冷軋銅板帶殘余應(yīng)力成因及消除方法淺析

韓 壘,梁紅玉,王少華,張文芹,景 潔

(1.中北大學(xué)，山西 太原030051；2.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008；3.太原晉西春雷銅業(yè)有限公司，山西 太原 030008)

銅合金板帶在冷軋過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。銅板帶中殘余應(yīng)力超過(guò)了臨界屈曲應(yīng)力，成品銅板帶會(huì)出現(xiàn)翹曲等不良板形；另一種情況是冷軋后成品銅板帶并未顯示不良板形，但在后續(xù)機(jī)械加工過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生翹曲、扭曲等缺陷，這主要是因?yàn)槔滠堖^(guò)程中銅板帶產(chǎn)生的殘余應(yīng)力重新分布引起的[1, 2]。有關(guān)探討冷軋銅板帶殘余應(yīng)力的研究比較缺乏，20世紀(jì)初只有少量的研究報(bào)道，從20世紀(jì)50年代以來(lái)，各國(guó)才逐漸展開(kāi)大量研究。我國(guó)對(duì)冷軋銅板帶的殘余應(yīng)力研究比較晚，20世紀(jì)80年代，隨著X射線衍射測(cè)試殘余應(yīng)力法的逐漸成熟，我國(guó)對(duì)冷軋銅板帶殘余應(yīng)力的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)。之后，有限元模擬也被漸漸應(yīng)用到冷軋銅板帶過(guò)程的研究中。到目前為止，從各國(guó)有關(guān)學(xué)者發(fā)文情況來(lái)看，測(cè)試?yán)滠堛~板帶殘余應(yīng)力的文章較多，然而分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因的文章偏少。所以深入探究殘余應(yīng)力的成因，在生產(chǎn)過(guò)程中更好的控制殘余應(yīng)力成為高精度銅板帶企業(yè)的一個(gè)努力方向。

冷軋銅板帶加工工藝流程為，鑄錠→加熱→熱軋→銑面→初軋→切邊→退火→中軋→中間退火→精軋→清洗→拉彎矯直→退火→剪切→包裝→入庫(kù)。

1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因

金屬材料產(chǎn)生宏觀殘余應(yīng)力的原因有，冷塑性變形不均引起的殘余應(yīng)力、熱影響引起的殘余應(yīng)力和組織變化引起的殘余應(yīng)力；金屬材料產(chǎn)生微觀殘余應(yīng)力的原因有，由于晶粒各向異性而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力、由于晶粒內(nèi)外的塑性變形不均而產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力和由于夾雜物、沉淀相或相變而出現(xiàn)的第二相所產(chǎn)生的微觀殘余應(yīng)力。冷軋銅板帶殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，總的來(lái)說(shuō)，宏觀方面主要是冷塑性變形不均引起；微觀方面主要是晶粒的各向異性和晶粒內(nèi)外塑性變形不均引起的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同方面探究冷軋銅板帶殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，類(lèi)比冷軋鋼板帶、冷軋鋁板帶等，冷軋銅板帶殘余應(yīng)力的神秘面紗正在漸漸被揭開(kāi)。

1.1 由冷塑性變形不均引起的殘余應(yīng)力

在冷軋銅板帶的過(guò)程中，冷塑性變形不均是引起殘余應(yīng)力的主要原因。換言之，能導(dǎo)致冷塑性變形不均的因素均可以引起冷軋銅板帶殘余應(yīng)力。導(dǎo)致冷塑性變形不均的直接原因主要來(lái)自于軋輥和銅板帶自身兩個(gè)方面。軋輥方面軋輥的彈性變形、軋輥熱膨脹和軋輥磨損是主要原因；銅板帶自身的主要原因一般為來(lái)料凸度。

1.1.1 軋輥彈性變形

Von Karman T[3]提出了傳統(tǒng)冷軋理論，但是忽略了軋輥的彈性變形。Orowan E[4]認(rèn)為冷軋時(shí)軋輥會(huì)發(fā)生均勻的彈性變形，變形后的輪廓還是圓形。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)冷軋過(guò)程中軋輥的變形并非是均勻的，軋輥在軋制壓力和軋件回彈的共同作用下發(fā)生彈性變形，變形區(qū)接觸弧長(zhǎng)增大，變形后的輪廓并非圓形。軋輥的彈性變形包括軋輥壓扁和軋輥彎曲。軋輥彈性變形指的是軋件和工作輥之間接觸壓扁變形、輥間相互壓扁變形以及軋輥彎曲變形三個(gè)變形量疊加對(duì)有載輥縫的改變程度[5]。成品銅板帶的斷面形狀取決于有載輥縫的形狀，軋輥彎曲和壓扁都會(huì)改變有載輥縫的形狀，導(dǎo)致銅板帶塑性變形不均。

1.1.2 軋輥磨損

冷軋過(guò)程中軋輥的磨損也是一個(gè)引起銅板帶殘余應(yīng)力的主要原因，并且這種磨損沿輥身長(zhǎng)度方向上表現(xiàn)出不均勻，一般中部磨損較大。所以軋輥的磨損會(huì)漸漸改變有載輥縫的形狀，使銅板帶塑性變形不均。冷軋銅板帶過(guò)程中軋輥的主要磨損形式有以下兩種，第一，軋輥在咬入銅帶后，在板帶軋制變形區(qū)，軋輥和板帶產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，會(huì)在接觸表面產(chǎn)生磨粒，一部分磨粒隨著冷卻液被帶走，剩余磨粒殘留在軋輥和帶材表面，并由于摩擦作用對(duì)軋輥產(chǎn)生磨粒磨損；Mekicha[6]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于物理的多尺度磨損模型，可以預(yù)測(cè)邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下在冷軋過(guò)程中磨粒形成的嚴(yán)重程度，為在冷軋過(guò)程中及時(shí)控制軋輥磨粒磨損提供了可能。第二，銅合金材料質(zhì)軟，冷軋銅板帶時(shí)，銅板帶和軋輥在高壓環(huán)境下作業(yè)，銅板帶和軋輥接觸表面會(huì)產(chǎn)生黏著磨損；羅勝江[7]研究了冷軋薄板帶過(guò)程，指出了冷軋過(guò)程中軋輥磨損會(huì)使板帶單邊產(chǎn)生殘余應(yīng)力或1/4處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

1.1.3 軋輥熱膨脹

軋機(jī)工作時(shí)，工作輥與支承輥以及工作輥與銅板帶之間因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生的熱量、銅板帶在變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量以及銅板帶和工作輥發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的熱量，再加之冷卻液帶走熱量時(shí)不均勻等因素造成軋輥沿輥身長(zhǎng)度方向上溫度分布不均使軋輥產(chǎn)生熱膨脹，改變有載輥縫形狀，使銅板帶產(chǎn)生不均勻變形。Yang[8]等人以冷軋時(shí)變形區(qū)的變形熱和摩擦熱作為熱源，建立了輥縫熱源模型模擬軋輥橫向溫度分布變化，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)軋輥的熱膨脹并及時(shí)作出調(diào)整，使我們能更清晰地了解到軋輥熱膨脹，為生產(chǎn)過(guò)程中控制軋輥熱膨脹使板帶更均勻塑性變形做了一個(gè)很好的鋪墊。趙永和[9]對(duì)冷軋板帶溫度場(chǎng)以及軋輥熱變形進(jìn)行了研究，提出了軋輥和冷卻液換熱系數(shù)的計(jì)算方法，為后來(lái)研究軋輥熱膨脹對(duì)板形影響提供了指導(dǎo)方法。軋制時(shí)由于軋輥和軋件產(chǎn)生的摩擦熱，曹建剛[10]等研究了軋制過(guò)程中軋輥的溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)工作輥中間溫度高，兩端溫度低，橫斷面中心和表層溫差30℃，軋輥產(chǎn)生了熱膨脹。可見(jiàn)，軋輥熱膨脹對(duì)冷軋銅板帶塑性變形的影響非常大，造成變形不均，引起板帶殘余應(yīng)力。

1.1.4 來(lái)料凸度

銅板帶作業(yè)環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，因此殘余應(yīng)力除了受外部因素的影響，銅帶的自身因素也有很大影響。來(lái)料的斷面形狀不良也會(huì)引起銅板帶在軋制過(guò)程中塑性變形不均，即來(lái)料凸度也是引起銅板帶殘余應(yīng)力的原因。袁光前[11]研究了冷軋銅板帶時(shí)來(lái)料凸度對(duì)板帶塑性變形的影響，發(fā)現(xiàn)來(lái)料有一定的正凸度，軋制后板帶板形良好，來(lái)料凸度降低，軋制后板帶邊部會(huì)出現(xiàn)明顯的殘余應(yīng)力。施慕超[12]根據(jù)上海鋁加工廠多年的加工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了不同來(lái)料斷面形狀不良導(dǎo)致冷軋板帶產(chǎn)生不均勻變形的情況。

1.2 晶粒各向異性和晶粒內(nèi)外變形不均

銅合金是多晶體，晶粒呈各向異性。隨著變形條件的不同，多晶體在塑性變形時(shí)會(huì)發(fā)生晶間變形和晶內(nèi)變形。冷軋銅板帶時(shí)，在相同軋制力的作用下，因?yàn)榫Я５母飨虍愋?，晶粒沿滑移系變形時(shí)每個(gè)滑移系獲得的分切應(yīng)力也不同，導(dǎo)致晶粒進(jìn)入塑性變形的時(shí)間不同步，軟取向的晶粒更容易達(dá)到滑移的分切應(yīng)力而先于硬取向的晶粒發(fā)生塑性變形，硬取向晶粒對(duì)軟取向晶?；飘a(chǎn)生了阻礙作用，從而導(dǎo)致塑性變形不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力。晶界也影響塑性變形，晶界一般會(huì)集聚一些不固溶的雜質(zhì)或第二相粒子。塑性變形時(shí)由于晶界的阻礙，大量位錯(cuò)停止在晶界形成釘扎，使晶界強(qiáng)度和硬度增大，比晶粒更難發(fā)生塑性變形，常常會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，軋后這些應(yīng)力不會(huì)消除，就形成了殘余應(yīng)力。Sachtleber[13]等對(duì)再結(jié)晶后金屬塑性變形進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在塑性變形的前期，晶粒內(nèi)部的變形是不均勻的，且晶粒各向異性會(huì)隨著塑性變形程度的增大繼續(xù)增大。CHEN[14]等通過(guò)研究晶粒取向?qū)滠埍°~板帶變形不均勻性影響發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榫Я５某跏既∠虿煌拖噜従Я５腻e(cuò)配，多晶體不僅在晶內(nèi)塑性變形不均，在晶間變形也不均勻。陳守東[15]等人采用晶體塑性有限元法模擬了只有一層晶粒的銅板帶軋制過(guò)程。發(fā)現(xiàn)軋制過(guò)程中，晶粒的取向、變形以及滑移是局部性的，且這種局部性是由晶粒取向和晶界的取向?qū)е碌?。由于相鄰晶粒的作用，使晶粒轉(zhuǎn)為硬取向阻礙滑移進(jìn)行，導(dǎo)致晶粒內(nèi)部出現(xiàn)局部非滑移區(qū)，出現(xiàn)塑性變形不均。

1.3 其他影響因素

以上所述為冷軋銅板帶過(guò)程中直接引起冷塑性變形不均，進(jìn)而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的原因。還有一些影響因素，例如軋制速度、摩擦條件等，這些因素并不會(huì)直接導(dǎo)致冷軋銅板帶不均勻變形產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而是會(huì)影響軋制壓力和軋輥?zhàn)冃?，造成軋輥?zhàn)冃蔚热毕?，最終引起板帶產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的消除措施

殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致銅板帶產(chǎn)品應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、疲勞、板形不良等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響板銅板帶的質(zhì)量，使后續(xù)銅板帶的加工無(wú)法進(jìn)行。隨著電子生產(chǎn)線的日漸繁榮，對(duì)高精度銅板帶的需求日益增大，如何控制和消除銅板帶殘余應(yīng)力成為國(guó)內(nèi)外銅板帶領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。消除殘余應(yīng)力的方法從上個(gè)世紀(jì)就開(kāi)始了，其主要原理是從外界向板帶施加能量，使位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)，使板帶內(nèi)部殘留的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)為永久的非彈性應(yīng)變[16]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索，已經(jīng)確定了幾種有效的消除殘余應(yīng)力方法，包括施加熱載荷、施加額外塑性變形、深冷處理和施加交變載荷等。

2.1 去應(yīng)力退火

熱處理是一種古老且有效的消除殘余應(yīng)力方法。到目前為止，去應(yīng)力退火還是大多數(shù)高精度銅板帶企業(yè)消除銅板帶殘余應(yīng)力的利劍。K.E. Amin[17]等對(duì)軋后銅板帶進(jìn)行了低溫退火處理，使冷軋過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力消減了一部分。吳小香[18]對(duì)低溫軋制后的銅合金進(jìn)行了真空退火處理，消減了材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并且指出了最佳的退火溫度。

2.2 拉伸彎曲矯直

矯直也是消除銅板帶殘余應(yīng)力的一種常用手段，傳統(tǒng)的矯直方法有輥式矯直和張力矯直。這兩種矯直方法在消除板帶殘余應(yīng)力方面局限性比較大，效果也不好。連續(xù)拉伸彎曲矯直機(jī)將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，在消除板帶殘余應(yīng)力中得到了廣泛應(yīng)用。板帶在張力和彎曲應(yīng)力的共同作用下發(fā)生塑性變形，使板帶內(nèi)部殘余應(yīng)力循環(huán)加載與卸載，斷面纖維長(zhǎng)度保持一致， 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為拉伸彎曲矯直。劉研[19]對(duì)板帶拉伸彎曲矯直的機(jī)理和過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對(duì)矯直過(guò)程中的矯直參數(shù)定量分析并通過(guò)仿真定量說(shuō)明了各矯直參數(shù)對(duì)拉伸彎曲矯直后板帶殘余應(yīng)力分布的影響。岳照涵[20]利用有限元軟件對(duì)薄板帶中浪的拉伸彎曲矯直過(guò)程進(jìn)行了模擬， 發(fā)現(xiàn)拉伸彎曲矯直可以改善板形，但必須是多道次矯直，單道次矯直效果不好。

2.3 深冷處理

作為傳統(tǒng)熱處理的一種附加工藝，深冷處理金屬材料消除殘余應(yīng)力也是一種綠色有效的手段。深冷處理的機(jī)理是利用不同階段材料內(nèi)外的應(yīng)力狀態(tài)不同來(lái)互相抵消應(yīng)力作用效果。李敬民[21]等人對(duì)鋁銅系合金加以不同的深冷處理工藝，發(fā)現(xiàn)深冷處理比傳統(tǒng)的時(shí)效處理去除殘余應(yīng)力的效果要好。吳紀(jì)洲[22]對(duì)拉拔后純銅材料進(jìn)行了深冷處理，顯著改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)。王磊[23]對(duì)比研究了深冷處理金屬材料殘余應(yīng)力和去應(yīng)力退火處理金屬材料殘余應(yīng)力的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)深冷處理比去應(yīng)力退火處理對(duì)材料的影響更均衡，深冷處理在降低殘余應(yīng)力的同時(shí)使殘余應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變。

2.4 振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力是一種綠色環(huán)保的新工藝，由美國(guó)人J W Stratt發(fā)現(xiàn)并提出的。M.Shalvandi[24]等人用超聲波振動(dòng)薄工件的殘余應(yīng)力，研究發(fā)經(jīng)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)效處理的工件殘余應(yīng)力與經(jīng)熱處理的工件殘余應(yīng)力幾乎相差無(wú)幾，換言之，振動(dòng)時(shí)效處理對(duì)殘余應(yīng)力的消除效果是顯著的。Claudiu Nicola[25]等也對(duì)金屬工件進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效處理，明顯消除了殘余應(yīng)力。孫春芽[26]以不同的振動(dòng)參數(shù)對(duì)板帶進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的消除程度不同，但都能有效消減板帶的殘余應(yīng)力。

2.5 張力退火

低溫張力退火是企業(yè)在高精度板帶箔材生產(chǎn)過(guò)程中消除殘余應(yīng)力的一種熱門(mén)有效的方法，在退火過(guò)程中加以張力配合更大程度的消除板帶內(nèi)部的殘余應(yīng)力，例如氣墊爐的使用。R. Wang[27]等人綜合考慮了連續(xù)退火過(guò)程中張力對(duì)帶材偏差、屈曲和寬度變窄等因素的影響，優(yōu)化張力改善板形并開(kāi)發(fā)了一個(gè)冷軋板帶連續(xù)退火過(guò)程中張力設(shè)置優(yōu)化軟件，表現(xiàn)出良好的效果。麻永林[28]采用張力退火爐對(duì)冷軋后的板帶進(jìn)行低溫張力退火，在控制退火溫度不變而改變3種不同張力的條件下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，控制合適的參數(shù)，低溫張力退火可以同時(shí)改善板帶橫向和縱向的殘余應(yīng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)冷軋銅板帶殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因是復(fù)雜的，有機(jī)械作用和熱作用的耦合，也有單一因素的影響。目前我們對(duì)冷軋銅板帶殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因探究還是很淺顯的，多方位、深層次的探究殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因是高精度銅板帶企業(yè)的技術(shù)方向之一。

(2)隨著5G技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，引線框架用銅帶的需求量會(huì)日益增大，同時(shí)，對(duì)銅板帶殘余應(yīng)力的要求也將更為嚴(yán)格。因此研究消除高精度銅帶箔殘余應(yīng)力的工藝方法，并在生產(chǎn)中進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成為迫在眉睫的問(wèn)題。

(3)目前，高精度銅板帶企業(yè)均認(rèn)識(shí)到板形及殘余應(yīng)力控制的重要性，但由于對(duì)冷軋銅帶殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因的認(rèn)識(shí)不夠深入，殘余應(yīng)力控制的技術(shù)措施還顯得較為單一、不太系統(tǒng)，僅僅依靠在成品階段消除殘余應(yīng)力的方法，不能通過(guò)源頭控制，致使國(guó)內(nèi)高精度銅板帶在殘余應(yīng)力方面與國(guó)外產(chǎn)品還有較大差距。

Analysis on Cause and Elimination Method of Residual Stress in Cold Rolled Copper Strip

Han Lei1, Liang Hongyu2, Wang Shaohua3, Zhang Wenqin3, Jing Jie3

(1. North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China; 3. Taiyuan Jinxi Chunlei Copper Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

Abstract: This paper reviews the research status of residual stress in cold rolled copper alloy strip from the aspects of the cause and elimination methods. It is pointed out that it is urgent to understand the cause of residual stress of cold rolled copper alloy strip and to study the control and elimination process of residual stress of high precision copper strip foil and apply it in industrial production.

Keywords: cold rolling; copper alloy strip; residual stress; causes; elimination method;