CN111633289B - 一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，属于轨道交通电力机车变压器用铜连接件加工制造技术领域。通过将退火后的铜管先压接再焊接于圆铜绞线端头，使圆铜绞线端头形成一定大小的平面。具体步骤包括：筛选铜管、铜管退火，预置片状焊料、压接、焊接、机加工。由于圆铜绞线本身结构限制，难以与铜排直接进行钎焊，将圆铜绞线经过此方法处理后，有效地解决了此问题，并且可操作性更好，成品率更高。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通电力机车变压器用铜连接件加工制造技术领域，具体涉及一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法。
背景技术
在轨道交通电力机车变压器中，圆铜绞线作为一种连接件，需要与铜板、铜棒等焊接。但由于圆铜绞线本身结构是由多股铜线绞制而成且截面呈圆形的，并且，圆铜绞线下料剪断后，端头容易松散，所以难以与铜板或铜棒直接进行钎焊，成品率较低，圆铜绞线端头直接与铜板焊接后，接头强度较低，安全性较差。
所以，通过将圆铜绞线端头设置套管与铜板或铜棒直接进行钎焊是很有必要的。现有的圆铜绞线端头套管与铜板或铜棒进行搭接钎焊时，总体的成品率和生产效率低；铜套管与圆铜绞线之间，结合力较低，接头强度不佳，安全可靠性不能保障；同时，焊接时采用普通的焊丝，焊缝强度和韧性差，容易出现焊缝断裂和裂纹。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明的目的是克服圆铜绞线与铜板或铜棒难以直接焊接的不足，提供一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，可以使圆铜绞线与铜板铜棒焊接方便，焊接后接头强度较高，成品率高。
本发明的技术方案是：一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，包括以下步骤：
(1)筛选铜管：根据圆铜绞线的面积大小，选择合适直径和壁厚的铜管；
(2)铜管退火：将步骤(1)筛选的铜管按焊接尺寸裁切成一段或两段，然后按一定热处理工艺对铜管退火；
(3)预置片状焊料：在圆铜绞线端头包裹片状焊料，然后将步骤(2)退火好的铜管套在圆铜绞线端头；
(4)压接：将步骤(3)装配好的端头在压接设备和模具中压扁固定，使圆铜绞线端头形成一定大小的平面；
(5)焊接：将步骤(4)加工好的端头，用钎焊设备进行加热焊接，过程中需用焊丝进行焊缝填补；
(6)机加工：对步骤(5)焊接好的端头，根据产品需要，进行机加工。
进一步地，所述步骤(2)中对铜管退火时，采用去应力退火的方式，具体过程为：首先，对铜管表面进行酸洗、清水冲洗和干燥处理，其中，酸洗试剂为浓度为25-30％的盐酸溶液；其次，将经过上述处理后的铜管放置于加热装置中，并向其中通入纯度为99.99％的氮气，以9-11℃/min的升温速率对铜管进行退火处理，直至温度升至650-750℃，并保温5-8h；最后随炉冷却，得到退火后的铜管，通过对铜管表面进行清洁处理，去除其表面的氧化物、金属屑、灰尘及其他夹杂，避免表面杂质进入退火炉，从而影响铜管的表面清洁度，降低后续焊接后接头处的强度，同时，通过对铜管进行去应力退火处理，降低铜管的硬度，提高塑性，以利后续压接加工。
进一步地，所述步骤(5)中所用的焊丝为抗开裂复合层焊丝，其具体结构为：位于最内层的金属焊芯、包覆于所述金属焊芯外部的多孔骨架层、填充于所述多孔骨架层内的连接层、包覆于所述连接层外部的增韧层，其中，多孔骨架层的材质为微碳铬铁，连接层的材质为铋、铅、铟以及锡，所述增韧层的材质为镍粉和锰粉，通过设置材质为微碳铬铁材的多孔骨架层可增加焊丝的整体强度和耐磨性，需要焊接时，微碳铬铁还可与C生成具有较高的强度和硬度的Cr7C3等金属化合物，可进一步增加焊丝的强度和耐磨性，避免焊接处出现断裂后进行二次焊接，通过向多孔骨架层内渗入铋、铅、铟以及锡组成的合金，当焊接时，该合金熔化后可用于连接相互焊接的工件，提高焊接的牢靠性能，通过在最外层包覆材质为镍和锰，具有较强的固溶强化作用，可提高焊接合金的强度和韧性，避免出现开裂现象。
进一步地，上述抗开裂复合层焊丝的制作过程为：
S1：首先，将金属焊芯表面打磨抛光，再通过超声波清洗的方式清洗8-10min，在室温下，将经上述处理的金属焊芯浸入0.1mol/L硝酸溶液中刻蚀，然后在无水乙醇溶液中清洗、吹干，得到预处理后的金属焊芯，通过硝酸溶液对金属焊芯表面进行刻蚀，使其表面粗糙化，增加了金属焊芯的表面积以及多孔骨架层与金属焊芯接触面积、结合力，提高了焊丝的强度，避免焊丝断裂现象的发生，影响焊接效果；
S2：其次，将微碳铬铁装入中频感应炉中，熔化，将上述微碳铬铁熔液置于喷雾干燥塔中以190-200℃的温度喷雾干燥，然后，将表面喷涂有微碳铬铁的金属焊芯置于转动装置上，在真空环境下，以35-40r/min的转速转动，并向其中通入氩气直至真空度为15-20Pa，将氩气离化为氩离子，并利用上述氩离子对上述金属焊芯表面进行等离子溅射刻蚀后，得到多孔的基体一；
S3：然后，将铋、铅、铟以及锡金属粉末混合，将上述多孔基体一固定在工作台上，利用物理气相沉积的方法将混合后的上述金属粉末喷涂至多孔基体一的表面或者孔洞内，形成基体二，通过将铋、铅、铟以及锡金属粉末混合后喷涂至多孔结构中，增加了连接层中铋、铅、铟以及锡金属的含量，提高焊接的牢靠性能；
S4：最后，将镍粉和锰粉粉末混合，将上述混合粉末吹向基体二表面进行激光熔化沉积处理，形成增韧层。
进一步地，所述步骤S4中，采用激光熔化沉积处理时，激光功率750-850W，激光束扫描速率8-15mm/s，送粉速率15-25g/min，且激光束垂直扫描并同轴吹送氩气。
进一步地，所述步骤(4)处理后得到的圆铜绞线端头处进行压花处理，通过压花处理后的圆铜绞线端头平面的粗糙度大大增加，同时增加焊接点数量，提高了焊接的牢固性。
进一步地，所述步骤(5)中对焊接处理后的圆铜绞线端头，在进行拉伸试验时，圆铜绞线端头的破坏方式为：从圆铜绞线在热影响区断裂，而不应该整股绞线从铜管中抽离，因为圆铜绞线内部金属材质的本身强度比焊缝金属低，若整股绞线从铜管中抽离，容易使圆铜绞线断裂。
更进一步地，将步骤(4)加工好的端头进行焊接前，先放入烘烤炉内，在温度为300-350℃条件下加热，保温3-5h完成预热，端头焊接完成后，在上述烘烤炉内内，控制温度为150-200℃加热，并保温2-3h完成高温回热处理，其中，烘烤炉内内压力为100-105KPa，通过对端头进行焊接前进行预热以及焊接完成后回热，目的是为了降低焊缝的冷却速度，避免焊接过后冷裂纹的产生。
本发明的有益效果是：本发明提供种一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，本发明具备以下的优点：
1、本发明通过将圆铜绞线端头套铜管，并经过压接和焊接后，圆铜绞线端头得到一个具有一定大小的平面，一方面，可以利用得到的平面，方便地与铜板或铜棒进行搭接钎焊，可以提高总体的成品率和生产效率；另一方面，这种方法处理后的铜管与圆铜绞线之间，结合力较高，接头强度较大，安全可靠性更有保障。
2、本发明对圆铜绞线端头套铜管前，先对铜管表面清洁并退火处理，一方面，去除其表面的氧化物、金属屑、灰尘及其他夹杂，避免表面杂质进入退火炉，从而影响铜管的表面清洁度，降低后续焊接后接头处的强度；另一方面，降低铜管的硬度，提高塑性，以利后续压接加工。
3、本发明使用具有高强度、抗开裂性能的抗开裂复合层焊丝进行焊接，通过设置材质为微碳铬铁材的多孔骨架层可增加焊丝的整体强度和耐磨性，需要焊接时，微碳铬铁还可与C生成具有较高的强度和硬度的Cr7C3等金属化合物，可进一步增加焊丝的强度和耐磨性，避免焊接处出现断裂后进行二次焊接，通过向多孔骨架层内渗入铋、铅、铟以及锡组成的合金，当焊接时，该合金熔化后可用于连接相互焊接的工件，提高焊接的牢靠性能，通过在最外层包覆材质为镍和锰，具有较强的固溶强化作用，可提高焊接合金的强度和韧性，避免出现开裂现象。
4、本发明通过对圆铜绞线端头进行焊接前进行预热以及焊接完成后回热，目的是为了降低焊缝的冷却速度，避免焊接过后冷裂纹的产生，增加焊接效果。
附图说明
图1为本发明的两端头经过焊接处理后的圆铜绞线示意图；
图2为本发明的两端头经过焊接处理后的圆铜绞线的截面图；
图3为本发明的抗开裂复合层焊丝的结构示意图。
其中，1-铜管、2-圆铜绞线、3-焊料、4-金属焊芯、5-多孔骨架层、6-连接层、7-增韧层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，包括以下步骤：
(1)筛选铜管：选取圆铜绞线的面积为95mm2，选择直径为18mm和壁厚为2mm的铜管；
(2)铜管退火：将步骤(1)筛选的铜管按焊接尺寸平均裁切成两段，然后按一定热处理工艺对铜管退火；
(3)预置片状焊料：在圆铜绞线端头包裹片状焊料，然后将步骤(2)退火好的铜管套在圆铜绞线端头；
(4)压接：将步骤(3)装配好的端头在压接设备和模具中压扁固定，使圆铜绞线端头形成一定大小的平面，如图1、2所示；
(5)焊接：将步骤(4)加工好的端头，用钎焊设备进行加热焊接，过程中需用焊丝进行焊缝填补；
(6)机加工：对步骤(5)焊接好的端头，进行端面铣加工。
其中，步骤(5)中对焊接处理后的圆铜绞线端头，在进行拉伸试验时，圆铜绞线端头的破坏方式为：从圆铜绞线在热影响区断裂，而不应该整股绞线从铜管中抽离，因为圆铜绞线内部金属材质的本身强度比焊缝金属低，若整股绞线从铜管中抽离，容易使圆铜绞线断裂。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不用之处在于：
步骤(2)中对铜管退火时，采用去应力退火的方式，具体过程为：首先，对铜管表面进行酸洗、清水冲洗和干燥处理，其中，酸洗试剂为浓度为28％的盐酸溶液；其次，将经过上述处理后的铜管放置于加热装置中，并向其中通入纯度为99.99％的氮气，以10℃/min的升温速率对铜管进行退火处理，直至温度升至700℃，并保温7h；最后随炉冷却，得到退火后的铜管，通过对铜管表面进行清洁处理，去除其表面的氧化物、金属屑、灰尘及其他夹杂，避免表面杂质进入退火炉，从而影响铜管的表面清洁度，降低后续焊接后接头处的强度，同时，通过对铜管进行去应力退火处理，降低铜管的硬度，提高塑性，以利后续压接加工。
实施例3
本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：
步骤(5)中所用的焊丝为抗开裂复合层焊丝，其具体结构为：位于最内层的金属焊芯4、包覆于金属焊芯4外部的多孔骨架层5、填充于多孔骨架层5内的连接层6、包覆于连接层6外部的增韧层7，其中，金属焊芯4材质为银，多孔骨架层5的材质为微碳铬铁，连接层6的材质为铋、铅、铟以及锡，增韧层7的材质为镍粉和锰粉，通过设置材质为微碳铬铁材的多孔骨架层5可增加焊丝的整体强度和耐磨性，需要焊接时，微碳铬铁还可与C生成具有较高的强度和硬度的Cr7C3等金属化合物，可进一步增加焊丝的强度和耐磨性，避免焊接处出现断裂后进行二次焊接，通过向多孔骨架层5内渗入铋、铅、铟以及锡组成的合金，当焊接时，该合金熔化后可用于连接相互焊接的工件，提高焊接的牢靠性能，通过在最外层包覆材质为镍和锰，具有较强的固溶强化作用，可提高焊接合金的强度和韧性，避免出现开裂现象；
上述抗开裂复合层焊丝的制作过程为：
S1：首先，将金属焊芯4表面打磨抛光，再通过超声波清洗的方式清洗9min，在室温下，将经上述处理的金属焊芯4浸入0.1mol/L硝酸溶液中刻蚀，然后在无水乙醇溶液中清洗、吹干，得到预处理后的金属焊芯4，通过硝酸溶液对金属焊芯4表面进行刻蚀，使其表面粗糙化，增加了金属焊芯4的表面积以及多孔骨架层5与金属焊芯4接触面积、结合力，提高了焊丝的强度，避免焊丝断裂现象的发生，影响焊接效果；
S2：其次，将微碳铬铁装入中频感应炉中，熔化，将上述微碳铬铁熔液置于喷雾干燥塔中以200℃的温度喷雾干燥，然后，将表面喷涂有微碳铬铁的金属焊芯4置于转动装置上，在真空环境下，以38r/min的转速转动，并向其中通入氩气直至真空度为18Pa，将氩气离化为氩离子，并利用上述氩离子对上述金属焊芯4表面进行等离子溅射刻蚀后，得到多孔的基体一；
S3：然后，将铋、铅、铟以及锡金属粉末混合，将上述多孔基体一固定在工作台上，利用物理气相沉积的方法将混合后的上述金属粉末喷涂至多孔基体一的表面或者孔洞内，形成基体二，通过将铋、铅、铟以及锡金属粉末混合后喷涂至多孔结构中，增加了连接层6中铋、铅、铟以及锡金属的含量，提高焊接的牢靠性能；
S4：最后，将镍粉和锰粉粉末混合，将上述混合粉末吹向基体二表面进行激光熔化沉积处理，形成增韧层7，其中，激光功率750-850W，激光束扫描速率8-15mm/s，送粉速率15-25g/min，且激光束垂直扫描并同轴吹送氩气。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，不同之处在于：
步骤(4)处理后得到的圆铜绞线端头处进行压花处理，通过压花处理后的圆铜绞线端头平面的粗糙度大大增加，同时增加焊接点数量，提高了焊接的牢固性。
实施例5
本实施例与实施例4基本相同，不同之处在于：
步骤(4)加工好的端头进行焊接前，先放入烘烤炉内，在温度为330℃条件下加热，保温4h完成预热，端头焊接完成后，在上述烘烤炉内内，控制温度为180℃加热，并保温2.5h完成高温回热处理，其中，烘烤炉内内压力为100KPa，通过对端头进行焊接前进行预热以及焊接完成后回热，目的是为了降低焊缝的冷却速度，避免焊接过后冷裂纹的产生。
试验例
按本发明的实施例1-5的焊接方法焊接后的圆铜绞线端头处焊缝的相关性能参数如表1所示：
表1：实施例1-5的方法焊接后的圆铜绞线端头处焊缝的相关性能参数
由此可知，对比表1中实施例1-5可知，利用实施例1的焊接方法对圆铜绞线端头进行焊接处理后，焊缝处的各项性能均没有实施例2-5的焊接方法性能优，其中，实施例5的性能最优，这是由于实施例5是结合了前四个实施例的技术方案，同时，对端头焊接前进行预热以及焊接完成后回热，降低焊缝的冷却速度，避免焊接过后冷裂纹的产生，所以，采用实施例5的焊接方法对圆铜绞线端头进行焊接处理后，焊缝处强度和韧性高，且焊缝不易开裂，端头铜套管与圆铜绞线之间，结合力高，接头强度较佳，安全可靠。
Claims (4)
1.一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)筛选铜管：根据圆铜绞线的面积大小，选择合适直径和壁厚的铜管；
(2)铜管退火：将步骤(1)筛选的铜管按焊接尺寸裁切成一段或两段，然后按一定热处理工艺对铜管退火；
(3)预置片状焊料：在圆铜绞线端头包裹片状焊料，然后将步骤(2)退火好的铜管套在圆铜绞线端头；
(4)压接：将步骤(3)装配好的端头在压接设备和模具中压扁固定，使圆铜绞线端头形成一定大小的平面；
(5)焊接：将步骤(4)加工好的端头，用钎焊设备进行加热焊接，过程中需用焊丝进行焊缝填补；
(6)机加工：对步骤(5)焊接好的端头，根据产品需要，进行机加工；
所述步骤(2)中对铜管退火时，采用去应力退火的方式，具体过程为：首先，对铜管表面进行酸洗、清水冲洗和干燥处理，其中，酸洗试剂为浓度为25-30％的盐酸溶液；其次，将经过上述处理后的铜管放置于加热装置中，并向其中通入纯度为99.99％的氮气，以9-11℃/min的升温速率对铜管进行退火处理，直至温度升至650-750℃，并保温5-8h；最后随炉冷却，得到退火后的铜管；
所述步骤(5)中所用的焊丝为抗开裂复合层焊丝，其具体结构为：位于最内层的金属焊芯(4)、包覆于所述金属焊芯(4)外部的多孔骨架层(5)、填充于所述多孔骨架层(5)内的连接层(6)、包覆于所述连接层(6)外部的增韧层(7)，其中，多孔骨架层(5)的材质为微碳铬铁，连接层(6)的材质为铋、铅、铟以及锡，所述增韧层(7)的材质为镍粉和锰粉；
上述抗开裂复合层焊丝的制作过程为：
S1：首先，将金属焊芯(4)表面打磨抛光，再通过超声波清洗的方式清洗8-10min，在室温下，将经上述处理的金属焊芯(4)浸入0.1mol/L硝酸溶液中刻蚀，然后在无水乙醇溶液中清洗、吹干，得到预处理后的金属焊芯(4)；
S2：其次，将微碳铬铁装入中频感应炉中，熔化，将上述微碳铬铁熔液置于喷雾干燥塔中以190-200℃的温度喷雾干燥，然后，将表面喷涂有微碳铬铁的金属焊芯(4)置于转动装置上，在真空环境下，以35-40r/min的转速转动，并向其中通入氩气直至真空度为15-20Pa，将氩气离化为氩离子，并利用上述氩离子对上述金属焊芯(4)表面进行等离子溅射刻蚀后，得到多孔的基体一；
S3：然后，将铋、铅、铟以及锡金属粉末混合，将上述多孔基体一固定在工作台上，利用物理气相沉积的方法将混合后的上述金属粉末喷涂至多孔基体一的表面或者孔洞内，形成基体二；
S4：最后，将镍粉和锰粉粉末混合，将上述混合粉末吹向基体二表面进行激光熔化沉积处理，形成增韧层(7)。
2.根据权利要求1所述的一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用激光熔化沉积处理时，激光功率750-850W，激光束扫描速率8-15mm/s，送粉速率15-25g/min，且激光束垂直扫描并同轴吹送氩气。
3.根据权利要求1所述的一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，其特征在于，所述步骤(4)处理后得到的圆铜绞线端头处进行压花处理。
4.根据权利要求1所述的一种用于电力机车变压器的圆铜绞线的端头焊接处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中对焊接处理后的圆铜绞线端头，在进行拉伸试验时，圆铜绞线端头的破坏方式为：圆铜绞线在热影响区断裂。
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