一种寒冷自然环境下铝母线的焊接方法和装置

本发明涉及焊接，特别涉及一种寒冷自然环境下铝母线的焊接方法和装置。

背景技术：

1、铝母线是电力输变电系统中关键的设备(材料)之一，对输变电系统及电力设备的安全、可靠运行起着至关重要的作用。优质的电力铝母线焊接接口能很大程度地降低系统的电压降，从而大大节省能源消耗。因此电力铝母线的焊接质量直接影响电力传输的效果和效率。然而，每年寒冷季节，中国北方的大部分地区室外温度都将大幅降低，过低的室外温度会极大影响铝母线的焊接质量。因为在低温环境中，焊条燃烧合成反应产生的热量快速向周围空气中散失，焊接热效率低，焊接热量少，熔池温度低，出现未焊透、未熔合、焊缝短、焊道成形差等现象。同时也由于环境温度低，熔池冷却速度快，液态熔池存在时间短，结晶凝固快，使非金属成分和气体没有足够的时间从液态合金中上浮和溢出，渣液、气液分离不完全，形成夹渣、气孔等缺陷。此外，铝及铝合金具有线胀系数大特点，因此在焊接时易产生裂纹。基于这些问题，很多工程规定在恶劣环境下一律不允许室外焊接，这种做法会极大延误工期。另一方面，冬季是供电系统故障的多发期，为了尽快解决供电问题，室外焊接修复是必要的。

2、已有一些可应用于室外铝母线焊接的方法。如专利cn102126072a中提供了一种水平敷设大截面铝母线焊接施工方法，该方法使用mig焊接，使填充焊接材料和焊丝同时在熔池结晶槽内冷却成形，提高焊接效率，减少焊接变形和热裂纹。但该方法的设备以及操作复杂，所需电源功率大，不适合于室外焊接。而专利cn1788885a则用熔炼设备加热熔化按一定比例配制好的铝和铝合金，将熔融的铝合金液浇铸到熔腔内，利用熔融金属的高温熔化母材金属，同时填充焊缝，实现焊接。但在寒冷自然环境下熔炼设备使用困难，同时熔融的合金液可能很快会冷却影响焊接质量。

3、为了更好地实现寒冷自然环境的焊接，一方面要考虑焊接方法是否适合室外进行，另一方面要考虑室外环境温度对焊接的影响，而自蔓延焊接可以同时满足这两者的要求。自蔓延反应是利用化学反应自身放热的一种技术。利用化学反应放热，完全(或部分)不需要外热源；通过快速自动燃烧进行自维持反应；并且可以通过改变反应组分来控制过程的速度、温度。自蔓延焊接与传统处理方法相比，工序少、工艺简单、升降温速度快，夹杂少，冶金结合质量好，成本低廉。且一经引燃可自发快速进行，无需对其进一步提供任何能量，十分适合于室外焊接。但目前罕有使用自蔓延焊接的方法被报道。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，包括，

2、将待焊接的铝母线对齐贴紧形成焊接处；

3、提供高热剂、自蔓延焊剂以及预热自蔓延试剂，并使用预热自蔓延试剂反应产生的热量对高热剂和自蔓延焊剂进行预热处理；

4、预热处理后利用高热剂引发自蔓延焊剂反应产生焊接液，使用所述焊接液对所述焊接处进行焊接。

5、进一步地，所述自蔓延焊剂的组分以质量百分比计包括：铝粉35％～55％、氧化锡12％～18％、硫酸钠15％～20％、镍粉3％～5％、氧化钙5％～8％、硅粉3％～8％、低碳硼铁粉1％～3％、氟化钙4.5％～6％、铈粉1％～2％。高热剂主要由铝热剂和火药组成，引燃后瞬间产生高温，引发自蔓延反应开始进行。高热剂能够保证自蔓延焊剂反应即可，其质量无需严格限定。

6、其中，自蔓延焊剂中铝粉含量最高，一方面保证反应的充分进行，另一方面反应产生的热量使多余铝粉充分熔化，得到高温熔融铝液，对铝母线进行焊接。

7、进一步地，所述预热自蔓延试剂的组分以质量百分比计包括：铝粉14％～17％、四氧化三铁34％～37％、硫酸钠15％～20％、氧化铜9％～15％、氧化钙8％～10％、氟化钾2.5％～7％。

8、其中，预热自蔓延试剂中四氧化三铁和硫酸钠成本低廉，与铝的反应平稳，释放热量较多，可以充分发挥加热的作用。

9、进一步地，所述预热自蔓延试剂的组分以质量百分比计包括：铝粉14％～17％、四氧化三铁34％～37％、硫酸钠15％～20％、氧化铜9％～15％、氧化钙8％～10％、氟化钾2.5％～7％。

10、进一步地，焊接结束后等待焊接好的铝母线完全冷却，对焊接好的铝母线去除焊渣并进行打磨以完成焊接。

11、进一步地，所述预热处理的温度为380～450℃、时间为5～10s。

12、进一步地，所述自蔓延焊剂和所述预热自蔓延试剂中各组分的细度为150～375目。

13、进一步地，在焊接结束后还收集预热自蔓延试剂反应后的产物，进行回收处理。

14、本发明也提供了上述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法使用的装置，包括第一容器、第二容器、第一引线和第二引线；

15、所述第二容器同轴设置于所述第一容器中，所述第一容器底部设置有第一通孔，所述第二容器底部设置有与第一通孔相通的第二通孔以及封堵第二通孔的挡片，使用时，第二容器用于给高热剂引发自蔓延焊剂反应产生焊接液提供场所，所述焊接液能够熔化所述挡片后从所述第二通孔流出；

16、所述第一通孔和所述第二容器的间隙用于放置预热自蔓延试剂；

17、所述第一引线和所述第二引线分别用于引发预热自蔓延试剂和自蔓延焊剂反应。

18、进一步地，所述第一容器和所述第二容器呈圆柱结构，所述第二容器的直径与所述间隙的宽度比为8～10：1。

19、进一步地，所述第二容器存放的高热剂和自蔓延焊剂的高度与所述间隙内存放的预热自蔓延试剂的高度比为1.2～1.8：1。

20、进一步地，所述装置还包括设置于所述第二容器下方的底座，所述底座用于固定待焊接的铝母线形成焊接处。

21、进一步地，所述第一通孔和所述第二通孔的轴心和直径相同，直径都为0.1～0.2m

22、进一步地，所述第一容器和所述第二容器可以为坩埚，示例性地，坩埚的材质可以为石墨，第一容器(外层坩埚)内壁可以喷涂常用的高温脱模剂，第二容器(内层坩埚)的外壁和内壁可以喷涂石墨烯涂层和常用的高温脱模剂，石墨烯涂层可以保证良好的导热性，高温脱模剂可以防止自蔓延反应产生的生成物不会粘在坩埚壁上。

23、相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

24、本发明所用自蔓延焊剂反应稳定，成本低廉。焊剂中加入的硅、硼、氟化钙等组分能减少夹渣，提高焊接质量。本发明以自蔓延高温合成反应的放热为焊接热源，以反应生成的金属产物为填料，在无电、无气条件下实现金属结构的焊接。反应速度快，操作简单，工作人员只需点燃引线即可实现自动焊接，且无需携带大型设备。

技术特征：

1.一种寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，其特征在于，包括，

2.根据权利要求1所述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，其特征在于，所述自蔓延焊剂的组分以质量百分比计包括：铝粉35％～55％、氧化锡12％～18％、硫酸钠15％～20％、镍粉3％～5％、氧化钙5％～8％、硅粉3％～8％、低碳硼铁粉1％～3％、氟化钙4.5％～6％、铈粉1％～2％。

3.根据权利要求1所述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，其特征在于，所述预热自蔓延试剂的组分以质量百分比计包括：铝粉14％～17％、四氧化三铁34％～37％、硫酸钠15％～20％、氧化铜9％～15％、氧化钙8％～10％、氟化钾2.5％～7％。

4.根据权利要求1所述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，其特征在于，所述预热处理的温度为380～450℃、时间为5～10s。

5.根据权利要求1所述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法，其特征在于，所述自蔓延焊剂和所述预热自蔓延试剂中各组分的细度为150～375目。

6.一种权利要求1～5任一项所述的寒冷自然环境下铝母线的焊接方法使用的装置，其特征在于，包括第一容器、第二容器、第一引线和第二引线；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一容器和所述第二容器呈圆柱结构，所述第二容器的直径与所述间隙的宽度比为8～10：1。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二容器存放的高热剂和自蔓延焊剂的高度与所述间隙内存放的预热自蔓延试剂的高度比为1.2～1.8：1。

9.根据权利要求6～8任一项所述的装置，其特征在于，还包括设置于所述第二容器下方的底座，所述底座用于固定待焊接的铝母线形成焊接处。

10.根据权利要求6～8任一项所述的装置，其特征在于，所述第一通孔和所述第二通孔的轴心和直径相同，直径都为0.1～0.2m。

技术总结
本发明公开了一种寒冷自然环境下铝母线的焊接方法和装置，所述方法包括将待焊接的铝母线对齐贴紧形成焊接处；提供高热剂、自蔓延焊剂以及预热自蔓延试剂，并使用预热自蔓延试剂反应产生的热量对高热剂和自蔓延焊剂进行预热处理；预热处理后利用高热剂引发自蔓延焊剂反应产生焊接液，使用所述焊接液对所述焊接处进行焊接。本发明所用自蔓延焊剂反应稳定，成本低廉。焊剂中加入的硅、硼、氟化钙等组分能减少夹渣，提高焊接质量。本发明以自蔓延高温合成反应的放热为焊接热源，以反应生成的金属产物为填料，在无电、无气条件下实现金属结构的焊接，具有反应速度快、操作简单、焊接质量高的优点，适合推广使用。

技术研发人员：周怡成,张国栋,李孟钊,王星星,黄龙,杨兵,李成林,梅青松
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25