銅包鋁線的工藝性能研究

銅包鋁線是線纜行業(yè)貫徹“以鋁節(jié)銅”方針，創(chuàng)建資源節(jié)約型社會(huì)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要材料。要使銅包鋁線真正發(fā)揮“以鋁節(jié)銅”的效果，首先必須生產(chǎn)出滿足《銅包鋁線》（GB/T 29197—2012）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的力學(xué)性能、電學(xué)性能及其他物理化學(xué)性能的產(chǎn)品。如果所生產(chǎn)的銅包鋁線其銅層與鋁芯不能牢回結(jié)合，極易剝離或斷裂，各項(xiàng)性能指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，不僅浪費(fèi)了寶貴的銅、鋁金屬材料，而且使用中極易造成安全事故，那還奢談什么“以鋁節(jié)銅”。

我國(guó)銅包鋁線的生產(chǎn)已有二十多年歷史。多年來有關(guān)企業(yè)、院校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)銅包鋁線的基礎(chǔ)理論及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了深入研究和探討，為提高銅包鋁線的質(zhì)量奠定了理論基礎(chǔ)。本文通過分析這些研究成果，將其分別歸納到銅包鋁線各項(xiàng)生產(chǎn)工序的操作工藝中，以便操作人員在銅包鋁線基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，熟練掌握每個(gè)生產(chǎn)工序的工藝性能，以獲得整體質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品。

1 銅包鋁線工藝性能的概念

銅包鋁線與其他金屬材料一樣，在加工成型的各個(gè)生產(chǎn)工序中應(yīng)具備的適應(yīng)加工的性能，稱為工藝性能。

銅包鋁線的生產(chǎn)方法有多種。我國(guó)大多數(shù)企采用包覆焊接法生產(chǎn)方式。其生產(chǎn)工藝流程及各工序的工藝性能如表1所列。

2 銅包鋁線坯制備過程中的工藝性能——銅鋁界面的可結(jié)合性

2.1 可結(jié)合性的意義

為了保證銅包鋁線能夠順利進(jìn)行后續(xù)加工并在使用過程中具有良好特性，必須使銅、鋁界面上原子結(jié)合在一起，形成一個(gè)整體。這是對(duì)銅包鋁線質(zhì)量最基本的要求。這種特性在物理上稱為“冶金結(jié)合”，在工藝性能上稱為“可結(jié)合性”。

研究表明，影響銅鋁界面可結(jié)合性的關(guān)鍵因素，是銅帶與鋁桿表面在大氣中產(chǎn)生的氧化膜。特別是鋁極易氧化，其表面在室溫下形成的三氧化二鋁（Al2O3）薄膜，硬度高達(dá)1 800HV，是純鋁的80多倍[1]。因此在包覆焊接工序中，必須清除銅帶與鋁桿表面的氧化物，以消除可結(jié)合性的障礙。

銅帶與鋁桿表面氧化物清除的程度與銅包鋁線包覆焊接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)及其操作方法有關(guān)。在我國(guó)自行設(shè)計(jì)的包覆焊接生產(chǎn)線上，將經(jīng)過拉拔整徑的鋁桿，通過扒皮模扒去表面的氧化層，與經(jīng)過清洗和刷洗的銅帶一起進(jìn)入氬氣保護(hù)的包覆焊接裝置中。在該裝置中銅帶圍繞鋁桿被多對(duì)輥輪軋制成封閉的圓管狀，然后用氬弧焊將圓管的縱縫連續(xù)焊接，形成線坯。并將線坯在氬氣保護(hù)下進(jìn)行縮徑，以防線坯纏盤后界面上的金屬再次遭受氧化。為銅包鋁線的可結(jié)合性創(chuàng)造了條件。

2.2 拉拔過程中銅鋁界面結(jié)合的機(jī)理

銅包鋁線坯在拉拔過程中銅層與鋁芯界面的原子在拉拔模法向壓力作用下，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(shí)，便依靠鍵合力而牢固結(jié)合在一起。這是一種理想的結(jié)合過程。實(shí)際上銅和鋁表面的氧化物雖然在包覆焊接過程中進(jìn)行了清理，但不可能十分徹底，并有可能還會(huì)產(chǎn)生一層新的氧化膜。銅、鋁界面上的這些硬脆氧化膜將成為拉拔時(shí)金屬原子直接接觸和結(jié)合的障礙。

丹麥學(xué)者N.Bay[2]認(rèn)為，這種硬脆的氧化膜在拉拔壓力作用下會(huì)形成無污染的高真空裂口，將基體中純凈的活性金屬擠入裂口中，與對(duì)方基體金屬接觸，通過金屬鍵促使界面上金屬原子相結(jié)合。

圖1所示為拉拔面縮率ε約30%時(shí)，界面金屬尚未完全結(jié)合時(shí)銅層與鋁芯剝離面的掃描電鏡形貌。其表面的白色撕裂棱，顯示了界面上硬脆的金屬化物表面產(chǎn)生裂口及基體中純凈的銅或鋁分別擠入裂口中的形貌。隨著拉拔變形量的增加，界面上裂口增多，形成大量鍵合點(diǎn)，使界面牢固結(jié)合。這種“裂口機(jī)制”揭示了銅、鋁界面雖然存在硬脆的氧化膜，但在拉拔過程中仍具有可結(jié)合性的本質(zhì)。

但是，如果銅、鋁表面產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，例如，包覆了鋁芯的銅管在用氬弧焊焊接其縱縫的過程中，若氬氣供應(yīng)量不足，或滲入了空氣，則在高溫下銅、鋁表面極易氧化形成較厚的氧化膜，其厚度可達(dá)數(shù)微米，致使“裂口機(jī)制”難以發(fā)揮作用，拉拔截面縮減率再大，界面也結(jié)合不了，從而造成廢品。

2.3 衡量銅鋁界面可結(jié)合性的指標(biāo)及可結(jié)合性的試驗(yàn)方法

用該工藝制備的銅包鋁線坯，銅鋁界面的可結(jié)合性必須在下一道拉拔工序中，通過對(duì)銅包鋁線坯縮徑后，用下列簡(jiǎn)易試驗(yàn)方法來鑒別。截取一小段銅包鋁線用手或手鉗將其進(jìn)行反復(fù)彎曲折斷，觀察斷口宏觀形貌。如果銅層緊密包覆鋁芯，如圖2（a）所示，表明結(jié)合良好；如果斷口上銅層支開，如圖2（b）所示，則表明未實(shí)現(xiàn)結(jié)合。

銅鋁界面可結(jié)合性的指標(biāo)，可用線材結(jié)合時(shí)橫截面面積的縮減率ε數(shù)值來衡量。例如，用智能型包覆焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)的直徑14mm線坯，拉拔至直徑10mm時(shí)，銅鋁界面就結(jié)合了，可以計(jì)算出其線坯的橫截面積縮減率為50%。

但若使用焊管機(jī)改裝的包覆焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)直徑10mm線坯時(shí)，由于對(duì)銅帶和鋁桿表面的氧化物難以徹底清理，并在包覆后銅鋁界面還會(huì)再次遭受氧化，致使銅包鋁線的臨界縮減率ε必須達(dá)到80%以上，界面才能良好結(jié)合。

3 銅包鋁線坯拉拔工序中的工藝性能——銅包鋁線的可拉性

3.1可拉性的意義

銅包鋁線坯拉拔工序的主要任務(wù)是獲得所需直徑的產(chǎn)品。但是銅包鋁線與其它金屬線材一樣，拉拔時(shí)產(chǎn)生斷線，特別是在高速拉線機(jī)或多頭拉線機(jī)上拉拔線徑較小的細(xì)線或細(xì)微線時(shí)產(chǎn)生斷線，不僅影響機(jī)組的生產(chǎn)效率，失去多頭拉拔的優(yōu)勢(shì)，并造成大量的亂絲、廢品，令人苦不堪言。為此人們對(duì)銅包鋁線的拉拔工藝性能，提出了“可拉性”的要求。

所謂“可拉性”最直觀的意義就是拉拔不同線徑銅包鋁線時(shí)的斷線率。

線材拉拔時(shí)斷線率的指標(biāo)，文獻(xiàn)[3]推薦采用平均每次斷線所拉拔的線材重量來表示。對(duì)于拉拔銅線來說，國(guó)際上有一個(gè)評(píng)定辦法。例如，拉拔直徑0.1mm銅線時(shí)，平均每次斷線拉拔銅線的重量為50～80kg。由于技術(shù)的進(jìn)步，比較先進(jìn)的水平已達(dá)到150k g。但目前尚未見到評(píng)定銅包鋁線可拉性好壞的具體指標(biāo)。

3.2 拉拔工序中提高銅包鋁線可拉性的工藝要點(diǎn)

3.2.1 加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量檢驗(yàn)

生產(chǎn)銅包鋁線的原材料——銅帶和鋁桿的質(zhì)量是工序之首、問題之源。必須根據(jù)GB/T 26015—2010《覆合用銅帶》標(biāo)準(zhǔn)及GB/T 3954—2014《電工圓鋁桿》標(biāo)準(zhǔn)，把住原村料的進(jìn)廠檢驗(yàn)和中間檢驗(yàn)兩個(gè)關(guān)口，剔除性能不合格及含有冶金缺陷的原材料。每次斷線后應(yīng)對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析，找出斷線原因，積累資料。

3.2.2 重視拉拔工序的檢查

除拉線設(shè)備和拉線工藝影響“可拉性”外，還應(yīng)重視拉線模材料、幾何形狀和尺寸精度的問題。模子制造尺寸及其測(cè)量工具精度不夠，將直接影響合理配模而導(dǎo)致斷線，這對(duì)拉拔細(xì)線尤為重要。潤(rùn)滑劑及其過濾方法、控溫和細(xì)菌性腐敗也影響斷線的幾率，必須經(jīng)常檢查與控制。

3.2.3 關(guān)注退火工藝的影響

在拉拔工序中，特別要關(guān)心退火工藝對(duì)銅包鋁線的材質(zhì)及性能的影響。尤其是拉拔線徑在2.5mm以下的細(xì)線及細(xì)微線時(shí)更為重要，對(duì)提高可拉性，克服斷線率將起關(guān)鍵性的作用。這也是拉線工序中必須掌握的一個(gè)工藝要點(diǎn)。

4 銅包鋁線退火工序中的工藝性能——銅包鋁線的可退火性

4.1 拉拔后的銅包鋁線在退火工序中組織結(jié)構(gòu)的變化

4.1.1 純銅和純鋁金相組織和性能的變化

銅包鋁線中純銅和純鋁的晶體結(jié)構(gòu)是由很多等軸晶粒構(gòu)成的。在拉拔過程中，隨著線材面縮率的增大，晶粒形狀將逐漸變成纖維狀，如圖3（a）所示。同時(shí)線材的性能也將發(fā)生變化：強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低，產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象。當(dāng)硬化到一定程度時(shí)，就難以繼續(xù)拉拔，必須進(jìn)行退火處理。在退火加熱和緩慢冷卻過程中，通過回復(fù)和再結(jié)晶使纖維狀組織逐漸恢復(fù)到原先的晶粒形狀，如圖3（b）所示，以降低強(qiáng)度、提高塑性，便于繼續(xù)拉拔。

4.1.2 銅、鋁界面形成擴(kuò)散層及金屬間化合物。

前已述及，銅層和鋁芯界面上的原子在線坯拉拔過程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)合。在退火加熱過程中原子的動(dòng)能增加，使銅和鋁原子相互散擴(kuò)，在界面上形成了擴(kuò)散層。并在擴(kuò)散層中生成既硬又脆的金屬間化合物，使銅包鋁線的伸長(zhǎng)率急劇降低，對(duì)力學(xué)性能及拉拔工藝將產(chǎn)生不良影響。

筆者曾用拉拔至直徑4.21mm的銅包鋁線在250～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火試驗(yàn)[4]，退火溫度間格為50℃，退火保溫時(shí)間為30min。測(cè)定不同退火溫度下拉伸試樣的力學(xué)性能及界面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(shí)，不僅力學(xué)性能較為理想，而且所形成的化合物層較薄，一般小于2μm，試樣拉拔過程中，銅包鋁線的銅層緊密包覆鋁芯，兩者同時(shí)形成縮頸而斷裂，其金相照片與拉伸試樣斷裂形貌示于圖5（a），表明小于2μm的化合物層對(duì)銅包鋁線的可拉性沒有不良影響。但當(dāng)加熱溫度高于350以后，化合物層厚度迅速增加。當(dāng)加熱至500℃時(shí)，界面化合物層厚度達(dá)到16μm。這種較厚的化合物層不僅使銅包鋁線的塑性大為降低，甚至破壞了界面的結(jié)合狀態(tài)，使銅層與鋁芯分離。試樣的金相照片及拉伸斷裂的宏觀形貌如圖5（b）所示。

王秋娜等人用直徑0.26mm的冷拉拔銅包鋁細(xì)絲研究了退火時(shí)組織結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律[5]，認(rèn)為退火溫度低于300℃、界面上擴(kuò)散層厚度為2μm時(shí)，具有最高的伸長(zhǎng)率。美國(guó)學(xué)者E . H u g和N . B e l l i d o認(rèn)為銅包鋁細(xì)線中金屬間化合層總厚度小于2μm具有最佳力學(xué)性能[6]；日本學(xué)者山口哲夫、高山輝之認(rèn)為銅包鋁線中化合物層厚度在1～2μm以內(nèi)，對(duì)使用性能幾乎沒有影響[7]。這些試驗(yàn)都獲得了相同的結(jié)論。

4.3 銅包鋁線的可退火性

銅包鋁線的可退火性取決于線材的加工特性及退火的規(guī)范參數(shù)。

對(duì)于需要繼續(xù)拉拔的銅包鋁線，特別是細(xì)線和細(xì)微線，為了提高其可拉性必須在250～300℃溫度范圍內(nèi)退火。以降低抗拉強(qiáng)度，提高伸長(zhǎng)率，并使銅鋁界面具有較薄的金屬間化合層，對(duì)線材進(jìn)一步拉拔變形沒有不利影響。

對(duì)于拉拔后的銅包鋁線作為最終產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的使用要求，選擇合適的退火溫度。

5 銅包鋁線的焊接工藝——銅包鋁線的可焊性

在銅包鋁線的生產(chǎn)檢驗(yàn)和使用過程中，往往要通過焊接工藝將接頭連接起來。金屬的焊接方法可分為熔化焊、壓力焊及釬焊3大類。對(duì)于銅包鋁線來說，熔化焊將使接頭熔化成銅鋁合金，失去銅層包覆鋁芯的特性，這是不可取的。在壓力焊中，若使用接觸對(duì)焊，由于鋁的熔點(diǎn)比銅低得多，在電阻加熱過程中，當(dāng)銅層尚未軟化時(shí)鋁已熔化，在擠壓力作用下熔融的鋁液沖破薄銅層向四周噴射，不僅焊不成接頭，甚至?xí)：θ松戆踩?。采用冷壓焊則是最佳的連接方式。此外，銅包鋁線由于其表層同心地包覆了一層純銅，具有與純銅線一樣的可釬焊性?，F(xiàn)將銅包鋁線冷壓焊及釬焊工藝及其可焊性介紹如下。

5.1 銅包鋁線冷壓焊工藝及其可冷壓焊性[8]

冷壓焊是將兩根線材的端頭分別夾持在冷壓焊機(jī)的左右鉗口中，在不加熱的情況下，借助于逐步施加的軸向壓力使線材產(chǎn)生塑性變形，將接頭表面的氧化膜及其雜質(zhì)不斷向外部擠出，使?jié)崈舻慕饘僭趬毫ο陆Y(jié)合在一起，形成接頭。

冷壓焊時(shí)對(duì)接的金屬在軸向力作用下相互擠壓，在接頭的四周形成一圈飛邊，如圖6（a）所示。將這個(gè)飛邊請(qǐng)除后，可見到環(huán)繞接頭表面有寬度約為0.2～0.5mm的銅層被擠出的鋁隔斷，形成露鋁現(xiàn)象，如圖6（b）所示。為防止露鋁處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，必須采用局部電鍍或防腐涂層將其覆蓋。

銅包鋁線材根據(jù)是否進(jìn)行退火處理有軟態(tài)和硬態(tài)之分。

軟態(tài)銅包鋁線塑性較好，接頭金屬在壓力下易于產(chǎn)生塑性變形，連接相當(dāng)牢固。但是焊接接頭及其附近的金屬由于“形變強(qiáng)化”而提高了強(qiáng)度和硬度。其硬度的變化如圖7中曲線①所示。接頭兩端強(qiáng)化區(qū)約為2mm。為防止線材的強(qiáng)化區(qū)在卷繞時(shí)產(chǎn)生裂紋，必須對(duì)冷壓焊接頭區(qū)域進(jìn)行感加熱退火處理，使之達(dá)到與線材大體相同的硬度，如圖7中曲線②所示。因此軟態(tài)銅包鋁線有較好的可冷壓焊性，允許在產(chǎn)品上使用。

對(duì)于硬態(tài)銅包鋁線，由于線材的塑性較差，冷壓焊時(shí)金屬變形困難，致使接頭的抗拉強(qiáng)度比線材本身的低，其可冷壓焊性很差。因此，在《銅包鋁線》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不允許硬態(tài)銅包鋁線進(jìn)行冷壓焊連接。

5.2 銅包鋁線釬焊工藝及其可釬焊性[9]

銅包鋁線由于其表面同心地包覆了一層純銅，因此具有與純銅線一樣好的可釬焊性。釬焊時(shí)一般選用錫基合金為釬料，熔化的釬料潤(rùn)濕固態(tài)銅層，冷凝后形成釬焊接頭。

在銅包鋁線釬焊過程中，銅層與液態(tài)釬料之間由于原子間的相互擴(kuò)散而產(chǎn)生以下2種反應(yīng)：①銅層在液態(tài)釬浴中不斷熔解，使釬料熔點(diǎn)升高、粘性增大，降低釬料的填縫能力，并使銅包鋁線的銅層逐漸減薄，甚至完全消失，而難以釬焊。②液態(tài)釬料中的組分（例如錫）向銅層中擴(kuò)散，使銅層脆性增大。

由于銅包鋁線的銅層厚度為線徑的1.75～2.5%。對(duì)于常用于釬焊的銅包鋁細(xì)線或細(xì)微線，其銅層厚度僅為幾個(gè)微米。因此，上述兩種反應(yīng)對(duì)銅包鋁線的釬焊過程有很大影響。

由以上分析可知，銅包鋁線雖然具有良好的可釬焊性，但最好采用軟釬焊，選用熔點(diǎn)較低的釬料，以降低釬焊溫度，并盡量縮短釬焊時(shí)間。

6 建議

銅包鋁線的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但要生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要的產(chǎn)品，從業(yè)內(nèi)很多產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的企業(yè)來看，無不在理論上、設(shè)備上、工藝上狠下了一番功夫，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。為了提高銅包鋁線行業(yè)整體的質(zhì)量水平，建立以質(zhì)量為中心的品牌體系，特向業(yè)內(nèi)同亊提出如下淺顯建議，供參考。

①“工欲善其事，必先利其器”，設(shè)備和工具是生產(chǎn)的手段，必須根據(jù)銅包鋁線特性及時(shí)進(jìn)行更新，并添加一些先進(jìn)的試驗(yàn)儀器（如金相試驗(yàn)設(shè)備），用以測(cè)試銅鋁界面擴(kuò)散層的厚度。

②“功以才成，業(yè)由才廣”，人才是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基石。必須凝聚工程技術(shù)人員及工人的智慧攻克產(chǎn)品質(zhì)量難關(guān)。特別要弘場(chǎng)大國(guó)工匠精神，鉆研生產(chǎn)技藝，掌握生產(chǎn)絕竅。

③“匠心獨(dú)具、得心應(yīng)手”，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身設(shè)備及工藝特點(diǎn)開展系列工藝試驗(yàn)，使之成為本企業(yè)專用的“技術(shù)檔案”。例如，對(duì)于銅包鋁線的退火工藝曲線及化合物層厚度的變化規(guī)律，由于各企業(yè)所使用退火設(shè)備和測(cè)溫儀表不盡相同，有的企業(yè)還使用了先進(jìn)的在線連續(xù)退火設(shè)備。因此要求退火工序的工藝人員應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，測(cè)出本企業(yè)的退火工藝曲線，則在生產(chǎn)上的應(yīng)用必將更為切合實(shí)際。

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