CN110042389B - 大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺，包括以下步骤：1）对大电流铝母线金具端子表面进行预处理，手工打磨去除表面氧化物，保证工件表面露出基体铝合金材料；2）在大电流铝母线金具端子待熔覆银层的另一侧安装支撑底板，再将整个工件安装到工作台上；3）对待熔覆银层部位进行清洗，去除表面残余油污，保证银层制备面充分洁净；4）利用激光熔覆设备对大电流铝母线金具端子的一侧进行熔覆银处理5）对大电流铝母线上不同的金具端子的两侧均采用步骤2）‑步骤4）的操作进行熔覆银处理，再对工件熔覆银层的地方进行打磨，完成处理。本发明得到的银涂层，涂层致密，与基体结合效果好。

Description

大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺
技术领域
本发明涉及导电部件的处理，具体为一种大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺。
背景技术
大电流铝母线是电气回路中重要的导电部件，为提高其导电能力，减小接触电阻，常在其接头接触面上镀银来达到此目的。但是现有的镀银工艺，存在镀层薄、结合强度低的问题，由于在使用中，过流大，温升较高，以及受空气中硫化影响，镀银层常出现老化、起皮、脱落等问题，大大降低了其使用寿命，严重的会引起停机，造成电量损失。同时，电镀电解液中常需使用氰化物类的剧毒物质，国家发改委公布的《产业结构调整指导目录》已将“含氰电镀”列为“淘汰类”。
热喷涂是制备银涂层的一种方法，但是这种方法工况恶劣，会造成很大的噪音；热输入大，会造成工件变形；银涂层孔隙率大，致密度不高，且涂层与基体的结合强度介于冶金结合与机械咬合之间，并未达到真正的冶金结合。另外，此方法的粉末利用率低，不易回收，会造成一定涂层材料浪费。
发明内容
本发明提供一种大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺，采用激光熔覆技术在大电流铝母线金具端子表面上熔覆银层，银层致密，与基体结合效果好，而且该工艺不涉及任何有毒化学物品，绿色环保。
本发明采取的技术方案是，大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺，包括以下步骤：
1)对大电流铝母线金具端子表面进行预处理，手工打磨去除表面氧化物，保证工件表面露出基体铝合金材料；
2)在大电流铝母线金具端子待熔覆银层的另一侧安装支撑底板，再将整个工件安装到工作台上；
3)对待熔覆银层部位进行清洗，去除表面残余油污，保证银层制备面充分洁净；
4)利用激光熔覆设备对大电流铝母线金具端子的一侧进行熔覆银层，操作过程中，控制激光波长1080nm，激光功率为2500-2700W，送银粉量为2.5-3.0g/min，送粉气压力为0.4MPa，送粉气流量9L/min；保护气压力0.6MPa，保护气流量14L/min，熔覆速度为6-8mm/s，搭接率为40-50％；
5)对大电流铝母线上不同的金具端子的两侧均采用步骤2)-步骤4)的操作进行熔覆银处理，再对工件熔覆银层的地方进行打磨，得到满足银层厚度要求的工件。
进一步地，所述大电流铝母线上设有多个金具端子，对每个端子的两侧进行熔覆银层处理。
进一步地，步骤2)中，所述的支撑底板为钢板，钢板尺寸比端子的尺寸大一点，如宽度和长度都分别大2cm。
进一步地，所述支撑底板与大电流铝母线金具端子之间通过至少两个G字钳进行固定。钢板与金具端子放置在一起，通过G字钳夹紧固定，G字钳与金具端子待激光熔覆表面是局部接触，激光熔覆先完成G字钳未接触到金具端子的区域，然后暂停，松开G字钳，完成接触部分的熔覆。钢板和G字钳的使用可以预防金具端子变形，进一步地，在金具端子上激光熔覆银处理，以激光作为热源，能量十分集中，整体热输入小，不会造成金具端子变形。
进一步地，步骤3)中清洗时，采用酒精或者丙酮进行清洗。
进一步地，所述步骤4)中熔覆银层的厚度为0.5～0.7mm，经过打磨后银涂层厚度大于0.3mm。
进一步地，步骤5)中打磨过程中掉落的银屑收集，返回银粉制造工艺进行再利用。
进一步地，熔覆银层中使用的银材料为银粉，流动性优于30s/50g。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用激光熔覆技术在大电流铝母线金具端子表面制备银涂层，激光能量集中，利用激光作为热源，采用合理的激光能量密度，可以将铝合金的工件表面熔化，有效形成熔池而不被气化，然后将银粉作为原材料通过送粉装置送入熔池，熔化并快速冷却，银层凝固在工件表面，熔覆银层与工件的基材达到冶金结合，可以大幅提高基材性能。可以通过控制单位时间内的送粉量和熔覆层层数，对熔覆层厚度进行控制，避免银层厚度达不到要求的情况发生，而且可以在工件表面形成组织致密，厚度均匀的银涂层。
2、本发明采用激光熔覆技术，在大电流铝母线金具端子表面形成的银涂层色泽均匀，呈现出银白光泽。金相试样显示银熔覆层内部组织均匀，由于银粉进入熔池熔融，冷却凝固成型，银熔覆与铝板基材冶金结合，无任何冶金缺陷，且银熔覆层厚度可以达到0.5mm以上。银熔覆层抛光打磨后，银熔覆层厚度可达0.3mm，为镀银工艺厚度10倍以上。表面平整度高，粗糙度达到Ra＝0.8μm，满足金具端子的使用需要。
经激光熔覆处理的银熔覆层，与基材冶金结合，不会存在银层起皮、脱落的问题，且厚度大大增加，当表面硫化严重时，通过常规手持抛光手段，去除表面硫化层，露出银层即可继续使用，过程简单方便，避免了银层重新制备，金具端子拆装等工作，维护便捷，使用寿命延长10倍以上。
激光熔覆处理制备的银熔覆层，结合强度高，性能稳定，不会在设备使用中出现问题。此外导电性能比电镀银更优，可以提高导电率，减少电力损失。
3、激光熔覆操作前，在大电流铝母线金具端子待熔覆银层的另一侧安装支撑底板，可以防止操作过程中端子发生变形。
4、采用激光熔覆技术进行银层熔覆，整个工艺过程简单，流程可固化，而且银涂层制备过程中安静，稳定，能耗低，粉末利用率高；不涉及任何有毒化学物品的使用，不产生有毒废弃物，绿色环保，通过常规的防护，即可避免对操作人员造成伤害。
5、大电流铝母线接头金具端子激光熔覆银层中，铝板是基材，银粉为熔覆粉材，两者对于波长为1000nm以上的激光吸收率非常低，不足6％，本发明通过激光提供更多能量输入。铝板的熔点约为660℃，导热性好，如果过大的能量输入会造成铝板表面熔池过大，影响熔覆层成型效果和稀释率。此外银粉的熔点约为961℃，过低的熔池温度不会使银粉充分融化，因此激光的热输入是非常关键的一个工艺因素。针对以上情况，发明人经过控制一系列的参数如激光波长、激光功率、熔覆速度、送粉量、搭接量、送粉气压力、送粉气流量、保护气压力、保护气流量及熔覆单层厚度等，可以有效完成进行激光熔覆银处理。
附图说明
图1为大电流铝母线及其上的多个铝合金金具端子照片。
图2为采用本发明工艺处理之前的端子图片。
图3为金具端子预处理打磨后的照片。
图4为实施例1激光熔覆处理时的加工轨迹。
图5为金具端子激光熔覆作业后的照片。
图6为金具端子激光熔覆处理打磨后的图片。
图7为采用本发明工艺处理后金具端子的金相组织。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐明本发明。
实施例1：
大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺，包括以下步骤：
1)对大电流铝母线金具端子表面进行预处理，手工打磨去除表面氧化物，保证工件表面露出基体铝合金材料；打磨过程中采用电动角磨机金相操作；
2)在大电流铝母线金具端子待熔覆银层的另一侧安装支撑底板，再将整个工件安装到工作台上；支撑底板为钢板，采用至少两个G字钳将端子与支撑底板进行固定；
3)采用酒精对待熔覆银层部位进行清洗，去除表面残余油污，保证银层制备面充分洁净；
4)利用激光熔覆设备对大电流铝母线金具端子的一侧进行熔覆银层，操作过程中，控制激光功率为2500W，送银粉量为2.7g/min，送粉气压力为0.4MPa，送粉气流量9L/min；保护气压力0.6MPa，保护气流量14L/min，扫描速度为6mm/s，搭接率为45％；具体熔覆时，根据端子的形状设计加工轨迹，具体如图4所示。金具端子待熔覆区域为长方形，为保证熔覆质量，提高熔覆效率，设计从左至右，单向熔覆的方式进行激光熔覆银处理，最终通过多道熔覆搭接，完成一个面的银熔覆层的处理。激光熔覆时，机械手夹持激光头作为运动载体，送粉器将银粉通过粉路送至喷嘴，激光器通过光纤将激光传输至喷嘴口，电磁阀控制送粉器和保护气流量大小。以上设备按上述参数配合按预定加工轨迹，进行激光熔覆银作业。
5)对大电流铝母线上不同的金具端子的两侧均采用步骤2)-步骤4)的操作进行熔覆银处理，再对工件熔覆银层的地方进行打磨，得到满足银层厚度要求的工件。
图1中为大电流铝母线及其上的8个铝合金金具端子照片。图2为采用本发明工艺处理之前的端子图片，其为镀银的金具端子，一段时间使用后表面出现严重的硫化发黑，银层脱落，起皮等问题。图3为金具端子预处理打磨后的照片。图5为金具端子激光熔覆作业后的照片。图6为金具端子激光熔覆处理打磨后的图片，经过激光熔覆技术处理后的金具端子，表面色泽均匀，呈银白色，达到了修复使用的效果。图7为采用本发明工艺处理后端子的金相组织。从金相组织看出，银熔覆层组织致密，均匀，与基材冶金结合，没有冶金缺陷，质量可靠。
对金具端子在各个阶段的厚度值测量，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002078890850000041
Figure BDA0002078890850000051
该实施例得到的大电流铝母线接触面大电流通流能力试验通过第三方机构试验验证：根据《GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》，在接触面积均为120*120mm2时，通流以4550A(接触面电流密度为0.157A/mm2),激光熔覆银涂层接触面温升值比镀银层接触面更低，具体如下表2所示。
表2
Figure BDA0002078890850000052

Claims (8)

1.大电流铝母线金具端子表面激光熔覆银层工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）对大电流铝母线金具端子表面进行预处理，手工打磨去除表面氧化物，保证工件表面露出基体铝合金材料；
2）在大电流铝母线金具端子待熔覆银层的另一侧安装支撑底板，再将整个工件安装到工作台上；
3）对待熔覆银层部位进行清洗，去除表面残余油污，保证银层制备面充分洁净；
4）利用激光熔覆设备对大电流铝母线金具端子的一侧进行熔覆银层，激光熔覆时，机械手夹持激光头作为运动载体，送粉器将银粉通过粉路送至喷嘴，激光器通过光纤将激光传输至喷嘴口，电磁阀控制送粉器和保护气流量大小，操作过程中，控制激光波长1080nm，激光功率为2500-2700W，送银粉量为2.5-3.0g/min，送粉气压力为0.4MPa，送粉气流量9L/min；保护气压力0.6MPa，保护气流量14L/min，熔覆速度为6-8mm/s，搭接率为40-50%；
5）对大电流铝母线上不同的金具端子的两侧均采用步骤2）-步骤4）的操作进行熔覆银处理，再对工件熔覆银层的地方进行打磨，得到满足银层厚度要求的工件。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述大电流铝母线上设有多个金具端子，对每个端子的两侧进行熔覆银层处理。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤2）中，所述的支撑底板为钢板。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于：所述支撑底板与大电流铝母线金具端子之间通过至少两个G字钳进行固定。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤3）中清洗时，采用酒精或者丙酮进行清洗。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述步骤4）中熔覆银层的厚度为0.5～0.8mm，经过打磨后银涂层厚度大于0.3mm。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：步骤5）中打磨过程中掉落的银屑收集，返回银粉制造工艺进行再利用。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：熔覆银层中使用的银材料为银粉，流动性优于30s/50g。
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