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摘要：铝合金管型母线主要应用于输变电设备中导体连接、输电线路跳线、电力设备导体连接以及在融冰装置中作过流导体，是电力输变电系统中关键设备之一。6063铝合金具有较为平衡的镁、硅含量，其固溶处理温度高，淬火敏感性低，挤压性能好，而且由于较低的合金元素含量，其导电率较高，被广泛应用于管型母线制造。焊接是变电站铝合金管型母线的主要安装方法，由此形成的铝合金管型母线焊接接头质量对输变电系统及电力设备的安全可靠运行具有重要作用。
关键词：热处理；管型母线；6063铝合金；金属焊缝；影响；分析
引言：热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，钢铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
1.热处理发展历史
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。中国出土的西汉（公元前206-公元24）中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15-0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
2.热处理工艺特点
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
3.组织与物相
焊缝金属主要由面心立方α-Al固溶相和Si相组成。采用JADE软件对热处理前后α-Al相衍射角度进行了计算分析，可以发现α-Al相在热处理后衍射角度有轻微减小趋势。根据布拉格定律2dsinθ=λ，（式中：d为平行原子平面的间距；λ为入射波波长；θ为入射光与晶面之夹角），λ一定，由式可知α-Al晶格参数变大。对于焊态金属，由于主要合金元素Si与Al的原子半径差异，导致α-Al晶格发生畸变。由于Si原子半径（0.2351nm）比Al原子半径（0.2862nm）小，Si原子作为置换原子取代部分Al晶格中的Al原子后造成晶格常数的变小，焊缝金属在热处理过程中，发生Si元素脱溶现象，从而使得α-Al晶格常数变大。可以看出热处理前后焊缝金属均由白色α-Al和黑色的Si相组成。，Al-Si合金的共晶温度为577℃（共晶点为12.6wt%Si）。ER4043焊缝金属在液态凝固过程中，首先析出α-Al枝晶，由于焊缝金属快速凝固特征，α-Al中的Si元素处于过饱和状态，在随后的过程中析出Al-Si共晶相。此外，未热处理接头熔合区附近的α-Al枝晶呈现外延生长形貌。在焊缝金属凝固过程中，该部分最先发生凝固，由于半熔化状态的母材晶粒可以提供凝固形核基底，显著降低表面形核功，因此焊缝金属依附在这些半熔化晶粒表面生长。从焊缝的熔化边界至焊缝中心部位，由于成分过冷程度的增加微观组织发生由柱状晶向等轴晶的转变。
4.显微硬度及强度
热处理前的焊缝金属显微硬度高于母材而低于热影响区。由于6063母材状态为退火状态，在焊接过程中热影响区位置经历快速升温和降温，从而产生了一定程度的固溶效应，因此硬度值相对较高。与热处理前相比，热处理后焊缝金属的显微硬度有一定程度下降，显微硬度整体分布也较为均匀。这是由于热处理过程中Si元素的脱溶析出使焊缝金属的固溶强化效应减弱，从而导致焊缝金属的硬度下降。采用万能拉伸试验机对热处理前后的铝合金焊接接头的拉伸强度强度进行了测试。测量结果表明，热处理前铝合金规定塑性延伸强度为70MPa，抗拉强度为109MPa；热处理后规定塑性延伸强度为69MPa，抗拉强度为102MPa。通过对比热处理前后焊接接头的强度可以看出，其强度基本相当，热处理未对焊接接头的强度造成较大影响。
总结：通过上述分析可以得出，总之首先采用ER4043焊材焊接制备的管型母线用6063铝合金焊缝金属由α-Al和Al-Si共晶组成，焊缝金属呈树枝晶和等轴晶形态，熔合区附近的α-Al枝晶呈外延生长形貌。其次采用350℃，保温1h的热处理工艺可以显著提高焊缝金属的导电率。热处理后焊接接头的显微硬度同热处理前相比略有下降，但热处理未造成焊接接头强度明显降低。
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