譚世海，石勝平，熊雋迪

(1.重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053;2.重慶市酉陽供電有限責任公司，重慶酉陽 408000)

高強度銅包鋁鎂線制備工藝改進與實踐

譚世海1，石勝平2，熊雋迪1

(1.重慶電力高等專科學校，重慶 400053;2.重慶市酉陽供電有限責任公司，重慶酉陽 408000)

介紹高強度銅包鋁鎂線與銅包鋁線的特點及其在高頻信號傳輸中的趨膚效應，重點研究高強度銅包鋁鎂線包覆焊接法的制備裝置、工藝及其改進措施，并分析制備工藝改進后生產(chǎn)的高強度銅包鋁鎂線產(chǎn)品質(zhì)量及效果。

銅包鋁鎂線;包覆焊接法;制備工藝改進

0 引言

高強度銅包鋁鎂線在鋁鎂芯線外表面同心包覆薄的銅層，使銅和鋁鎂界面形成良好的冶金結(jié)合而形成一個整體金屬線材，在保證使用性能的前提下，能同時兼?zhèn)淙N金屬的優(yōu)點。高強度銅包鋁鎂線與一般銅包鋁線相比，具有線徑小、抗拉強度高、伸長率大、耐腐蝕性好等特點，可以替代純銅線，填補了一般銅包鋁線不能適用的市場空間。銅包鋁線是近幾年來快速發(fā)展起來的新型合成高性能雙金屬線材，它具有節(jié)省大量稀缺銅資源，降低生產(chǎn)成本，提高信號傳輸質(zhì)量，利于網(wǎng)絡施工及改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，是國家大力推廣的新型純銅芯電纜替代產(chǎn)品［1］。

1 高強度銅包鋁鎂線的高頻趨膚效應

所謂趨膚(集膚)效應是指高頻信號在導體上傳輸時，大部分電流都集中在導體的表面，而內(nèi)部很少甚至沒有電流通過的現(xiàn)象［2］。將導體內(nèi)部電流減少到表面值的36.8%(1/e，e=2.718)時的深度稱為趨膚(透入)深度δ。對于銅導體，其趨膚深度δ可用下式計算:

式中:δ為趨膚深度(mm);f為信號的頻率(Hz)。頻率f值越大，趨膚深度δ值越小。

常用銅包鋁線的允許最薄銅層厚度與5～100MHz信號傳輸時的趨膚深度的關系如表1所示［3］。由表1中所示數(shù)據(jù)可知，常用銅包鋁線的最薄允許銅層厚度比趨膚深度δ要大得多，因此使用相同尺寸的銅包鋁線來傳輸高頻信號在質(zhì)量上沒有影響。由此類推，高強度銅包鋁鎂線也是如此。

表1 常用銅包鋁線透入深度與頻率的關系

2 高強度銅包鋁鎂線的物理性能

銅包鋁線是線纜行業(yè)中應用最廣泛的雙金屬復合線材。它是表層純銅與鋁形成原子間冶金結(jié)合的金屬復合線材，是在一根線材上發(fā)揮了兩種金屬材料的特性，即發(fā)揮銅的優(yōu)良導電性和鋁密度小的特性，具有單一金屬無法滿足的性能。因此，銅包鋁線被譽為純銅線導體的“更新?lián)Q代”產(chǎn)品，是具有“趨膚效應”的高頻信號的良好載體，銅包鋁線主要用于同軸電纜內(nèi)導體。

銅包鋁線與純銅線的物理性能比較見表2［4-5］。在質(zhì)量和直徑相同的條件下，銅包鋁線與純銅線的長度比為2.45∶1～2.68∶1，從而大大降低了電纜生產(chǎn)的成本。銅包鋁線質(zhì)量輕，便于運輸、安裝施工，可降低施工人員的勞動強度。

表2 銅包鋁線的主要物理性能參數(shù)

高強度銅包鋁鎂線將銅的優(yōu)良導電性、鋁的密度小、鋁鎂合金的強度高等優(yōu)點結(jié)合于一體，經(jīng)過試驗能夠正常拉至Ф0.12 mm不易斷線，克服了銅包鋁線徑Ф0.5mm以下產(chǎn)品的強度低、易斷線等缺點。因此，它比銅包鋁線擴大了產(chǎn)品應用領域，并且提高了抗拉強度與耐蝕性。如:高強度銅包鋁、鎂線不僅可作同軸電纜內(nèi)導體、也可用作同軸電纜的屏蔽線，還可深加工成銅包鋁鎂輕型漆包線、用于航空航天的儀表線圈、音響線圈、小型電機和變壓器的繞組等，成為高附加值導線。

3 包覆焊接法制備工藝改進與實踐

3.1 包覆焊接制備工藝

銅包鋁鎂線的制備工藝必須確保兩金屬結(jié)合面接近到原子距離，而后經(jīng)擴散熱處理，最終形成界面的牢固結(jié)合。目前，銅包鋁鎂線一般采用國際上先進的包覆焊接工藝生產(chǎn)，包覆焊接裝置如圖1所示。

包覆焊接法是將經(jīng)過清洗的銅帶逐步形成圓管狀，包覆在清洗過的鋁鎂芯線周圍，采用氬弧焊將銅管的縱縫焊接起來形成線坯，然后通過拉拔和熱處理工藝獲得所需的線材直徑和性能的工藝方法［6-7］。為了使銅層和鋁鎂芯在拉拔過程中能形成冶金結(jié)合，首先要對原材料(銅帶和鋁鎂芯)進行徹底的焊前處理，采用機械法或化學法除去表面的油脂和氧化層后，再將銅帶和鋁鎂芯線同時送入復合箱，并處于惰性氣體保護中，以防止清理后的銅帶和鋁鎂芯線再次氧化;然后在包覆焊接裝置中，銅帶在多對垂直和水平成形滾輪的作用下，沿縱向逐步形成圓管狀并將鋁鎂芯包覆其中;繼而進入焊接區(qū)用高速氬弧焊方法將圓管的縱縫連續(xù)不斷地焊接起來，形成銅包鋁鎂線坯并纏繞在圓形卷盤上;隨后將線坯送入拉絲機中，進行多道次的拉拔，以達到規(guī)定直徑的線材，同時使銅、鋁鎂界面實現(xiàn)固相冶金結(jié)合;最后，通過熱處理工藝賦予銅包鋁鎂線所需的力學性能［8］。其工藝流程如圖2所示。

圖1 銅包鋁鎂線包覆焊接裝置結(jié)構(gòu)改進后示意圖

圖2 銅包鋁鎂線工藝流程

該工藝中，銅層(銅帶)采用密實性高、導電線好的高純度精銅與鋁鎂線之間實現(xiàn)冶金結(jié)合，有較好密合性;銅層沿圓周方向及縱向分布均勻，同心度好;工藝相對簡單，設備不太復雜可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，為規(guī)?；笈可a(chǎn)奠定了工藝基礎，從而大大降低銅包鋁鎂線的生產(chǎn)成本。

3.2 包覆焊接設備改進與實踐

根據(jù)鋁鎂合金桿強度高、加工過程中內(nèi)應力大的特點，經(jīng)過反復多次試驗，創(chuàng)新設計，對傳統(tǒng)包覆焊接裝置進行了多項行之有效的改進，其具體措施是:增設銅帶鋁鎂桿進料控制(見圖1)、銅帶防掛和異物去除、鋁鎂桿清潔等裝置。實踐表明，包覆焊接工序運行平穩(wěn)可靠，產(chǎn)品質(zhì)量也明顯改善，產(chǎn)品的成材率平均達97.78%，比原來提高了4.78個百分點。

3.3 包覆焊接工藝改進與實踐

3.3.1 主材選擇

經(jīng)過反復試驗，篩選，在主材工藝要求上，選擇的鋁桿要達到:

(1)純度高:≥99.65%的電工純鋁桿。

(2)抗拉強度:按照A6的指標，即110～130MPa。

(3)伸長率:按照A2、A6的指標，即≥11%。

(4)根據(jù)不同產(chǎn)品特點，滿足不同線徑、不同延伸率要求產(chǎn)品的加工需要，對Mg的含量控制在0.2～1.5%之間，達到強度與導電率的最佳結(jié)合點。

3.3.2 加工工藝參數(shù)

(1)模具排列方式。通過試驗，在臨近銅鋁鎂結(jié)合的線徑時，改進模具排列方式為:ф3.8→ф3.7→ф3.6，ф3.5→ф3.4→ф3.3，有利于銅鋁鎂提前結(jié)合。

(2)采用較低溫退火工藝。由于抗拉強度高，在拉伸過程中不易壓延，甚至不能繼續(xù)加工。通過反復多次試驗，采用較低溫退火工藝，即在拉伸至線徑為 Φ2.4～4.4mm時，退火保溫溫度為185～200℃，退火時間為45～90分鐘。此工藝能夠達到后續(xù)工序拉伸對抗拉強度和伸長率的要求。而一般的加工工藝，是在線徑為成品線徑+0.05mm退火，并且退火溫度為270～350℃。

(3)預防線材表面氧化。

產(chǎn)品的腐蝕或者表面氧化，將嚴重影響信號的傳輸和電纜的使用壽命，如何提高產(chǎn)品的耐腐蝕性，防止表面氧化就顯得十分重要。具體采取方法:

①在成品拉伸時，使用經(jīng)過多次對比試驗的優(yōu)化配方拉絲液，在銅包鋁線表面增加了表面抗氧化液，使成品表面生成一層能夠有效減緩氧化的保護層，大大提高了產(chǎn)品的耐腐蝕性，使產(chǎn)品表面被氧化的時間至少延緩2倍以上，延長了產(chǎn)品壽命。

②根據(jù)不同產(chǎn)品包裝特點，在產(chǎn)品貯存和運輸過程中，外套PVC袋，并將袋內(nèi)抽成真空，再立即充入惰性氣體，如氬氣。這種保存銅包鋁線的方法效果非常好，產(chǎn)品長時間放置也光亮如初，杜絕了銅包鋁線產(chǎn)品被氧化和腐蝕的現(xiàn)象。

3.3 產(chǎn)品檢測情況

經(jīng)包覆焊接設備及包覆焊接工藝改進后的產(chǎn)品，已順利通過SGS檢測合格，其技術(shù)指標、性能均達到和滿足標準及用戶使用的要求。其主要指標檢測結(jié)果為:

(1)線材光滑圓整，銅層密實性好;

(2)銅鋁鎂之間結(jié)合牢固而無分層現(xiàn)象;

(3)抗拉強度:289MPa(SJ/T 1123-2000:≥250Mpa);

(4)伸長率為:1.8%(SJ/T 1123-2000:≥1%);

(5)直流電阻率:0.02546Ω·mm2/m(SJ/T 1123-2000:≤0.02676Ω·mm2/m)。

4 結(jié)語

高強度銅包鋁鎂線在其應用領域代替純銅線，降低了成本，能夠?qū)ιa(chǎn)企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益，符合我國創(chuàng)建“資源節(jié)約型社會”的戰(zhàn)略目標，并且符合我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策。經(jīng)改進的包覆焊接成型控制裝置，保證了包覆焊接運行平穩(wěn)可靠、產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善，產(chǎn)成品的成材率提高了4.5個百分點以上，降低了產(chǎn)品的消耗其效果明顯。

［1］ 宋麗娜，岳旭東.銅包鋁線的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.資源再生，2008，(8):43-45.

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A Study on the Im provement and Practice of the M anufacturing Process of the High Strength CCAM W ire

TAN Shi-hai1，SHISheng-ping2，XIONG Juan-di1
(1.Chongqing Electric Power College，Chongqing 400053，China; 2.Chongqing Youyang Power Supply CO.，Ltd.，Youyang Chongqing 408000，China)

This essay introduces the characteristics of the high strength CCAM wire and the CCA wire as well as its skin effect in the high frequency signal transmission.Besides，itmainly focuses on the manufacturing equipment，process and improvementmeasures of the claddingweldingmethod of the high strength CCAM wire aswell as analyzing the improved welding effect and the improved quality of the high strength CCAM wire products.

CCAM wire;cladding weldingmethod;improvement of themanufacturing process

TM24

A

1008-8032(2012)04-0078-03

2012-02-28

譚世海(1968-)，副教授、國家注冊安全工程師，主要從事實踐教學管理、電力工程類專業(yè)教學及研究工作、職業(yè)技能鑒定工作及電工類特種作業(yè)培訓工作。