銅包鋁線包覆焊接結(jié)合理論及生產(chǎn)設(shè)備研究

戴雅康

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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銅包鋁線包覆焊接結(jié)合理論及生產(chǎn)設(shè)備研究

戴雅康

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

探討了銅包鋁線在拉拔工序?qū)崿F(xiàn)“原子鍵合”和在退火工序?qū)崿F(xiàn)“擴(kuò)散結(jié)合”的冶金結(jié)合機(jī)理，列舉了應(yīng)用冶金結(jié)合基礎(chǔ)理論指導(dǎo)銅包鋁線生產(chǎn)過程的實(shí)例.介紹了創(chuàng)新的智能型包覆焊接生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn).

銅包鋁線：冶金結(jié)合機(jī)理；包覆焊接生產(chǎn)線

0　引言

銅包鋁線是一種層狀金屬復(fù)合材料.它是將鋁充填在銅管中，并使銅-鋁界面形成冶金結(jié)合的一種金屬導(dǎo)體.它最適用于傳輸高頻信號線纜的內(nèi)導(dǎo)體，使具有集膚效應(yīng)的高頻信號在導(dǎo)體表層的銅層中傳輸.從而減少了以純銅線作內(nèi)導(dǎo)體時心部銅材的浪費(fèi)；或避免了以銅管作內(nèi)導(dǎo)體時，線纜彎曲使銅管產(chǎn)生失穩(wěn)變形的弊端.銅包鋁線若將其橫截面積按ρ銅包鋁/ρ銅之比增大，也可代替純銅線用于傳輸工頻電流的線纜導(dǎo)體.多年來銅包鋁線的大量生產(chǎn)和線纜行業(yè)的廣泛使用，充分證明了銅包鋁線是降低線纜生產(chǎn)成本、改善線纜使用性能、大量節(jié)省銅資源的優(yōu)良導(dǎo)體，是線纜行業(yè)貫徹“以鋁節(jié)銅”方針、創(chuàng)建資源節(jié)約型社會戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措. 我國于20世紀(jì)末大規(guī)模興建電視、電話和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，急需大量銅包鋁線用于傳輸高頻信號的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體.盡管美國、日本等國早在20世紀(jì)70年代就擁有銅包鋁線產(chǎn)業(yè)，但其價格及運(yùn)輸方面難以滿足國內(nèi)生產(chǎn)的需求.為此我們與有關(guān)企業(yè)的工程技術(shù)人員以“銅包鋁線的生產(chǎn)”為題，開展了研究.

縱觀國內(nèi)外銅包鋁線的制備模式，主要有鋁線鍍銅法、軋輥壓接法、靜液擠壓法和包覆焊接法等多種.其中以包覆焊接法模式所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，投資較少，產(chǎn)品質(zhì)量較好.是開發(fā)本

產(chǎn)品所選取的工藝方法[1- 2].包覆焊接法制備銅包鋁線的工藝，主要包括：在包覆焊接生產(chǎn)線上制備銅包鋁線坯；銅包鋁線坯的拉拔使銅-鋁界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合并達(dá)到所要求的直徑；銅包鋁線的熱處理；銅包鋁線的探傷和纏盤等.銅包鋁線的銅-鋁界面在復(fù)合過程中能否實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，使銅層與鋁芯緊密結(jié)合成一個整體，這是人們最為關(guān)心的線材質(zhì)量問題，也是指導(dǎo)銅包鋁線生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)理論問題.在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，我們始終將包覆焊接法銅包鋁線冶金結(jié)合機(jī)理的研究放在首位，取得了一定成效.并將其用于指導(dǎo)銅包鋁線生產(chǎn)工藝的制定和生產(chǎn)設(shè)備的改造，達(dá)到了生工藝科學(xué)化和生產(chǎn)設(shè)備智能化的目的.

本文將總結(jié)近年來作者與有關(guān)企業(yè)合作，在探討包覆焊接法銅包鋁線冶金結(jié)合機(jī)理方面的成果，使銅包鋁線的生產(chǎn)工藝科學(xué)化及包覆焊接設(shè)備智能化的經(jīng)驗(yàn)，以便繼續(xù)深入探討和研究.

1　包覆焊接法銅包鋁線冶金結(jié)合機(jī)理及其在生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

包覆焊接法生產(chǎn)的銅包鋁線是固相-固相復(fù)合的典型實(shí)例.其銅-鋁界面復(fù)合過程可分為兩個階段：①銅包鋁線坯在拉拔工序中依靠塑性變形，使銅-鋁接觸界面相互接近到能夠引起原子間相互作用的距離而結(jié)合在一起，稱為“原子鍵合”；②在隨后的熱處理工序中，銅和鋁原子在熱作用下相互擴(kuò)散，形成共同的組織結(jié)構(gòu)而結(jié)合在一起，稱為“擴(kuò)散結(jié)合”.文獻(xiàn)[3]為筆者等人應(yīng)用金屬學(xué)的基本原理分析了這兩種結(jié)合機(jī)理的微觀過程，探討了銅-鋁界面在包覆焊接過程中的氧化程度對原子鍵合的影響；退火工藝中的加熱溫度與保溫時間對擴(kuò)散結(jié)合的影響.基礎(chǔ)理論的研究成果，為我國銅包鋁線生產(chǎn)工藝規(guī)范參數(shù)的制定和生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供了科學(xué)依據(jù).

1.1“原子鍵合”機(jī)理對線坯拉拔工藝的影響

銅包鋁線坯的銅-鋁界面在拉拔過程中相互擠壓而緊密接觸，當(dāng)兩者的間距達(dá)到原子間引力所能作用的范圍時，便依靠鍵合力形成“原子鍵合”而結(jié)合在一起.這是一種理想的結(jié)合過程.實(shí)際上由于銅和鋁是易于氧化的金屬，雖然在包覆焊接前對其表面進(jìn)行了清理，但在包覆焊接過程中往往還會與空氣接觸，使其表面又產(chǎn)生一層新的氧化膜[4].特別是鋁不僅極易氧化形成Al2O3薄膜，而且其硬度很高，達(dá)到1 800 HV[5].這些硬脆氧化膜將成為拉拔時銅-鋁界面上原子直接接觸和鍵合的障礙.文獻(xiàn)[3]根據(jù)丹麥學(xué)者Bay N的“裂口機(jī)制”認(rèn)為，這種硬脆的氧化膜在一定壓力作用下產(chǎn)生破裂，在界面上形成無污染的高真空裂口，并使基體中的活性金屬擠入裂口中，與對方金屬接觸，從而使界面上的金屬原子隨拉拔過程的進(jìn)行逐步健合在一起.

圖1所示為拉拔過程中界面尚未健合時鋁芯線與銅層剝離面的掃描電鏡形貌和能譜分析結(jié)果.鋁芯線和銅層表面的白色撕裂棱顯示了兩種金屬硬脆氧化物中產(chǎn)生的裂口及基體中純凈的銅或鋁分別擠入裂口中的形貌.

(a)鋁芯線表面

圖2所示為 “原子鍵合”界面的金相照片及對界面采用線掃描的電子探針分析圖像.實(shí)驗(yàn)表明，銅-鋁界面化學(xué)成分沒有變化，這是原子鍵合的主要特征.

從“原子鍵合”機(jī)理可知，界面的氧化程度是影響原子鍵合過程的主要因素.氧化程度愈嚴(yán)重，鍵合愈困難.在焊接銅包鋁線坯的縱縫時，為防止燒熔鋁桿，銅管的包覆直徑約比鋁桿外徑大1 mm.若鋁桿表面清理不徹底，線坯焊接后在等待拉拔的過程中，空氣進(jìn)入銅管與鋁桿間的間隙中，使銅和鋁表間再次遭受氧化，至使銅-鋁界面鍵合的減面率增大.以往用簡易型包覆焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)的線坯，拉拔時的臨界減面率εa必須達(dá)到85%.

(a)金相照片(b)電子探針分析圖像

圖2界面“原子鍵合”的金相照片及電子探針分析圖像

當(dāng)線坯的銅管用氬弧焊焊接時，為防止銅、鋁界面在高溫下迅速氧化、形成更厚的氧化膜 (一般可達(dá)數(shù)微米)，必須釆取充分的氬氣保護(hù).如果氬氣供應(yīng)量不足，在混入空氣情況下進(jìn)行焊接，則銅包鋁線坯在拉拔過程中無論減面率多大，其界面總不能鍵合而成為廢品.

1.2“擴(kuò)散結(jié)合”機(jī)理對制定熱處理工藝參數(shù)的影響

為了消除銅包鋁線拉拔時產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象，需將其在一定溫度下進(jìn)行退火處理，以獲得較為理想的力學(xué)性能.

銅包鋁線在加熱過程中，除基體組織和性能發(fā)生變化外，銅和鋁原子的動能增加，不斷向?qū)Ψ交w中擴(kuò)散，在界面上形成了一定厚度的銅-鋁化合物層，稱為“擴(kuò)散結(jié)合”.

圖3(a)為經(jīng)250℃低溫加熱后在界面形成的化合物層的金相照片；圖3(b)為擴(kuò)散結(jié)合界面線掃描的電子探針分析圖像，可見具有一定厚度的擴(kuò)散層.

文獻(xiàn)[3]應(yīng)用金屬擴(kuò)散理論并根據(jù)銅-鋁二元合金相圖，分析了銅、鋁原子在擴(kuò)散過程中所形成的各種金屬間化合物相及化合物相的形核、長大過程.研究指出，界面上原子間的相互擴(kuò)散，增強(qiáng)了界面的結(jié)合力，有利于結(jié)合強(qiáng)度的提高.但是所形成的金屬間化合物都是晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的脆性相.當(dāng)加熱溫度過高時，化合物層的厚度大大增加，化合物相的類型增多.由于不同類型化合物相的線膨脹系數(shù)不同[6]，將使銅包鋁線的結(jié)合強(qiáng)度及使用性能大為降低，甚至使銅包鋁線界面喪失結(jié)合能力而成為廢品.

(a)金相照片(b)電子探針分析圖像

圖3界面“擴(kuò)散結(jié)合”的金相照片及電子探針分析圖像

銅包鋁線的“擴(kuò)散結(jié)合”機(jī)理是正確制定產(chǎn)品熱處理工藝參數(shù)的理論基礎(chǔ).筆者等人曾用Φ4.21 mm的銅包鋁線在250～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火試驗(yàn)[7].退火溫度間格為50℃，退火保溫時間為30 min.測定不同退火溫度下拉伸試樣的力學(xué)性能及界面間化合物層厚度變化曲線，如圖4所示.由圖可見，銅包鋁線在250～300℃退火時，不僅力學(xué)性能較為理想，而且所形成的CuAl2化合物層較薄，一般小于2 μm.試樣拉伸過程中，銅層包覆鋁芯同時形成縮頸而斷裂，表明界面擴(kuò)散結(jié)合良好.其金相照片與拉伸試樣斷裂形貌示于圖5(a).當(dāng)加熱溫度為500℃時，界面化合物層厚度達(dá)到16 μm，且化合物中除CuAl2外，尚含有CuAl，在兩種化合物的交界面上往往產(chǎn)生裂紋而分離.這種試樣在拉伸過程中銅層與鋁芯線不能協(xié)同變形，出現(xiàn)薄銅層先破斷、較粗的鋁芯線在產(chǎn)生一定的伸長后再破斷的銅、鋁分離的斷裂形貌,見圖5(b).致使原先已經(jīng)結(jié)合的銅鋁界面在退火過程中產(chǎn)生分離，造成無法挽救的廢品.

圖4　銅包鋁線退火溫度對力學(xué)性能和化合物層厚度的影響

(a)300℃退火 (b)500℃退火

圖5退火溫度對界面化合物層厚度及 拉伸試樣斷裂宏觀形貌的影響

退火保溫時間對界面化合物層厚度的影響，可用下式表示：

式中:y為金屬化合物層的厚度(μm)；k為擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)；t為保溫時間(s).

上式表明，退火保溫時間的延長對化合物厚度的影響比加熱溫度的小.但作為退工藝中的一

個規(guī)范參數(shù)仍應(yīng)嚴(yán)格控制.

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在制定銅包鋁線退火工藝規(guī)范參數(shù)時，控制化合物層的厚度小于4 μm，以獲得良好的界面擴(kuò)散結(jié)合強(qiáng)度及力學(xué)性能.

2　銅包鋁線包覆焊接生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新

包覆焊接生產(chǎn)線是生產(chǎn)銅包鋁線的“當(dāng)家”設(shè)備. 本產(chǎn)品開發(fā)初期，所使用的包覆焊接生產(chǎn)線是由焊制黃銅管設(shè)備改裝而成的[1]，被稱為簡易型包覆焊接生產(chǎn)線，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.它是用銅帶圍繞鋁桿卷成管狀后，焊接銅管縱縫而制成銅包鋁線坯.其生產(chǎn)過程為：將經(jīng)過拉拔和在堿水中清洗后的鋁桿，放在鋁桿料盤中，經(jīng)矯直機(jī)矯直和表面刷洗后，進(jìn)入包覆焊接裝置中.銅帶成盤裝在料架銅帶上，經(jīng)清洗糟和表面刷洗后，也進(jìn)入包覆焊接裝置中.在該裝置中銅帶圍繞鋁桿被多對輥輪軋制成封閉的圓管狀(見圖7).然后用氬弧焊機(jī)將圓管的縱縫連續(xù)焊接.形成線坯后，纏繞在卷筒上.

圖6　簡易型包覆焊接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

圖7　銅帶圍繞鋁桿軋制成圓管示意圖

上述簡易型包覆焊接生產(chǎn)線，雖為我國開創(chuàng)銅包鋁線材立下了汗馬功勞”，但與國外同類設(shè)備相比，其生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和工人勞動強(qiáng)度等方面存在很大差距.特別是鋁桿，為使其形成規(guī)整的圓形，并清除表面油污和較厚的氧化層，必須在放入包覆焊接生產(chǎn)線之前進(jìn)行拉拔，并在氫氧化鈉溶液槽中堿洗，再經(jīng)清水沖洗、掠干后備用.這一條前處理生產(chǎn)線，不僅破壞了銅包鋁線生產(chǎn)的連續(xù)性，而且對車間環(huán)境造成嚴(yán)重污染.

為了淘汰銅包鋁線生產(chǎn)中的落后產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的要求，校企結(jié)合，針對銅包鋁線的特性，成功開創(chuàng)出“智能型包覆焊接生產(chǎn)線”[8].實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動化和智能化，達(dá)到產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、高效、低耗和環(huán)保的目的.

智能型包覆焊接生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)如圖8所示.將圖8與圖6進(jìn)行對照，可以看出在該生產(chǎn)線上增加了鋁桿的拉拔工序和表面扒皮工序，將鋁桿的前處理工序歸納到包覆焊接生產(chǎn)線中，并消除了鋁桿堿洗工序?qū)囬g環(huán)境的污染.

圖8　智能型包覆焊接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)

根據(jù)銅包鋁線的冶金結(jié)合機(jī)理，在包覆焊接前必須徹底清除原材料表面特別是鋁桿表面的氧化層，并防止線坯焊后再次氧化的現(xiàn)象.本生產(chǎn)線中釆用了鋁桿扒皮工序，將其表面的油污、水跡連同氧化物一起切除干凈.隨后立即進(jìn)入充滿氬氣的包覆焊接裝置中.并在線坯包覆焊接后增加了一道拉拔工序，使線坯的銅管緊密包覆鋁桿，防止銅管與鋁桿的間隙中進(jìn)入空氣再次遭受氧化.因此，用本生產(chǎn)線生產(chǎn)Φ14 mm的線坯，拉拔至Φ10 mm時，銅-鋁界面就鍵合了.其臨界減面率εa僅為50%.為生產(chǎn)直徑較粗的銅包鋁線創(chuàng)造了條件.

對于具有一定長度銅帶與鋁桿的原材料，采用在線對接方法使其在不停機(jī)情況下連續(xù)不斷地進(jìn)行生產(chǎn).實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)性；

增加了電控箱，釆用以PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，以變頻器、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動單元，使生產(chǎn)線各個工序的運(yùn)行速度與包覆焊接速度相匹配.是生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動控制和智能控制的神經(jīng)中樞.

此外，在生產(chǎn)線上釆用了大盤重式銅帶料盤、大功率氬弧焊機(jī)和倒立式收線機(jī)，使生產(chǎn)速度大為提高.

上述結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提高了線坯質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動化和智能化.并增加了原材料的利用率、減輕了工人勞動強(qiáng)度、改善了車間環(huán)保條件.

3　結(jié)論

銅包鋁線是符合國家產(chǎn)業(yè)政策、降低線纜生產(chǎn)成本、大量節(jié)省銅資源的優(yōu)良導(dǎo)體；是線纜行業(yè)貫徹“以鋁節(jié)銅”方針、創(chuàng)建資源節(jié)約型社會戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措.對銅包鋁線生產(chǎn)的最基本要求是：生產(chǎn)工藝科學(xué)化、包覆焊接設(shè)備智能化.本文總結(jié)了近年來校企結(jié)合在銅包鋁線冶金結(jié)合機(jī)理探討及包覆焊接生產(chǎn)線創(chuàng)新方面所取得的研究成果，作為今后繼續(xù)深實(shí)施生產(chǎn)工藝科學(xué)化、包覆焊接設(shè)備智能化的“前言”.

[1]戴雅康，楊喜山，王朔，等.生產(chǎn)銅包鋁線的包覆焊接裝置:中國,ZL 96 2 38273.6[P].1988-08-08.

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Study of Copper Clad Aluminum Wire Coated Welding Binding Theory and Production Equipment

DAI Yakang

(School of Materials Science and Engineering,Daling Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The metallurgical bonding mechanism of copper clad aluminum wire drawing step in realization of atom bonding and the annealing step to achieve diffusion bonding is discussed. Examples of its applications are presented the structure and characteristics of innovative smart-type coated welding production line is introduced.

copper clad aluminum wire；metallurgical bonding mechanism；coated welding production line

1673- 9590(2016)05- 0025- 05

*本刊特約*

2016- 06- 09

戴雅康(1934-),男，教授級高級工程師，學(xué)士,主要從事金屬層狀復(fù)合材料的研究

E-mail:daiyk60@163.com.

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