連續(xù)擠壓銅排氣泡產(chǎn)生原因分析及工藝措施

黎 民，胡建軍

(1.重慶鴿牌電線電纜有限公司，重慶 401120；2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

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連續(xù)擠壓銅排氣泡產(chǎn)生原因分析及工藝措施

黎 民1，胡建軍2

(1.重慶鴿牌電線電纜有限公司，重慶 401120；2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

針對銅排在連續(xù)擠壓工藝過程中以及后續(xù)工序產(chǎn)生的氣泡缺陷問題，在考慮整個工藝流程的基礎(chǔ)上，從上引法鑄造工藝的原材料、回爐廢料以及設(shè)備工藝、車間傳送工藝、連續(xù)擠壓工藝以及工裝模具等方面分析可能促使氣泡缺陷產(chǎn)生的原因，從生產(chǎn)實際出發(fā)提出了缺陷消除的設(shè)計以及工藝措施。

連續(xù)擠壓；銅排；氣泡缺陷；消除

電工銅排具有電阻率低、可折彎度大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高低壓電器、開關(guān)觸頭、配電設(shè)備、母線槽等電氣工程[1]。連續(xù)擠壓技術(shù)因其明顯的工藝優(yōu)點，為銅排的生產(chǎn)提供了新的技術(shù)手段和發(fā)展空間[2]。該技術(shù)利用摩擦產(chǎn)生熱量升溫，無需額外加熱，節(jié)省了能源；以桿料為坯料，供應(yīng)方便；沒有擠壓壓余，材料利用率高，一般可達95%；可實現(xiàn)產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)超長制品，長度可達數(shù)千米至數(shù)萬米，生產(chǎn)效率高。由于產(chǎn)品為熱擠壓狀態(tài)，可獲得優(yōu)良的機械性能與微觀組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品尺寸精度高，表面光潔度好。

在銅排的連續(xù)擠壓生產(chǎn)中，常常會出現(xiàn)一些產(chǎn)品質(zhì)量缺陷問題，如夾雜、表面氣泡、表面發(fā)黑、壁厚不均、尺寸超差等。其中氣泡缺陷是主要的質(zhì)量問題之一，對銅排的危害較大，成品的表面氣泡影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，直接導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。中間制品表面氣泡形成鼓包現(xiàn)象，在進入后道拉拔工序時尺寸超過規(guī)定值，易損壞拉拔模，拉拔時破裂，表面留下劃痕。內(nèi)部氣泡處抗拉強度低，易拉斷，影響產(chǎn)品的性能。因此，需要分析氣泡缺陷產(chǎn)生的原因，找到避免氣泡缺陷出現(xiàn)的具體措施[3]。

1 連續(xù)擠壓工藝

英國原子能局的D.Green為了實現(xiàn)無間斷的連續(xù)擠壓而提出了連續(xù)擠壓技術(shù)。實現(xiàn)連續(xù)擠壓的兩個必要條件，①無須借助擠壓軸直接作用，對坯料施力從而實現(xiàn)擠壓；②擠壓筒需無限連續(xù)工作長度。如圖1所示，用帶矩形截面的運動槽塊和固定擠壓模的固定矩形塊構(gòu)成方形擠壓筒代替圓形擠壓筒。當圖中的運動槽塊沿著箭頭方向連續(xù)向前運動時，上下兩面上方向相反的摩擦力相互抵消，坯料在兩側(cè)摩擦力作用下向前運動實現(xiàn)擠壓[2]。上述方法是滿足實現(xiàn)連續(xù)擠壓的第一個必要條件。

圖1 利用摩擦力擠壓Fig.1 Friction extrusion diagram

為滿足上述第二個條件，采用擠壓輪代替槽塊，如圖2所示。連續(xù)擠壓主機工作部分由模腔、擠壓輪和導(dǎo)板構(gòu)成，在擠壓輪的圓周上有環(huán)形溝槽，銅桿料由此溝槽導(dǎo)入。當裝有模腔及進料導(dǎo)板的靴座合上且壓緊后，模腔及進料導(dǎo)板的工作 弧面與擠壓輪的圓周相吻合并保持合理的工作間隙[4]。工作時，在主軸電機驅(qū)動下，擠壓輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)。桿料經(jīng)壓實輪壓實在環(huán)形溝槽中后，在摩擦力的作用下被連續(xù)送入。溝槽中的坯料運動因為模腔中的擋料塊而受阻，產(chǎn)生摩擦而升溫、變形，并被擠入模腔里由擠壓模具孔擠出，最終形成產(chǎn)品。產(chǎn)品的尺寸與形狀由模具決定，只需更換模具即可生產(chǎn)出不同 規(guī)格的產(chǎn)品[5]。

圖3為銅排連續(xù)擠壓工藝流程，坯料一般采用上引法生產(chǎn)的無氧銅桿、盤桿，經(jīng)放線盤放出開卷、矯直之后送入連續(xù)擠壓機后擠壓成銅排。此時溫度較高，因此在出口處設(shè)有防氧化裝置和冷卻系統(tǒng)，計米后，由收排線機卷取成盤?？紤]到經(jīng)濟性，目前盤桿主要采用上引法煉制[6]。

圖2 擠壓原理圖Fig.2 Extrusion process diagram

圖3 銅排連續(xù)擠壓生產(chǎn)工藝流程Fig.3 Flow chart of copper busbar continuous extrusion production

2 氣泡產(chǎn)生原因分析

根據(jù)氣泡出現(xiàn)的時間，連續(xù)擠壓銅排產(chǎn)品中的氣泡缺陷分為兩種，一是在連續(xù)擠壓時出現(xiàn)的氣泡，稱為擠壓氣泡；二是對擠壓后的產(chǎn)品直接退火，其表面會出現(xiàn)大量的氣泡，稱為退火氣泡。以上兩種氣泡基本都是在擠壓工藝或者前面工序沾染、帶入的液體或者氣體所引起。下面根據(jù)銅排連續(xù)擠壓生產(chǎn)工藝流程具體分析。

2.1 上引法鑄造工藝

(1)原材料的影響。工廠采用的原材料一般為陰極銅，由于原料本身或者存放問題，表面可能含有含硫、氫元素及銅綠等物質(zhì)，在熔煉過程中，分解出氫氣和氧氣及硫，并大量溶解在銅熔液中，在結(jié)晶時析出并形成氣孔；

(2)添加回爐廢料的影響。為了節(jié)約成本，工廠往往會向原材料里加入相當比例的自身企業(yè)的回頭料，這些材料往往是電線或者電纜等產(chǎn)品的不合格產(chǎn)品，如果清理不干凈，可能帶有橡膠皮、塑料以及其它夾雜物質(zhì)，部分表面會附著乳液、油和水。如果這些不干凈的廢銅在爐中熔煉產(chǎn)生的氣體和有害雜質(zhì)溶入銅液后，析出的氣體就會形成“空心”桿或縮孔；

(3)上引法設(shè)備工藝及影響。常見的上引感應(yīng)爐一般由熔化爐和靜置過渡倉、保溫爐三部分組成，也有部分企業(yè)的感應(yīng)爐由熔化爐和保溫爐兩部分組成，可能會出現(xiàn)熔煉過程中溫度波動大的現(xiàn)象。這不利于形成穩(wěn)定的銅桿結(jié)晶環(huán)境，也不利于氣體析出和雜質(zhì)懸浮清除。

工藝熔煉溫度對銅液里H、O元素含量的影響較大，因為平衡常數(shù)K與溫度有關(guān)，隨著平衡常數(shù)的增大，H、O元素的濃度積隨之增大，銅液中含氣量也會增加。而且銅液中溫度過高，銅桿結(jié)晶會變得粗大，形成的組織比較疏松，容易產(chǎn)生縮孔和氣孔等一系列的缺陷，并且容易從空氣中吸收H和O元素；反之，銅液中溫度過低，不僅銅液的流動性會變差，而且易造成銅桿外觀產(chǎn)生冷隔和裂紋等缺陷。冷卻水的流量也有一定影響，若結(jié)晶器的進水溫度過高且流量過小，會導(dǎo)致銅桿溫度升高、易產(chǎn)生空心桿。引桿的速度也有一定影響，若引桿速度過快，銅桿結(jié)晶變得粗大，易造成組織疏松、粗糙，形成縮孔，不利于機械加工。

以上原因產(chǎn)生的氣泡無法逸出，只能滯留在錠坯次表層，擠壓后在氣體膨脹壓力作用下形成“氣泡”[7]。

2.2 車間傳送工藝

銅桿在上引法熔鑄車間引出以后，需要冷卻、儲存，然后運送至連續(xù)擠壓機組，這期間可能停留很長時間，從其它企業(yè)購入的上引桿可能更需要“長途跋涉”，這期間都可能會帶入氣泡產(chǎn)生源，比如由于氣溫的變化，含水熱空氣會在銅桿“冷凝”而產(chǎn)生大量水珠。另外銅桿轉(zhuǎn)送過程由于操作不規(guī)范會沾染油污和水，甚至由于車間管理不善被雨水噴淋，均會引起后續(xù)擠壓工藝中出現(xiàn)氣泡。銅桿在轉(zhuǎn)送過程中其表面會附著灰塵和氧化物等污染物，導(dǎo)致擠出的銅排表面產(chǎn)生氣泡等缺陷。

銅桿在存放和運輸過程中，由于各種原因，材料表面會出現(xiàn)不同程度的氧化現(xiàn)象。在其進入連續(xù)擠壓工序之后，氧化物被帶入擠壓模腔內(nèi)，經(jīng)高溫作用后受熱膨脹，產(chǎn)生氣體，在銅排表面形成氣泡。

2.3 連續(xù)擠壓工藝

表面有水或油的銅桿進入擠壓輪后，產(chǎn)生吱吱的聲音，擠出的銅排表面分布著大量的氣泡。

2.3.1 冷卻擠壓輪的冷卻水發(fā)生泄漏

零件尺寸加工不合理、擠壓輪破損或開裂，都會使溝槽內(nèi)溢出冷卻水，由于高溫作用，沾到銅桿上的液體在連續(xù)擠壓模腔中易產(chǎn)生水蒸氣，從而導(dǎo)致產(chǎn)品表面產(chǎn)生大量連續(xù)的氣泡。

2.3.2 連續(xù)擠壓工藝不合理引起

①擠壓過程不合理、流動不穩(wěn)定(非穩(wěn)態(tài)成形)裹進去的空氣。連續(xù)擠壓時，銅的焊合較差，因此在連續(xù)擠壓變形后，上引桿固有的內(nèi)部氣泡、氣孔、疏松得不到消除；在連續(xù)擠壓過程中，金屬在擠壓腔中的流動很不均勻，分流模的中間流動性好，因此分流模的兩邊受到的阻力比中間大，金屬流動性差，易在分流模的兩端產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致空氣進入并被壓入金屬表面，從而產(chǎn)生皮下氣泡[9]；

②坯料拱起。擠壓過程中，金屬坯料經(jīng)壓實輪壓實后被碾薄展寬，此后流入擠壓模腔，經(jīng)模具孔成形并逐漸被擠出?？住Ｔ诖诉^程中，坯料易出現(xiàn)拱起現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬粘連在導(dǎo)板內(nèi)側(cè)面，而在壓實輪與導(dǎo)板的空隙處出現(xiàn)金屬溢出的現(xiàn)象從而產(chǎn)生折疊，裹入空氣形成氣泡；

③工作間隙調(diào)整不當而帶入空氣。由于擠壓工作間隙調(diào)整不當，模腔中會形成波浪狀的銅層，銅層與擠壓輪槽中的無氧銅桿密封的少許空氣，隨著擠壓輪的旋轉(zhuǎn)進入模腔，最終在產(chǎn)品內(nèi)部形成氣泡[8]。

2.3.2 工裝模具引起的氣泡

腔體堵頭發(fā)生輕微變形而帶入空氣。當擠壓系數(shù)的值小到不能使銅料充滿整個槽內(nèi)時，會造成空氣滲入。當腔體的堵頭發(fā)生輕微變形時，會造成金屬流速不均勻，而下層流速過快，導(dǎo)致金屬抵達模具上側(cè)發(fā)生回流，從而形成封閉的模腔，進入模腔中的空氣最終在產(chǎn)品內(nèi)部形成氣泡[8]。

3 氣泡消除工藝措施

3.1 上引法鑄造工藝

(1)投入使用的陰極無氧銅板須符合GB/T467-2010，低于此標準的電解銅均不能投料生產(chǎn)。廢料添加前必須將其附帶的橡皮、塑料以及其它夾雜物挑揀干凈，并進行潔凈、干燥，對于要求較高的銅排產(chǎn)品嚴禁添加廢料；

(2)上引工藝中的覆蓋劑木炭須符合生產(chǎn)工藝規(guī)定，木炭入爐前須經(jīng)過粒度選擇和烘干；

(3)注意均衡加料，減小溫度波動，合理控制熔煉溫度，盡可能采用低溫熔煉；

(4)合理調(diào)節(jié)水壓及水量，進水溫度不同，水壓及水量也會不同。經(jīng)常檢查銅桿表面和出水溫度是否符合工藝要求。

3.2 車間傳送工藝

因銅桿表面附著灰塵和氧化物等污染物而產(chǎn)生的氣泡，需在各個環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施。為防止落入灰塵而產(chǎn)生污染，桿料在存放或運輸過程使用防塵布進行包裹；為防止空氣潮濕而造成的表面氧化，桿料在存放或運輸過程中需用防雨布覆蓋，尤其是在雨季；注意存放桿料的庫房不能用濕拖拖地，更不能用手直接觸摸桿料。

3.3 連續(xù)擠壓工藝

3.3.1 擠壓模具結(jié)構(gòu)改進

①堵頭結(jié)構(gòu)的改進。將腔體堵頭下部設(shè)計為弧形與擠壓輪緊密結(jié)合，減少其與擠壓輪的間隙，從而可最大限度減少溢料的產(chǎn)生；

②擠壓輪輪槽的設(shè)計。為使坯料與擠壓輪緊密接觸，則需增大坯料與擠壓輪的接觸面積，可將擠壓輪輪槽設(shè)計為方形。當坯料受到壓實輪作用時，將進一步與擠壓輪緊密接觸而受到很大的摩擦力，即可順利咬入坯料[5]；

3.3.2 成形工藝參數(shù)的優(yōu)化

①壓下量的調(diào)節(jié)。在壓實輪的壓實階段，若壓實輪壓下的量太少，則會使坯料發(fā)生后移；反之，若壓下量太多，則會使坯料兩端翹起。為解決以上問題，可將壓實輪壓下量調(diào)整至4～6mm；

②合理調(diào)節(jié)工作間隙。連續(xù)擠壓時帶入氣體的主要原因包含工作間隙不當，腔體鼻子變形等。需按工藝規(guī)定調(diào)整工作間隙至規(guī)定值，并對腔體鼻子進行修理，如腔體鼻子變形超過規(guī)定值，對其進行報廢處理；

③合理調(diào)節(jié)擠壓工藝參數(shù)。適當調(diào)整擠壓輪、壓實輪與坯料的摩擦參數(shù)，可減少工件拱起現(xiàn)象；適當減少擠壓輪轉(zhuǎn)速，可使坯料進行連續(xù)擠壓。

3.3.3 工裝的維護保養(yǎng)

合理選擇擠壓工具，定期檢查工具，及時更換工具。

4 結(jié)束語

針對連續(xù)擠壓銅排生產(chǎn)工藝的氣泡缺陷，從上引法、車間轉(zhuǎn)運及連續(xù)擠壓工藝環(huán)節(jié)分析了氣泡產(chǎn)生原因，從工廠實際出發(fā)提出了消除缺陷的設(shè)計及工藝措施。通過實踐證明，合理的采用以上工藝措施可有效解決在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各類氣泡缺陷。

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聯(lián)系人：張女士

聯(lián)系電話：0379-64872513

Causes Analysis and Process Improvement of Bubble Defect of Copper Busbar in Continuous Extrusion

LI Min1, HU Jianjun2

(1. Chongqing Pigeon Electric Wire & Cable Co., Ltd., Chongqing 401120, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

In order to resolve bubble defect of copper busbar in continuous extrusion process and subsequent processing, the paper analyzed possible causes taking the process flow as a whole, including raw materials of up-cast process, recycled scrap as well as process equipment, conveyor system, continuous extrusion process and tooling system; it put forward the design and process improvement for defect elimination based on actual production.

continuous extrusion; copper busbar; bubble defect; elimination

2015-04-28

黎民(1963-)，男，工程師，主要從事電線電纜及銅合金塑性成形工藝研究。

TG379

B

1671-6795(2015)06-0035-04