CN114496351A - 一种铜包铝导体及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜包铝导体及其加工方法，其中，铜包铝导体包括铝杆和包覆在所述铝杆外表面上的铜层，所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε不低于92％，进一步的，所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε在92％‑95％；优点是能够较为理想的将铜和铝紧密结合，有利于充分实现铜包铝导体的先进性。

Description

一种铜包铝导体及其加工方法

技术领域

本发明属于电缆技术领域，尤其是涉及一种铜包铝导体及其加工方法。

背景技术

随着国内的大开发，电线电缆的需求量日益增加，电线电缆不断的向轻量化、经济化、高性能化发展，对基础材料的要求也随之多样化、高端化，原有的铝导体和铜导体已不能与此相适应，因此诞生了铜包铝双金属复合导体，不仅能够节约铜资源，而且机械性能、电气性能、经济性特点突出。

铜包铝双金属复合导体一般采用铝线镀铜法、轧辊压接法或静液挤压法等工艺制备，但上述的制备工艺都没有很好的实现铜层均匀包覆铝芯或铜铝紧密结合，既使应用包覆焊接拉拔法，也无法实现较为理想的将铜和铝紧密结合，即难以充分实现铜包铝导体的先进性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铜包铝导体及其加工方法，能够较为理想的将铜和铝紧密结合，有利于充分实现铜包铝导体的先进性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铜包铝导体，包括铝杆和包覆在所述铝杆外表面上的铜层，所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε不低于92％。

所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε在92％-95％。

本发明还提供了一种铜包铝导体的加工方法，包括以下步骤：

S1、机械式清洁：采用摩擦清洁装置清除铜带和铝杆表面的油污、杂质等污染物；

S2、包覆：用圆周弯曲法分多次将铜带包覆绕制在铝杆上，每次将铜带从铝杆两侧向中间弯曲一定角度，直至将铜带从铝杆两侧向中间弯曲成180°，得到铜包铝坯体；

S3、气动式清洁：采用气动式清洁装置清除铜带接口处的油污、杂质等污染物，使铝杆表面的氧化铝硬化层控制在0.04μm厚度以下；

S4、对缝焊接：将含有质量分数为1.8-2.2％的氧化铈的钨棒作为电极，氩气通过氩气导流管从陶瓷焊嘴中围绕钨棒连续喷出，陶瓷焊嘴用封闭帽封闭，在陶瓷喷嘴和铜包铝坯体之间形成氩气云层，铜包铝坯体放在焊接牵引滚轮上牵引移动，电极放电形成高电流使铜带上对缝区的表面融化形成熔池，熔池冷却即完成对缝焊接，得到铜包铝线坯；

S5、拉拔：采用钨钴硬质合金模对铜包铝线坯进行冷拉拔，其中，钨钴硬质合金模上设置有沿水平方向延伸的模孔，模孔分为从左到右依次排列的入口区、工作区、定径区和出口区，入口区用于储存润滑剂，入口区的孔径从左到右逐渐减小，工作区的孔径从左到右逐渐减小，且工作区左端的孔径与入口区右端的孔径相一致，定径区的孔径与工作区右端的孔径相等，出口区的孔径从左到右逐渐增大，且出口区左端的孔径与定径区的孔径相一致，铜包铝线坯的直径大于定径区的直径并小于工作区左端的孔径，铜包铝线坯从模孔左侧的入口区进入，经拉拔变形后从模孔右侧的出口区移出，在拉拔的过程中满足以下算式：

F1＜F2＜Q以及F1＜F2＜q

其中，F1为工作区中铜包铝线坯的变形抗力，F2为施加在铜包铝线坯上的拉拔应力，Q为出口区的铜包铝线坯的屈服极限，q为出口区的铜包铝线坯的抗拉强度；

S6、消除应力：对经步骤S5拉拔后的铜包铝线坯进行热处理，得到铜包铝导体。

作为优选，在所述步骤S5中，将入口区的圆锥角度数记为α，α满足：67°≤α≤73°，将入口区的长度记为H1，H1满足：1.2mm≤H1≤1.41mm；将工作区的圆锥角度数记为β，β满足：α/3≤β≤α/2，将工作区的长度记为H2，H2满足：3.6mm≤H2≤4.2mm；将定径区的长度记为H3，H3满足：0.1D≤H3≤0.5D，其中D为定径区的直径；将出口区的圆锥角度数记为γ，γ满足：70°≤γ≤90°，将出口区的长度记为H4，H4满足：1.2mm≤H4≤1.3mm。

作为优选，在所述步骤S5中，铜包铝线坯拉拔的基本安全系数为K，K＝F1/F2，K满足：1.4≤K≤2.0。

作为优选，在所述步骤S5中，入口区与工作区的交界处、工作区与定径区的交界处以及定径区和出口区的交界处均为圆角过渡。

作为优选，在所述步骤S6中，热处理过程如下：将铜包铝线坯吊装进热处理炉罐内，密闭后充入惰性气体，使热处理炉罐内的压力维持在0.01Mpa，缓慢加温2.5小时，控制热处理炉罐内温度为450℃-480℃，使得铝杆单丝温度达到280℃-300℃，然后保温2±0.5小时，最后在空气中冷却18±0.5个小时。特定的温度与特定的时间相结合是热处理的关键，达到铜、铝界面原子的“扩散键合”。

与现有技术相比，本发明的优点在于

1、先通过清洗步骤清除铜带表面、铝杆表面以及铜带接口处的污染物，将铝杆表面的氧化铝硬化层控制在0.04μm厚度以下，并在焊接步骤中，在陶瓷喷嘴和铜包铝坯体之间形成氩气云层，避免铝杆表面在焊接过程中发生氧化形成氧化铝硬化沉积，纯净的铜和铝在后续的拉拔过程中实现金属键合(氧化铝硬化层越薄，键合越充分)，得到铜包铝线坯，经热处理后铜包铝导体的临界减面率ε能够达到92-95％；

2、通过在纯钨极配料中加入质量分数为1.8-2.2％的氧化铈，形成杂质≤0.1％的电极，铈钨极的X射线剂量及抗氧化性能比钍钨极有较大改善且铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，同时无放射性，尖端无污染，有效的降低了生产过程中的污染问题；

3、通过在陶瓷焊嘴上设置封闭帽，有效防止焊接氧化与产生气孔的弊端，保证了焊缝饱满、平整、连续，稳定性较好。

4、通过拉拔控制“金属键合”和热处理控制“扩散键合”，实现金属原子间两种形式的结合，达到铜包铝双金属的“冶金结合”，而一般工艺应用包覆焊接拉拔法，只是实现拉拔控制“金属键合”，而无实现热处理控制“扩散键合”，所以没有实现较为理想的铜和铝紧密结合，即难以充分实现铜包铝导体的先进性。

附图说明

图1为本发明中铜包铝导体的结构示意图；

图2为本发明中钨钴硬质合金模的剖面结构示意图；

图3为本发明中拉拔过程的结构示意图；

图4为拉拔时断面坐标网络变化图；

图5为热处理炉罐和铜包铝导体的温度变化图。

图中：1、铝杆；2、铜层。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种铜包铝导体，包括铝杆1和包覆在铝杆1外表面上的铜层2，铜层2与铝杆1外表面之间的临界减面率ε不低于92％。

本实施例中，铜层2与铝杆1外表面之间的临界减面率ε在92％-95％。

进一步的，铜层采用高品质铜带，密度8.960g/cm3(固态)，莫氏硬度3，剪切模量：48GPa，熔点1357.77k(1083.4℃)(单质)，纯度大于99.95％，热导率：401W/(m·K)，膨胀系数：(25℃)16.5μm/(m·K)，电离能：7.726电子伏特，电阻率：1.75×10-8Ω·m，氧的含量不大于0.003％，杂质总含量不大于0.05％，具有很好的延展性，导热和导电性能较好。

实施例二：如图2-5所示，一种铜包铝导体的加工方法，包括以下步骤：

S1、机械式清洁：采用摩擦清洁装置清除铜带和铝杆表面的油污、杂质等污染物；

S2、包覆：用圆周弯曲法分多次将铜带包覆绕制在铝杆上，每次将铜带从铝杆两侧向中间弯曲一定角度，直至将铜带从铝杆两侧向中间弯曲成180°，得到铜包铝坯体；

S3、气动式清洁：采用气动式清洁装置清除铜带接口处的油污、杂质等污染物，使铝杆表面的氧化铝硬化层控制在0.04μm厚度以下；

S4、对缝焊接：将含有质量分数为1.8-2.2％的氧化铈的钨棒作为电极，氩气通过氩气导流管从陶瓷焊嘴中围绕钨棒连续喷出，陶瓷焊嘴用封闭帽封闭，在陶瓷喷嘴和铜包铝坯体之间形成氩气云层，铜包铝坯体放在焊接牵引滚轮上牵引移动，电极放电形成高电流使铜带上对缝区的表面融化形成熔池，熔池冷却即完成对缝焊接，得到铜包铝线坯；

S5、拉拔：采用钨钴硬质合金模对铜包铝线坯进行冷拉拔，其中，钨钴硬质合金模上设置有沿水平方向延伸的模孔，模孔分为从左到右依次排列的入口区I、工作区II、定径区III和出口区IV，入口区I用于储存润滑剂，入口区I的孔径从左到右逐渐减小，工作区II的孔径从左到右逐渐减小，且工作区II左端的孔径与入口区I右端的孔径相一致，定径区III的孔径与工作区II右端的孔径相等，出口区IV的孔径从左到右逐渐增大，且出口区IV左端的孔径与定径区III的孔径相一致，铜包铝线坯的直径大于定径区III的直径并小于工作区II左端的孔径，铜包铝线坯从模孔左侧的入口区进入，经拉拔变形后从模孔右侧的出口区移出，在拉拔的过程中满足以下算式：

F1＜F2＜Q以及F1＜F2＜q

其中，F1为工作区II中铜包铝线坯的变形抗力，F2为施加在铜包铝线坯上的拉拔应力，Q为出口区IV的铜包铝线坯的屈服极限，q为出口区IV的铜包铝线坯的抗拉强度；

S6、消除应力：对经步骤S5拉拔后的铜包铝线坯进行热处理，得到铜包铝导体。

在步骤S5中，将入口区I的圆锥角度数记为α，α满足：67°≤α≤73°，将入口区I的长度记为H1，H1满足：1.2mm≤H1≤1.41mm，当α值过小时，润滑剂不易进入，且流动不畅，甚至会形成锲形堵塞，当α值过大时则会形成流体动压效应，故采用特定的α值，确保铜包铝线坯在低阻碍的情况下进入到工作区II。

在步骤S5中，工作区II是铜包铝线坯产生塑性变化的区域，将工作区II的圆锥角度数记为β，β满足：α/3≤β≤α/2，将工作区II的长度记为H2，H2满足：3.6mm≤H2≤4.2mm，该参数的设定决定了工作区II内模孔内壁作用在铜包铝线坯上的压力大小及其压力的分布规律，也影响拉拔应力的大小及铜包铝线坯机械性能的好坏。

在步骤S5中，将定径区III的长度记为H3，H3满足：0.1D≤H3≤0.5D，其中D为定径区III的直径，定径区III过长虽可提高钨钴硬质合金模的寿命，但也会造成摩擦、发热量及能耗的增大，且易引起铜包铝线坯直径的缩减或拉断，过短则会造成拉拔时铜包铝线坯摇晃并产生“竹节形”，还会使钨钴硬质合金模模孔发生磨损并增大误差范围，通过设定合适的参数，确保钨钴硬质合金模的寿命，将摩擦、发热量及能耗控制在指定的范围内，有效避免铜包铝线坯直径的缩减或拉断，且避免产生“竹节形”，可靠性较好，适于生产作业。进一步的，H3优选值为0.1D-0.2D。

在步骤S5中，将出口区IV的圆锥角度数记为γ，γ满足：70°≤γ≤90°，将出口区IV的长度记为H4，H4满足：1.2mm≤H4≤1.3mm。

在步骤S5中，铜包铝线坯拉拔的基本安全系数为K，K＝F1/F2，K满足：1.4≤K≤2.0。经测试，当K值在该范围内时，可充分利用铜包铝线坯的可塑性，减少断裂风险，当K值过大时，无法充分利用铜包铝线坯的可塑性，当K值过小时，易发生断裂。

在步骤S5中，入口区I与工作区II的交界处、工作区II与定径区III的交界处以及定径区III和出口区IV的交界处均为圆角过渡(图中未显示)。

在步骤S6中，热处理过程如下：将铜包铝线坯吊装进热处理炉罐内，密闭后充入惰性气体，使热处理炉罐内的压力维持在0.01Mpa，缓慢加温2.5小时，控制热处理炉罐内温度为450℃-480℃，使得铝杆单丝温度达到280℃-300℃，然后保温2±0.5小时，最后在空气中冷却18±0.5个小时。通过设计好的升温温度、保温时间、升(降)温速率(参见图5)，改变铜包铝线坯金属表面及内部的金相组织结构，从而达到最佳的应力消除。热处理炉内热介质流通态设计，热介质靠热电偶测量温度，克服传统消应力过程中炉内温度不均现象，实现了炉内腔的上、中、下部位温度一致性，探索出一套温度与时间的可控曲线，确保铜包铝线坯消应力处理后的优良机械性能和电性能。

当加温时间＜2.5小时，此时加温炉温度＜450-480℃，炉罐温度(即铜包铝导体金属单丝温度)＜280-300℃时，铜包覆层处于回复阶段，强度从冷拉态的361Mpa急剧下降到236Mpa，延伸率略有降低，金属延伸率达不到25-30％的标准；当加温时间＞2.5小时，此时加温炉温度＞450-480℃，炉罐温度(即铜包铝导体金属单丝温度)＞280-300℃时，金属延伸率也达不到25-30％的标准；当加温时间＞2.5小时，热处理加温炉温度达到450℃，炉罐温度(即铜包铝导体金属单丝温度)280℃时，铜包覆层的再结晶完成，抗拉强度下降至152Mpa，延伸率达到25-30％左右；当铜包铝导体金属单丝温度达到300℃时，铜包覆层结晶粒显著长大，界面处生成脆性金属间化合物,此时开始保温2小时，在空气中冷却18小时,界面扩散层随温度和保温时间的增加而增大，当温度低于300℃时，扩散层厚度界面扩散层为2um，铜包铝导体金属单丝延伸率达到最高25-30％，保温和冷却的目的是使铜包铝导体金属单丝内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和电性能，延伸率达到25-30％的要求。

此外，季节不同，大气温度不同，冬夏季节差别各阶段时间上差异约0.5小时。铜包铝导体金属单丝直径的不同工艺各参数也有所差异。单丝直径大，所需温度就高，相应保温、冷却时间就长。

本发明通过特定的拉拔工艺，采用逐渐减小孔径的模具进行连续拉拔，铜包铝线坯在拉拔的过程中，所受的外力有拉拔力P、模壁给予铜包铝线坯的正压力N和摩擦力T(如图3和图4所示)，铜包铝线坯在拉拔力P、正压力N和摩擦力T的作用下，其内部的晶粒尺寸在拉拔方向上拉长，出现明显的纤维状组织，拉拔后的线坯呈现各向异性，形成变形结构，各个晶粒的某一晶向与拉拔力方向平行或接近平行，并且，由于线坯是实心圆棒状，应力呈轴对称应力状态，定径区中的铜包铝线坯变形状态为多向压缩和一向延伸，使其实现“金属键合”。对于铜包铝线坯的拉拔，实现金属较强键合的变形量常用“临界减面率ε”(线坯拉拔后截面积减小的绝对值与拉拔前的截面积之百分比)来衡量。实验表明，铜包铝线坯拉拔的初期(减面率ε约为30％左右)，在拉拔正压力作用下，随着减面率ε增加，裂口不断增多，并促使铜带基体和铝芯基体中的铜挤入裂口中。由于从基体内部挤出的金属非常纯净，很容易与对方金属通过金属键而结合在一起；在减面率ε达到50％时，铝芯表面的铜含量及铜层表面的铝含量还比较少，因此，“金属键合”点不多，结合强度不高，要是铜层与铝芯线界面牢固结合，必须要有足够的变形量，使界面上产生大量的键合点；当总截面减缩率70％，开始在接触界面出现“金属键合”；临界减面率ε达到80％时，界面才能良好结合；当总截面减缩率85％，才达到最佳值，而本发明的加工方法，临界减面率ε在92％-95％，达到了最佳值。

参见图4，在纵向网格轴线上，拉拔前形状为正方形网络格A经拉拔后变成矩形，内切圆变成正椭圆，其长轴和拉拔方向一致，因此，铜包铝线坯在轴线上的变形是沿轴向延伸，在径向和周向上被压缩，在周边的网络除了受到轴向拉长，径向和周向上被压缩之外，还发生了剪切变形。在横向网格轴线上，拉拔前为直线的横线进入定径区后开始变成拉拔方向凸出的弧形线，且其曲率由入口端到出口端逐渐增大，到出口端后不再变化，这过程中周边层的线坯移动速度小于中间层，随着模角和摩擦系数的增大，这种不均匀性更加明显。

此外，设计“强迫润滑工艺”，利用拉拔中铜包铝线坯与模具之间的相对运动，将润滑剂带入模具型腔，产生“高压油楔”，在模具与线坯之间产生油膜，有助于提高润滑油的润滑效果。

上述的钨钴硬质合金模属钨类合金，由碳化钨和钴等组成，碳化钨是整个合金的“骨架”，耐腐蚀性好、抛光性好、粘附性小，对润滑剂具有广泛适用性。

本方案通过专用工装对铜带、铝杆为基体实现最有效的包覆、焊接和拉拔及消应力，使材料表面张力与分子间作用力、界面张力与粘附力、接触面与润湿能力以及材料属性对于该铜铝材料的力学行为的影响，改变铜、铝基体的属性组成“冶金结合”元素分子结构间相互作用相互键合，将铜、铝基体分别为可变形连接体的铜铝单胞复合材料有限元微观模式，铜带和铝杆的接触界面不断靠近，当靠近到原子级距离时，原子间引力开始增加，并达到最大值，因原子间的引力，产生原子间的键合，生成CuAL₂化合物，此时“冶金结合”生成CuAL₂厚度在2-8μm之间，具有足够的强度，可以达到1Mpa，用机械方法也很难分开，系统的形成精湛工艺，实现了铜包铝高质量的新型导体品质。

Claims (7)

1.一种铜包铝导体及其加工方法，包括铝杆和包覆在所述铝杆外表面上的铜层，其特征在于所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε不低于92％。

2.根据权利要求1所述的一种铜包铝导体，其特征在于所述铜层与所述铝杆外表面之间的临界减面率ε在92％-95％。

3.一种铜包铝导体的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、机械式清洁：采用摩擦清洁装置清除铜带和铝杆表面的油污、杂质等污染物；

S2、包覆：用圆周弯曲法分多次将铜带包覆绕制在铝杆上，每次将铜带从铝杆两侧向中间弯曲一定角度，直至将铜带从铝杆两侧向中间弯曲成180°，得到铜包铝坯体；

S3、气动式清洁：采用气动式清洁装置清除铜带接口处的油污、杂质等污染物，使铝杆表面的氧化铝硬化层控制在0.04μm厚度以下；

S4、对缝焊接：将含有质量分数为1.8-2.2％的氧化铈的钨棒作为电极，氩气通过氩气导流管从陶瓷焊嘴中围绕钨棒连续喷出，陶瓷焊嘴用封闭帽封闭，在陶瓷喷嘴和铜包铝坯体之间形成氩气云层，铜包铝坯体放在焊接牵引滚轮上牵引移动，电极放电形成高电流使铜带上对缝区的表面融化形成熔池，熔池冷却即完成对缝焊接，得到铜包铝线坯；

S5、拉拔：采用钨钴硬质合金模对铜包铝线坯进行冷拉拔，其中，钨钴硬质合金模上设置有沿水平方向延伸的模孔，模孔分为从左到右依次排列的入口区、工作区、定径区和出口区，入口区用于储存润滑剂，入口区的孔径从左到右逐渐减小，工作区的孔径从左到右逐渐减小，且工作区左端的孔径与入口区右端的孔径相一致，定径区的孔径与工作区右端的孔径相等，出口区的孔径从左到右逐渐增大，且出口区左端的孔径与定径区的孔径相一致，铜包铝线坯的直径大于定径区的直径并小于工作区左端的孔径，铜包铝线坯从模孔左侧的入口区进入，经拉拔变形后从模孔右侧的出口区移出，在拉拔的过程中满足以下算式：

F1＜F2＜Q以及F1＜F2＜q

其中，F1为工作区中铜包铝线坯的变形抗力，F2为施加在铜包铝线坯上的拉拔应力，Q为出口区的铜包铝线坯的屈服极限，q为出口区的铜包铝线坯的抗拉强度；

S6、消除应力：对经步骤S5拉拔后的铜包铝线坯进行热处理，得到铜包铝导体。

4.根据权利要求3所述的一种铜包铝导体的加工方法，其特征在于在所述步骤S5中，将入口区的圆锥角度数记为α，α满足：67°≤α≤73°，将入口区的长度记为H1，H1满足：1.2mm≤H1≤1.41mm；将工作区的圆锥角度数记为β，β满足：α/3≤β≤α/2，将工作区的长度记为H2，H2满足：3.6mm≤H2≤4.2mm；将定径区的长度记为H3，H3满足：0.1D≤H3≤0.5D，其中D为定径区的直径；将出口区的圆锥角度数记为γ，γ满足：70°≤γ≤90°，将出口区的长度记为H4，H4满足：1.2mm≤H4≤1.3mm。

5.根据权利要求3所述的一种铜包铝导体的加工方法，其特征在于在所述步骤S5中，铜包铝线坯拉拔的基本安全系数为K，K＝F1/F2，K满足：1.4≤K≤2.0。

6.根据权利要求3所述的一种铜包铝导体的加工方法，其特征在于在所述步骤S5中，入口区与工作区的交界处、工作区与定径区的交界处以及定径区和出口区的交界处均为圆角过渡。

7.根据权利要求3所述的一种铜包铝导体的加工方法，其特征在于在所述步骤S6中，热处理过程如下：将铜包铝线坯吊装进热处理炉罐内，密闭后充入惰性气体，使热处理炉罐内的压力维持在0.01Mpa，缓慢加温2.5小时，控制热处理炉罐内温度为450℃-480℃，使得铝杆单丝温度达到280℃-300℃，然后保温2±0.5小时，最后在空气中冷却18±0.5个小时。

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