銅包鋁母線的性能研究及制備技術分析

王學平， 蔡西川， 何大海

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.同濟大學材料科學與工程學院，上海201805)

0 引言

銅包鋁母線(亦稱銅包鋁排、銅鋁復合排)是一種以鋁芯為基體，銅層完全包覆在鋁芯表面的雙金屬復合材料。銅包鋁母線作為銅母線的替代材料，主要利用了鋁基體的導電性能以及表面銅層優(yōu)良的散熱性能，而且其端部連接與銅母線類似，在開關柜、母線槽等設備中作為載流導體使用。在我國“以鋁節(jié)銅”的發(fā)展背景下，特別是近年來，在銅資源緊缺以及銅價高企的情況下，銅包鋁母線在電工領域的用量呈現(xiàn)出較快增長趨勢。

本文對銅包鋁母線機械性能、電氣性能及界面結合性能等關鍵技術指標的影響因素進行了分析，介紹當前國內(nèi)銅包鋁母線的幾種制備方法及主要過程，并對其特點進行簡要分析與比較。此外結合當前銅包鋁母線工藝存在的一些問題，指出了銅包鋁母線的制備技術發(fā)展趨勢。

1 銅包鋁母線的主要性能及影響因素

銅包鋁母線是一種以鋁芯為基體的雙金屬界面復合材料，兼顧了銅和鋁導體的優(yōu)點。雖然銅包鋁母線已替代銅母線在母線槽及開關柜中有大量的應用，但銅包鋁母線機械性能及電氣性能與銅母線還是有明顯的區(qū)別，特別是銅鋁結合性能直接決定了銅包鋁母線的使用安全性及使用壽命。

1.1 機械性能

在開關柜和母線槽中，銅包鋁母線作為載流導體需承受短路電流以及非正常工作情況下的非穩(wěn)定狀態(tài)機械應力。由于導體在母線槽或開關柜中排列的間隔距離較小，所以對導體的強度有一定的要求，特別是在固定距離較長時，導體的強度要求更高。另外銅包鋁母線在實際應用時，還需要進行折彎、沖孔、剪切等加工，因此大多數(shù)直接軋制或拉拔后的母線成品還需要進行退火處理，以同時滿足強度和設備組裝要求。

銅包鋁母線的抗拉強度要求應由開關柜或母線槽等成套設備的短路試驗確定。由于銅包鋁母線的制備工藝有多種，中間加工過程也各不相同，所以退火前的產(chǎn)品狀態(tài)有明顯差異。銅包鋁母線產(chǎn)品最終的機械性能是由成品退火工藝來控制的，因為銅的再結晶溫度比鋁高很多，在退火過程中，鋁芯部分的加工應力已基本消除，而表面銅層仍保持較高強度。在銅包鋁母線的退火工藝中，除了對退火溫度及時間控制外，還需進行適當?shù)臍夥毡Ｗo，以避免母線表面形成明顯的氧化層。

1.2 電氣性能

作為載流導體，銅包鋁母線的電氣性能是開關柜及母線槽設計者及用戶最為關注的問題。在其他條件一致的情況下，隨著加載電流的增大，銅包鋁母線導體的溫度將會上升。當周圍空氣溫度不超過40℃時，開關設備和控制設備的任何部分的溫升極限值為65 K［1］。在這些設備中，發(fā)熱體為導體材料，導體的發(fā)熱與其本體材料的電阻率(或?qū)щ娐?直接相關。

銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導體組成，由于銅和鋁的電阻率有明顯的差異，因此銅和鋁各自所占體積比將直接決定銅包鋁母線的電阻率。銅所占體積比越大，銅包鋁母線的電阻率越小，同等條件下的載流能力越大。從使用者角度來說，在保證銅包鋁母線其他性能并滿足設備載流要求時，選用較小銅層體積比的母線是比較經(jīng)濟的。而對于銅包鋁母線的生產(chǎn)廠家來說，銅層體積比越低，其制造難度越大，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也更難保證。

銅層體積比一直是銅包鋁母線行業(yè)內(nèi)爭議較大的問題。由于當前銅包鋁母線各種不同制造工藝自身的局限性，不同工藝制備的銅包鋁母線銅層體積比有較大差異，制造成本也有明顯區(qū)別，這造成了銅包鋁母線市場競爭較為混亂的局面。另外，不同銅層體積比的銅包鋁母線載流能力不同，用戶和設計者也較難準確地選擇銅包鋁母線導體，這也是困擾銅包鋁母線行業(yè)發(fā)展的最主要原因之一。

1.3 界面結合性能

銅包鋁母線的結合性能用界面結合強度來評價，界面結合強度的高低是判定銅包鋁母線質(zhì)量優(yōu)劣的關鍵技術指標之一。只有當銅鋁之間可靠結合后，銅包鋁母線才能以完整導體作為載流導體使用。特別是在端部與其他導體或設備連接時，銅包鋁母線必須為完整導體才能保證過渡或連接的可靠性。另外，在實際使用時，銅包鋁母線的界面可能會因為銅和鋁熱膨脹系數(shù)的顯著差異而發(fā)生分離，因此只有當銅包鋁母線形成穩(wěn)定可靠的界面結合后，才能保證其在開關柜、母線槽或其他設備中的使用壽命達到要求。

銅包鋁母線的界面特性與制造工藝有直接關系。不同工藝生產(chǎn)的銅包鋁母線，其界面結合方式及機理有顯著區(qū)別。銅包鋁母線的界面結合主要有兩種機理:一種是銅鋁界面僅通過金屬原子之間的擴散形成結合;另一種是銅鋁之間以中間相化合物的形式形成結合。從國內(nèi)當前的制備工藝來看，大多為第二種結合機理形式。根據(jù)銅鋁二元相圖及界面分析，銅包鋁母線中常見的中間相金屬間化合物包括CuAl2、CuAl、Cu9Al4等。由于金屬間化合物多為脆性相，且電阻率較大，較厚的中間相過渡界面對于銅包鋁母線的界面結合及電氣性能是有損害的。通過變形及熱處理工藝的控制，既能使銅鋁之間通過金屬原子的擴散形成有效結合，又能抑制中間相化合物的過量生成。

2 銅包鋁母線的制備方法

銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導體材料組成，其制備方法與單一金屬導體母線有較大差異。銅包鋁母線制備的關鍵技術在于通過合理設計銅層體積比使其滿足設備電氣性能要求，并通過工藝控制使銅鋁兩種材料之間形成有效結合。下面簡要介紹國內(nèi)當前幾種制備銅包鋁母線的方法及主要生產(chǎn)過程。

2.1 包覆焊接法

包覆焊接法是一種制備銅包鋁圓線的成熟工藝。在采用該方法制備銅包鋁母線時，其原理與制備銅包鋁圓線基本一致。在鋁桿與銅帶表面處理后，在保護氣氛下將銅帶進行焊接，完成包覆過程，后續(xù)加工過程包括拉拔，軋制和退火等，其制備過程示意圖如圖1所示。

圖1 包覆焊接法生產(chǎn)過程示意圖

銅包鋁母線的截面比銅包鋁圓線材要大得多，其最大規(guī)格已達到20 mm×200 mm(厚度×寬度)。由于鋁桿坯料的直徑受到一定限制，在使用包覆焊接法生產(chǎn)銅包鋁母線時，生產(chǎn)較大規(guī)格特別是10 mm×100 mm(厚度×寬度)及以上規(guī)格的銅包鋁母線時會有較大困難，這也是該方法制備銅包鋁母線的最大局限性。

2.2 套管法

從原理上來講，套管法是一種較為簡單的制備銅包鋁母線方法。其主要過程是先采用預制鋁棒和銅管制備銅包鋁母線坯;然后將坯料進行拉伸，使鋁棒和銅管之間無間隙;再經(jīng)過軋制或拉拔、退火及表面處理等工藝來完成整個過程。其主要生產(chǎn)過程如圖2所示。

圖2 套管法生產(chǎn)過程示意圖

目前國內(nèi)大多數(shù)廠家均采用這種工藝，由于在母線坯變形過程中需要加熱處理，套管法的生產(chǎn)過程是非連續(xù)的。套管法制備銅包鋁母線的工藝步驟比較靈活，不同廠家在母線坯變形時，加工方式也有所區(qū)別;而且不同規(guī)格的銅包鋁母線其工藝控制參數(shù)也不盡相同。從國內(nèi)采用套管法生產(chǎn)的銅包鋁母線產(chǎn)品質(zhì)量來看，銅層厚度均勻性以及銅鋁之間的結合性能有很大差異。因此如何保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，特別是保證銅層和鋁芯之間的可靠結合，是采用套管法制備銅包鋁母線所需要解決的問題。

2.3 半連續(xù)澆鑄法

半連續(xù)澆鑄法是在預制銅管中澆鑄熔融態(tài)鋁液，快速冷卻后形成銅包鋁母線坯，然后經(jīng)過后續(xù)的軋制、退火及表面處理過程。其生產(chǎn)過程如圖3所示。

圖3 半連續(xù)澆鑄法生產(chǎn)過程示意圖

與前面兩種制備銅包鋁母線坯的方式不同，半連續(xù)澆鑄法形成銅包鋁母線坯的鋁芯與銅層之間沒有間隙。由于鋁液在澆鑄時的溫度達到700℃，在短時高溫條件下，銅及鋁金屬原子會以擴散的方式形成過渡層，并形成一定厚度的中間相化合物，所以在該過程中，銅鋁之間已形成初步結合。半連續(xù)澆鑄法可以采用較大規(guī)格的銅管，因此這種方式特別適合于生產(chǎn)較大規(guī)格(如10 mm×100 mm以上)的銅包鋁母線。

2.4 連續(xù)鑄造法

連續(xù)鑄造法也稱為雙流法。從理論上講，連續(xù)鑄造法是一種可以實現(xiàn)連續(xù)大長度銅包鋁母線生產(chǎn)的方法。該方法的主要過程是，先在鑄模中澆鑄銅液并迅速冷卻形成銅管;然后再將熔融態(tài)鋁液澆入銅管中并冷卻，形成銅包鋁母線坯，母線坯的后續(xù)加工過程與半連續(xù)鑄造法基本相同。

與其他三種方法相比，連續(xù)鑄造法的生產(chǎn)過程最為復雜。該工藝的難點在于銅液和鋁液的連續(xù)澆鑄及冷卻控制。在制備母線坯時，一方面在銅液形成銅管時應進行較快的冷卻速度控制，避免鋁液直接跟銅熔體反應;同時也需保證鋁液的連續(xù)澆鑄，避免出現(xiàn)鋁芯鑄造缺陷。一般來說，采用鑄造法(包括連續(xù)鑄造法和半連續(xù)鑄造法)生產(chǎn)銅包鋁母線時，因母線坯的銅層厚度較厚一些，故銅層體積比與其他方法相比也要大一些。從目前國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量來看，連續(xù)鑄造法還有較多需待完善的地方。

2.5 Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶復合軋制法

該方法的主要生產(chǎn)過程是先采用Conform連續(xù)擠壓制備鋁芯基體，再將銅帶包覆焊接形成線坯，然后直接經(jīng)過軋制和后續(xù)處理，其生產(chǎn)過程示意圖如圖4所示。

圖4 Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶法生產(chǎn)過程示意圖

與傳統(tǒng)的包覆焊接法最大的區(qū)別在于鋁基體的不同，傳統(tǒng)的包覆焊接法是直接以鋁棒(桿)作為線坯，而該方法是利用Conform方式擠出熱態(tài)鋁芯，并快速完成包覆焊接和軋制過程，從而保證銅鋁之間的穩(wěn)定結合。與傳統(tǒng)的包覆焊接法比較，這種方法不需要中間加熱過程，充分利用鋁連續(xù)擠壓的熱加工狀態(tài)，完成等溫態(tài)的軋制過程，且能實現(xiàn)銅包鋁母線的大長度連續(xù)生產(chǎn)。

3 銅包鋁母線制備技術比較及發(fā)展趨勢

3.1 銅包鋁母線制備技術比較

銅包鋁母線在國內(nèi)已有十多年的發(fā)展歷史，從其過程來看，該產(chǎn)品的發(fā)展較為緩慢，其主要原因還是銅包鋁母線的制備技術有待進一步的提高和完善。雖然銅包鋁母線的制備工藝有多種，但每種方法都存在一定的局限性，表1簡要比較了銅包鋁母線幾種不同制備工藝的特點。

表1 銅包鋁母線制備工藝特點比較

3.2 銅包鋁母線制備技術發(fā)展趨勢

銅包鋁母線作為一種以鋁節(jié)銅的導體材料，在當前國內(nèi)銅資源短缺的背景下一直受到關注。無論是從裝備還是制備工藝來看，近年來銅包鋁母線的制備技術都有顯著進步。銅包鋁母線的制備技術發(fā)展應結合其產(chǎn)品質(zhì)量及使用要求，重點考慮以下幾點。

(1)銅層體積比的優(yōu)化設計

銅層體積比是銅包鋁母線最為關鍵的技術參數(shù)之一，銅層體積比直接決定了銅包鋁母線的電氣性能。相關標準規(guī)定，銅包鋁母線的銅層體積比最小值為18%［2，3］，這是結合當前國內(nèi)銅包鋁母線生產(chǎn)的綜合水平考慮的。銅層體積比越小，制備過程相對復雜，銅鋁界面結合較難控制。當前銅包鋁母線產(chǎn)品對于銅層體積比的規(guī)定有較大爭議，這主要是由于不同制備工藝引起的。

相對于鑄造法，包覆焊接法和套管法制備的銅包鋁母線其銅層體積比可以更小，其成本相對也更低。從用戶角度來講，應根據(jù)設備的電氣性能要求來選擇合適銅層體積比的銅包鋁母線;而對于制造廠家來講，應結合生產(chǎn)工藝特點來設計銅層體積比，在滿足電氣性能要求的條件下，對銅層體積比的設計進行優(yōu)化，以達到最佳的經(jīng)濟效果。

(2)生產(chǎn)過程自動化程度

從當前國內(nèi)銅包鋁母線的實際生產(chǎn)水平來看，大多數(shù)生產(chǎn)工藝的步驟較多，生產(chǎn)自動化程度較低。特別是成型過程中進行熱處理時還需要大量的人工輔助工作，存在安全隱患。提高銅包鋁母線的生產(chǎn)過程自動化程度是該行業(yè)發(fā)展的一個關鍵問題，國內(nèi)有一些廠家在這方面已有了較大的進步。如在采用半連續(xù)澆鑄工藝時，國內(nèi)已有廠家實現(xiàn)了從坯料到成品的自動化過程;采用Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶復合軋制法時，也實現(xiàn)了從坯料直接到成品的自動化過程。銅包鋁母線生產(chǎn)線的自動化程度越高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性也越容易控制，產(chǎn)品的成本也越低，從而更能體現(xiàn)出銅包鋁母線產(chǎn)品的競爭力。

4 結束語

銅包鋁母線在國內(nèi)的生產(chǎn)和應用已有近十年的時間，總的來說銅包鋁母線的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都有明顯提高，產(chǎn)品應用范圍和用量也呈現(xiàn)出增長趨勢。特別是銅包鋁母線相關產(chǎn)品標準的出臺，對于規(guī)范銅包鋁母線產(chǎn)品質(zhì)量和促進該行業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

銅包鋁母線的行業(yè)發(fā)展需要母線生產(chǎn)廠家、使用者和設計人員的共同努力。對于用戶和設計人員來講，在采用銅包鋁母線替代銅母線時，應清楚認識到兩者之間電氣性能的差異，以正確選用合適規(guī)格的銅包鋁母線。而對于生產(chǎn)廠家而言，應根據(jù)銅包鋁母線電氣性能要求，優(yōu)化設計銅層體積比，保證銅鋁界面之間的可靠結合，并不斷提高生產(chǎn)過程的自動化水平。

［1］GB/T 11022—1999 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求［S］.

［2］JB/T 11599—2013 電工用銅包鋁母線［S］.

［3］DL/T 247—2012 輸變電設備用銅包鋁母線［S］.