CN1300347C - 铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及装置，它包括如下步骤：通过铜线生产线上的开、收卷装置带动连续铜线以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动的连续铜线的加电区域段进行在线退火，同时通过强制冷却装置对所述运动的连续铜线的加电区域段进行强制冷却。其采用高能连续脉冲电对运动的连续铜线进行退火处理，能耗低，生产效率高，避免了退火过程中铜线的氧化现象，特别适用于直径或厚度不大于3mm铜线材的连续完全软化或不同硬态要求的热处理。

Description

铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及装置

技术领域

本发明涉及连续线材退火技术，特别是一种铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及在线退火装置。

背景技术

铜线在国民经济领域中应用相当广阔，特别是电线电缆、电工触头等领域中已占有十分重要的位置。其具体应用都基于铜有着较好的机械性能、物理性能、较好的耐蚀性等综合特性，尤其是其导电性优异、散热性好等特点，且较贵金属成本低廉许多，因而为电子电器工业领域所青睐。

特别对于直径或厚度不大于3mm的铜线材，在其加工过程中，虽然材料塑性较好，但中间过程(如冷变形率超过90％时)或成品工序一般都需要进行完全软化或不同硬态要求的热处理。其目的主要有以下几种：1)保证后续加工塑性变形能力，降低变形抗力；2)控制成品的热处理状态，以确保使用时的物理性能(如导电性)和机械性能(如韧性)。

目前铜线的完全软化或不同硬度状态的要求的退火技术主要有以下三种方式：1、井式或钟罩式退火，该方式以电阻发热元件为热源，在炉内形成热源、炉衬、铜线之间的热交换，以对流和辐射传热为主对铜线间接加热，存在热效率低，通常为30％-45％；由于井式或钟罩式炉的温度场上下分布难以保证均匀，还存在退火均匀性差，材料间易粘结，加热时间长等缺陷，

2、管式(如马弗管)在线退火，该方式也是以对流和辐射的形式与铜线进行热交换，热效率低，通常为30％-45％。

3、采用交流或直流电源的直接电阻加热在线退火，该方式是指连续运动的铜线在两固定的接触电极间直接施加三相交流电或直流电，利用电流在铜线上产生的焦耳热效应使铜线材达到一定的温度，从而实现退火目的。如专利号为US5700335的美国专利介绍了一种可在线测量铜线电加热区的电压和电流，并反馈式调整输出功率以保证铜线加热温度的方案，其采用的就是三相交流电输入铜线电阻加热方式对铜线进行退火处理，铜线的电加热区段完成退火处理后进入生产线后边设置的冷却装置冷却处理。该方式热效率较高，通常为60％-95％，但是其耗电量大，使生产成本增加。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，特别克服采用交流或直流电源的直接电阻加热在线退火技术耗电量大、生产成本高的缺陷，本发明提供一种铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及装置，以节省能源，提高生产效率，降低生产成本，避免退火过程中铜线的氧化现象。

本发明铜线的高能连续电脉冲在线退火方法，包括以下步骤：

通过铜线生产线上的开、收卷装置带动连续铜线以一定速度向所述收卷装置方向传输；

配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动的连续铜线的加电区域段进行连续退火，同时通过强制冷却装置对所述运动的连续铜线的加电区域段进行强制冷却。

上述强制冷却装置设置于运动的连续铜线的加电区域段周围，强制冷却装置采用水冷方式、或风冷方式、或油冷方式。退火过程中，输入铜线的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数可以为：脉冲宽度20-200μs，频率100-3000HZ，电流密度的幅值500-1500A/mm²。其中，优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度60-100μs，频率400-1000HZ，电流密度的幅值1000-1500A/mm²。

实现上述方法的一种铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，包括开卷装置5、收卷装置6、退火用电源1、设置于开卷装置5和收卷装置6之间的两个电接触装置3、3’，所述开卷、收卷装置带动连续铜线2以一定速度向收卷装置方向传输；退火用电源1为高能连续电脉冲电源，该高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、3’，通过该两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续铜线2的加电区域段2’，在运动的连续铜线的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，用于对运动的连续铜线的加电区域段同时进行强制冷却。

本发明与现有技术相比有以下有益效果：

1、采用高能连续电脉冲电源，能耗低。高能连续脉冲电其电流密度幅值一般在1000A/mm²以上，而其有效电流密度仅为100-200A/mm²左右，对于直流电或交流电输入方式，如需达到同样的退火效果有效电流密度一般至少在600A/mm²左右，可见高能连续脉冲电较直流电节电在50％以上，而较交流电更为省电。

2、能够在降低能耗的同时，降低退火过程中铜线的氧化程度。由于高能连续脉冲电作用于铜线时，除了产生一定的焦耳热效应外，还会使原子振动能量急剧增加，使再结晶或回复进程加速，再加上本发明中在铜线加电区域段加入强制冷却措施。例如本发明实施再结晶退火时，再结晶形核率迅速加大，再结晶速度加快，同时急速冷却等在加电区域中反复进行的过程均促使铜再结晶晶粒细化高速完成。这些有利于铜在一定程度上降低了常规热处理技术的回复或再结晶所需的温度，而又达到软化材料的效果。即高能连续脉冲电技术避免了常规热处理技术因升高温度所带来的氧化加剧的现象。

3、本发明构思新颖，生产效率高，能耗低，特别适用于直径或厚度不大于3mm铜线材(包括线、带、管材)的连续完全软化或不同硬态要求的热处理。

附图说明

图1为铜线的高能连续电脉冲在线退火装置实施例示意图。

具体实施方式

参照图1，铜线的高能连续电脉冲在线退火装置包括开卷装置5、收卷装置6、退火用高能连续电脉冲电源1、设置于开卷装置5和收卷装置6之间强制冷却装置4以及一对电接触装置3、3’。开、收卷装置可以是原有铜线生产线的一部分，连续的铜线2由开、收卷装置支撑并张紧，它们带有的张力调整机构保证铜线运动过程的稳定性，开、收卷装置旋转能带动连续铜线2以一定速度向所述收卷装置方向(图1箭头方向)连续传输，连续铜线的传输速度可为0-1200mpm，传输速度由变频器和力矩电机调整控制(图中未画出)，在0-1200mpm范围内连续可调。

高能连续电脉冲电源1能连续不断地输出高能电脉冲，它的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、3’，通过两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续铜线2的加电区域段2’，连续运动的铜线在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出。在运动的连续铜线2的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，对运动的连续铜线的加电区域段2’同时进行强制冷却处理，以保证铜线表面光洁，消除铜线表面氧化现象。强制冷却装置可为水冷装置、或风冷装置、或油冷装置等。冷却装置4可包括冷却槽41，冷却槽41内通以循环冷却介质43，42、44分别为循环冷却介质的进口和出口。冷却方式可以是铜线的加电区域段2’浸入冷却介质中，也可以是高压雾化喷淋铜线的加电区域段2’，也可以是强风强制对流散热。

高能连续电脉冲电源1的功率为5000w，它输出脉冲宽度为20-200μs，输出脉冲频率为100-3000HZ。

两个电接触装置3、3’是两个采用铜覆镍层制成的直径为160mm的导电轮，导电轮外周与铜线接触处设置用于容纳铜线的槽，以保证与导线接触良好，减小接触电阻，两导电轮之间的距离在500-1500mm范围内可调，使用时根据所需的退火速度调整，速度越快，两导电轮之间的距离应加长。导电轮直径根据线材直径确定，线径越小，导电轮的直径也变小。导电轮也可以采用铜-石墨、或黄铜等导电性较好且耐磨材料制成。

也可以用铜覆镍层、铜-石墨、或黄铜等材料制成的上、下电极压块作为电接触装置，同样在上、下电极压块与铜线接触处设置用于容纳铜线的槽，以保证与导线接触良好，减小接触电阻。

采用图1装置实现铜线的高能连续电脉冲在线退火工艺过程如下：

通过图1所示开、收卷装置带动连续铜线2以一定速度向所述收卷装置方向传输，连续铜线的传输速度根据需要可在0-1200mpm范围内调整；

将高能连续电脉冲电源的高能连续脉冲电流通过一对电接触装置输入运动的连续铜线的加电区域段2’进行退火，同时通过设置于运动的连续铜线的加电区域段2’周围强制冷却装置对所述运动的连续铜线的加电区域段2’进行强制冷却。强制冷却装置采用水冷方式、或风冷方式、或油冷方式等。

退火时输入运动的连续铜线的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度20-200μs，频率100-3000HZ，电流密度的幅值≥500A/mm²。优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度60-100μs，频率400-1000HZ，电流密度的幅值≥1000A/mm²。

对于具体不同直径、不同冷加工变形量、不同退火硬度要求的铜线，输入的高能连续脉冲电的工艺参数的原则是：

1、按集肤效应公式δ＝(π*μ*f/ρ)^-1/2，其中μ、ρ、f分别为磁导率、电阻率、频率，δ为电流渗入的厚度。即铜线直径越小，相应输入的高能连续脉冲频率可增大；

2、冷加工变形量越大，相应输入的高能连续脉冲宽度或电流密度幅值应提高才能达到软化效果；

3、退火后硬度要求越软，相应输入的电流密度幅值应提高至一定临界值后才能达到。

下面为采用本发明铜线的高能连续电脉冲在线退火方法及装置对铜线退火处理的两个实施例：

实施例1：冷加工后的铜线直径为0.60mm，需在线退火至完全软态。

参照图1，连续的铜线2由开、收卷装置带动按箭头方向以速度100mpm传输，高能连续电脉冲电源1的正、负极则分别从铜覆镍层制成的导电轮3、3’(导电轮直径为160mm，加电段距离500mm)接入运动的连续铜线的加电区域段2’进行退火，连续运动的铜线在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，同时采用水封式冷却装置4对上述加电区域段2’进行冷却处理，循环冷却介质为水，通过进口42泵入已冷却的水，而通过出口44不断排出因退火过程而加热的水。输入的高能连续脉冲电的脉冲宽度60μs，频率为600Hz，电流密度幅值为1100A/mm²。

退火前后铜线性能比较：退火前铜线的抗拉强度为430MPa，延伸率为0.8％，电阻率1.82μΩ.cm；经高能连续电脉冲在线退火后测得铜线的抗拉强度为235MPa，延伸率≥32％，电阻率1.71μΩ.cm，表面光亮，即达到了完全退火的目的。

实施例2：冷加工后的铜线直径为0.60mm，需在线退火至半硬态。

参照图1，连续的铜线2由开、收卷装置带动按箭头方向以速度100mpm传输，高能连续电脉冲电源1的正负极则分别从铜覆镍层制成的导电轮3、3’(导电轮直径为160mm，加电段距离500mm)接入运动的铜连续线的加电区域段2’进行在线退火，连续运动的铜线在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，同时采用强制水冷却装置4对上述加电区域段2’进行冷却处理。此时输入的高能连续脉冲电的脉冲宽度60μs，频率为400Hz，电流密度为1500A/mm²。

退火前后铜线性能比较：退火前铜线的抗拉强度为400MPa，延伸率为0.8％，电阻率1.82μΩ.cm；经高能连续电脉冲在线退火后测得铜线的抗拉强度为350MPa，延伸率约为6％，电阻率1.80μΩ.cm，表面光亮，即达到了半硬态退火的目的。

Claims (9)

1、一种铜线的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是包括以下步骤：

通过铜线生产线上的开、收卷装置带动连续铜线以一定速度向所述收卷装置方向传输；

配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出高能电脉冲，并通过一对电接触装置输入运动的连续铜线的加电区域段进行连续退火，同时通过强制冷却装置对所述运动的连续铜线的加电区域段进行强制冷却，其中，输入所述连续铜线的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数为脉冲宽度20-200μs、频率100-3000HZ。

2、根据权利要求1的铜线的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：所述强制冷却装置设置于运动的连续铜线的加电区域段周围，强制冷却装置采用水冷方式、或风冷方式、或油冷方式。

3、根据权利要求1的铜线的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：退火时输入运动的连续铜线的加电区域段的高能连续脉冲电的电流密度幅值为500-1500A/mm²。

4、根据权利要求3的铜线的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：所述高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度60-100μs，频率400-1000HZ，电流密度的幅值1000-1500A/mm²。

5、铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，包括开卷装置(5)、收卷装置(6)、退火用电源(1)、设置于开卷装置(5)和收卷装置(6)之间的两个电接触装置(3、3’)，所述开卷、收卷装置带动连续铜线(2)以一定速度向收卷装置方向传输；其特征是：

其中，退火用电源(1)为高能连续电脉冲电源，所述高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置(3、3’)，通过所述两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续铜线(2)的加电区域段(2’)，所述高能连续电脉冲电源输出脉冲宽度为20-200μs，输出脉冲频率为100-3000HZ：

在运动的连续铜线的加电区域段(2’)周围设置强制冷却装置(4)，用于对运动的连续铜线的加电区域段同时进行强制冷却。

6、根据权利要求5的铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，其特征是：所述强制冷却装置(4)为水冷装置、或风冷装置、或油冷装置。

7、根据权利要求5的铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，其特征是：所述电接触装置(3、3’)为两个导电轮，导电轮外周与铜线接触处设置用于容纳铜线的槽。

8、根据权利要求5的铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，其特征是：所述电接触装置(3、3’)均包括上、下电极压块，上、下电极压块与铜线接触处设置用于容纳铜线的槽。

9、根据权利要求5的铜线的高能连续电脉冲在线退火装置，其特征是：所述两个电接触装置(3、3’)之间的距离为500-1500mm。