不会因其储运操作等过程中的碰撞或震动而发生爆炸。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十八不同的是：镁粉的粒度为150目～200目，镁粉中镁的质量百分含量≥98％。其它与具体实施方式十八相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十八不同的是：镁粉的粒度为180目，镁粉中镁的质量百分含量为99％。其它与具体实施方式十八相同。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十八至二十之一不同的是：氧化铜粉(CuO)的粒度为60目～270目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式十八至二十之一相同。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式十八至二十之一不同的是：氧化铜粉(CuO)的粒度为200目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量为99.5％。其它与具体实施方式十八至二十之一相同。

具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式十八至二十二之一不同的是：工业纯铝粉的粒度为30目～60目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量≥99％。其它与具体实施方式十八至二十二之一相同。

具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式十八至二十二之一不同的是：工业纯铝粉的粒度为50目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量为99.5％。其它与具体实施方式十八至二十二之一相同。

具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式十八至二十四之一不同的是：高锰酸钾粉的粒度为150目～200目。其它与具体实施方式十八至二十四之一相同。

具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式十八至二十四之一不同的是：高锰酸钾粉的粒度为180目。其它与具体实施方式十八至二十四之一相同。

具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式十八至二十六之一不同的是：红磷粉末的粒度为150目～200目。其它与具体实施方式十八至二十六之一相同。

具体实施方式二十八：本实施方式与具体实施方式十八至二十六之一不同的是：红磷粉末的粒度为180目。其它与具体实施方式十八至二十六之一相同。

具体实施方式二十九：本实施方式的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料按重量份数比由42份的氧化铜粉、36份的铜粉、12份的工业纯铝粉、1份的锌粉、1份的锆粉、1份硅的质量百分含量为0.30％的硅铁粉、4.2份氟石粉、1.3份大理石粉和0.5份镧铈合金粉组成。

本实施的用于接地系统中接地体放热焊的焊料的制备方法按以下步骤进行：一、按重量份数比称取42份的氧化铜粉、36份的铜粉、12份的工业纯铝粉、1份的锌粉、1份的锆粉、1份硅的质量百分含量为0.30％的硅铁粉、4.2份氟石粉、1.3份大理石粉和0.5份镧铈合金粉；二、将步骤一称取的氧化铜粉和铝粉加入到WH-500双锥高效混料机中，混合10min后，再将步骤一称取的硅铁粉、氟石粉和碳酸钙粉加入到混合机中，继续混合10min后，再将步骤一称取的锌粉和锆粉加入到混合机中，继续混合10min后，再将步骤一称取的镧铈合金粉加入到混合机中，继续混合10min后，得到用于接地系统中接地体放热焊的焊料。

本实施方式的WH-500双锥高效混料机是无锡市昊昊粉体设备厂生产的。

与本实施方式的用于接地系统中接地体放热焊的焊料配合使用的引燃剂按重量份数比由15份的镁粉、50份的氧化铜粉、12份的工业纯铝粉、8份的高锰酸钾粉、7份红磷粉组成；使用时用于接地系统中接地体放热焊的焊料与引燃剂的质量比为80∶1。

本实施方式的用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂的制备方法是：按重量份数比称称取15份的镁粉、50份的氧化铜粉、12份的工业纯铝粉、8份的高锰酸钾粉、7份红磷粉并混合均匀，得到与用于接地系统中接地体放热焊的焊料配合使用的引燃剂。

利用本实施方式的用于接地系统中接地体放热焊的焊料和引燃剂热熔焊接两根铜电缆的方法按以下步骤进行：按照用于接地系统中接地体放热焊的焊料和引燃剂的质量比80∶1，分别称取用于接地系统中接地体放热焊的焊料和引燃剂，将用于接地系统中接地体放热焊的焊料放置在石墨焊接模具模腔内铜托盘上，引燃剂放置在焊料的上面并铺展开，用电子点火枪引燃引燃剂后，反应放出的热量使焊料在焊接处熔融成铜合金，在10秒钟内熔融的铜合金冷却，完成焊接过程。

本实施方式的主要具有优点如下：金属铜的加入，对剧烈反应的铝热反应有一定的冷却作用，防止因反应过程太过剧烈而产生的爆炸，保障了焊接操作人员的人身安全。锌的加入，在焊接过程中对焊接接头进行合金化，提高了接头的抗腐蚀性能；锆的加入，在合金化的基础上保证了接头的导电性，以满足电力系统对接地装置的要求。镧铈合金的加入，能与合金元素发生相互作用，改善焊缝的组织以及夹杂物的形态和分布，从而提高焊缝的韧性；可以起到脱氧、脱硫、去除有害杂质的作用，对焊接接头进行净化，提高了接头的导电性能，同时降低了焊接接头的热裂倾向；还可抑制接头中出现氢致针孔和气孔，降低焊接过程对潮湿环境的敏感性。

Claims

1.一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于用于接地系统中接地体放热焊的焊料按重量份数比由40～50份的氧化铜粉、30～50份的铜粉、10～15份的工业纯铝粉、1～2份的锌粉、1～4份的锆粉、1～2份硅的质量百分含量为0.15％～0.35％的硅铁粉、4～5份氟石粉、1～2份大理石粉、0.1～0.5份镧铈合金粉组成。

2.根据权利要求1所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于氧化铜粉的粒度为60目～270目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量纯度≥99％。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于铜粉的粒度为30目～60目，铜粉中铜的质量百分含量≥99％。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于工业纯铝粉的粒度为60目～100目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量≥99％。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于锌粉的粒度为60～100目，锌粉中锌的质量百分含量≥99％。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料，其特征在于镧铈合金粉的粒度为100～150目；镧铈合金粉中镧铈合金的质量百分含量≥99％；镧铈合金中铈元素的质量百分含量为62％～68％、镧铈合金粉中镧元素的质量百分含量为32％～38％。

7.如权利要求1所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂，其特征在于用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂按重量份数比由10～20份的镁粉、40～60份的氧化铜粉、10～15份的工业纯铝粉、5～10份的高锰酸钾粉、5～10份红磷粉组成；使用时用于接地系统中接地体放热焊的焊料与引燃剂的质量比为78～82∶1。

8.根据权利要求7所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂，其特征在于镁粉的粒度为150目～200目，镁粉中镁的质量百分含量≥98％。

9.根据权利要求7或8所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂，其特征在于氧化铜粉的粒度为60目～270目；氧化铜粉中氧化铜的质量百分含量≥99％。

10.根据权利要求7或8所述的一种用于接地系统中接地体放热焊的焊料的引燃剂，其特征在于工业纯铝粉的粒度为30目～60目，工业纯铝粉中铝的质量百分含量≥99％。