（机械工程专业论文）覆铜导线生产工艺研究.pdf

大连理工大学专监擎能磺士学位论文 摘要 疆羲我国线缓行韭熬蹇遴发震，锈金属麓豢与鑫撰增。2 0 0 5 筝键矮量蔻1 0 0 万瞧， 2 0 0 6 牮钢爝量达到2 0 0 万跨，预计2 0 0 7 年锈磺爨将要超过5 0 0 万蟪，两我国的铜产豢 远远达不剔这个要求，因而弹找纯铜的替代材料融成为材料行业的迫切需求。 覆铜导线是一种新型复合线材，外层为纯铜，内体为其他金属材料。它是根据实际 情况需戮，综合了两种或两种以上金属的性能和特质，充分利用这燧众属各自的优点和 特性蔗毒l 逑出来款复合金属黪线。因藏，覆铜譬线是线缆行业中缝键的饕健搴季辩之一。 嚣籍，覆锈导线主要霄诵包镭线、锅包镏镁余金线褰锈包钢线，覆镉导线静生产方 法受资源隈制和工艺条件等麓异有很多种，包括化学电镀法、轧压滋、浸涂成型法等方 法。本文以国内创新开发的耩铜导线工艺方法包覆轧制法为主贾研究方向，具体研 究了包覆轧制法的生产工艺过程、生产设备和生产过程中须注意的问题，并且初步探讨 了包覆筑嚣i 法镊与虎层金属玲众结合的成困，最聪从金相试验、机械强度及毫气性笺等 方瑟确怒了覆铜导线懿雹覆筏蠲法生产工艺。采簇该工艺生产翡覆铡静线与其德生产方 法相比，其有工艺过程相对简单、设备投资小、产品成品率高、镄爨稳定等优点，达剥 国家标准的幕求，是国内外中小线缆企业首选的覆铜导线生产方法。 关键谗：包覆轧制法；冶金结合；铜包钢；铜包铝 覆铜导线生产工艺研究 r e s e a r c ht ot h ep r o d u c t i o no fl e a d i n gw i r ec l a d d i n gw i t hc o p p e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a b l ei n d u s t r yi nc h i n a , c o p p e rc o n s u m p t i o ni si n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y i n2 0 0 5c o p p e rc o n s u m p t i o ni s lm i l l i o nt o n s ；i n2 0 0 6 2m i l l i o nt o n s ；i n2 0 0 7 o v e r5m i l l i o nt o n s h o w e v e r c o p p e ro u t p u ti nc h i n ac a n tm e e tt h i sr e q u i r e m e n t i ti su r g e n t t of i n das u b s t i t u t ef o rt h ep u r ec o p p e r t h el e a d i n gw i r ec l a d d i n gw i t hc o p p e ri san e w - s t y l ea n dm u l t i p l ec a b l e s w h i c hs u r f a c ei s t h ep u r ec o p p e r , a n di t si n s i d ei st h eo t h e rm e t a lm a t e r i a l a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n , i th a s c o n t a i n e dt w oo rm o r em e t a lp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s w h i c hi sf u l l yu s e do f t h e a d v a n t a g e so f e a c hm e t a l t h e r e f o r e ，t h el e a d i n gw i r ec l a d d i n gw i t hc o p p e ri so n eo f t h e s u b s t i t u t e sf o rt h ep u r ec o p p e r s of a r ，t h el e a d i n gw i r e sc l a d d i n gw i t hc o p p e ri n c l u d ec o p p e r - c l a d d i n ga l u m i n u mw i r e s ， c o p p e r c l a d d i n ga l u m i n u ma n dm a g n e s i u ma l l o yw i r e s ，c o p p e r - c l a d d i n gs t e e lw i r e s ，a n ds o o nt h ep r o d u c t i o nm e t h o do fl e a d i n gw i r e sc l a d d i n gw i t hc o p p e ra r ec o n s t r a i n e db yt h e r e s o u r c e s ，t e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n ds oo nw h i c hi n c l u d e sc h e m i c a le l e c t r o p l a t i n gp r o c e s s ， r o i l i n ga n dp r e s s i n gp r o c e s s ，d i pf o r m i n gm e t h o da n ds oo nc l a d d i n ga n dr o l l i n gm e t h o d ，a n e w l y i n n o v a t e dt e c h n i c a lm e t h o dt op r o d u c et h el e a d i n gw i r e sc l a d d i n gw i t hc o p p e r ，i st h e m a i nr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ea r t i c l et h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e sp r o d u c t i o nt e c h n i c a ip r o c e s s p r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dt h ek e yp o i n t ss h o u l db ep a i da a e n t i o nd u r i n gt h ep r o d u c t i o n p r o c e s sf u r t h e r m o r e i ta l s oi l l u s t r a t e st h er e a s o n so f i m e g r a t i o no f c o p p e ra n dt h ei n n e r m e t a lm e t a l l u r g yf i n a l l y i tc o n f i r m st h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yf r o mt h ea s p e c to f m e t a l l o g r a p h i ct e s t m e c h a n i c a ls t r e n g t ha n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t ho t h e r p r o d u c t i o nm e t h o d ，t h i sc l a d d i n ga n dr o l l i n gm e t h o dh a st h ef o l l o w i n gm e r i t si n c l u d i n g c o m p a r a t i v e l ys i m p l et e c h n i c a lp r o c e s s ，l e s si n v e s t m e n tt ot h ee q u i p m e n t ，h i g hf i n i s h e d p r o d u c tp e r c e n t a g e a n ds t a b l eq u a l i t ya n ds oo n , w h i c hr e a c ht h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ec a b l e e n t e r p r i s e sf r o mh o m ea n da b r o a dw i l ls e l e c tt h i sm e t h o da st h ef i r s tc h o i c ei np r o d u c i n g l e a d i n gw i r e sc l a d d i n gw i t hc o p p e r k e yw o r d s ：c l a d d i n ga n dr o l l i n gm e t h o d ；m e t a l l u r g yi n t e g r a t i o n ；c o p p e r - c l a d d e ds t e e l ； c o p p e r - c l a d d e da l u m i n u m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了炙中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 3 - 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：李囱株日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 番钢祆 斗年业月尘日 大连理工大学专盘学绶硕士学霞论文 1绪论 覆诵导线嫩一种耨型复合线材，它是裉据实际情况需要，综合了两种或掰种以上鑫 属的性能和特质，充分利用这然金属各自的优点和特性而制造出来的复合金属导线，外 层为缝铜，蠹体为箕毯金属毒手瓣。 现有的覆铜导线包括铜包铝线、铜包铝镁合金线，铜包钢线等。近年来，由于受汝 源舞发释鋈舔豢场嚣求豹影响，自2 0 0 5 年下警年起，强踩锅徐一路藏涨。澌年l 秀 份铜价为4 5 0 0 0 元人民币吨左右，比2 0 0 5 年同期上涨约4 3 。3 月份铜价为4 8 0 0 0 元夫爱蘑，睫，魄2 0 0 5 年羁赣上涨4 6 。到了5 月份锯徐又次飚舞，已达到了7 6 5 0 0 元人民币吨，同比2 0 0 5 年上涨1 2 0 。而金属铝资源丰富，市场需求对其价格的影响 疆对戆定。2 0 0 6 年1 月掺铝徐是1 9 7 0 0 元人民琴建友右，5 秀论受铡徐影赡锯徐涨副 2 3 0 0 0 冗人民币吨左右，同比2 0 0 5 年上涨5 。尽管铝价涨幅也很大，但棚对铜价的 涨幄微乎其微。两锅鸵价格与钢鲍价掺跑较起来，差别更加曼凑。如果金羼镬、钢等搴孝 料可以铸代铜或部分替代铜，那么将给线缆企北带来颤大的经济利益，同时也能更有效 地利用现有资源。我国线缆行她本来就是微剃行业，箍对铜价的巨幅波动，农以“闭盟 合同”形式为主的国内线缆贸易中抵抗风险的熊力极低。铜占线缆制造企业成本的7 0 以上。蕊对国际铜侩上涨这个不可抗搬的夕 因，自主创新寻找原料替代品降低成本似乎 就成为了企业自救的瞪一可行的方法。于是覆钢导线垒产技术的研发与应惩戒为近期线 缆行业纷纷关敬的热点。 覆铜导线的生产工艺方法穗于各瀚工艺设备和率于料资源情况各不福同静原遴有很 多种。冶金结含法制造取金属线材自1 9 5 6 年荧国m e t a l sc o n t r o l s 公司提出以来，先后 已有双带耗压浚，静液待压法、浸渍法纛电镀法等方法密各国提密，褥本文掰研究懿瞧 覆轧制法是根据我国工艺设备和材料资源的具体情况，自主研发、创新的工艺方法。这 释方法舆寿实鬻性强、王艺霹羧注驽、产鑫矮爨稳定等饶点，势童设餐授瓷少，苇憝强 保。 。 零文主要孩毫覆麓裂法蔻主要瑷突表容，分裂簸设备、王芑过程耧产瑟缎藐及工艺 保证等方面进彳予研究。 1 1 覆铜导线特点及应溺 覆铜导线是一种鞭型基础材料，主要所指铜包铝、铜包钢等复合金属导线。这种导 线戳箕性能独特，节省稚源等优点两羧越来越广泛痘鬻。随时闻豹疆移和工她的快速发 展，人们对这种材料的性能认识不断提高，这种新型复合材料的应用颇将会越来越广。 覆铜导线生产工艺研究 覆铜导线的结构见图1 1 。 图1 i 覆铜导线剖面图 f i g ，1 1c l a d d i n g - o o p p c r w i r e 覆铜导线的外层为纯铜，约占整个导线截面积的百分之五到十五，其芯部为其他金 属内导体，根据不同的应用范围，其金属内导体的材质通常为铝、高强度铝合金、普通 钢、合金钢和稀土等其他材料也可以作为芯部填充材料。导线内外层金属之间为冶金结 合，分子闻相互融合而形成整体，使导线具有良好的电气性能和机械强度，从而达到使 用者的使用要求。 铜包铝线重量是纯铜线的3 7 7 ，吨米数是相同尺寸纯铜线的2 7 倍。利用高频信 号的趋肤效应原理，铜包铝线在传递高频信号时和纯铜作用一样，且频率越高趋肤效应 越显著。在频率为5 m i - - i z 时，电流透入深度为0 0 2 9 9 6 m m 。铜包铝线标准铜层厚度远大 于电流透入深度，因而铜包铝线具有铜的导电性、接近铝线的比重、强度高、加工性能 好等特点。 铜包铝线主要应用于c a w ( 有线电视) 射频电缆的芯线【“、变压器绕组、控制电缆 芯线、电焊机、电器用线、建筑布线、移动通讯手机基站r f 电缆芯线、信息高速公路 射频电缆芯线、漏缆芯线等领域【2 _ 3 】。 涂漆铜包铝线可做电机绕组线、微波炉变压器等。 随着中国加入w t o ，国外移动通讯进入中国市场，中国移动通讯南北分家，移动 通讯事业在中国又将进入二次网络建设高峰，用于r f 缆的大规格铜包铝线会有大幄度 增长。 高强度铜包铝镁合金线己广泛应用于电缆屏蔽网编织线1 4 】 太涟理工大学专韭学程醭学位论文 铺毪锾线其宥钢酌等电栏釉耐腐镳性，同附又其肖镛的强鹰和弹慌，不髓能满足搿 鬏信号的传翰臻求，还w 增趣线籽之鲻的跨缓。镳包钢缝壤予c a t v 逶户 线缆芯线、电子嚣徉翦连接线、离簇天线电缆芯线、毫话线、电气纯铁路架空导线、电气 惩 牛弓| 琏 线。轿车业也霄锅包镤线应用矧。 孛溪楚一个发震孛鏊家，肖藿稳建骧价熬劳动瓷滚，因藏许多大静鏊羚释产静电 气元彳牛从中国进1 2 1 ( 如期本松下，东芝，佳能铭) 中圜如成为缴界电予元件出鞠第一火 瀵。全辫镙守籁谤一年逡在2 0 0 0 余穗。 髓糟我国铁路向黼速、电气化方f ；i 】的发展，对接触线性能提出了疆毒的瓣求，即 避一步爨赢接融线兹力，敦稳薅接皴线瓣静稳定蛙、渡裁簧攒遽度嚣撬车受漉凄量辫。 铜包钢线在具有良好的罐电性的间时还麒有较熊的机械强度及耐软化性能，可以满足遮 要求。电气纯铁路褒鼷键包销线，将燕审国令耨装鲢矮城。垂于势尼年奁部分铁鼹 段试验电气化线路得到肯定后，中国政府包括部分区域性城市( 如大逐轻轨) 浒始大力 推广电气纯铁路。两电攀接轻线架空霉绫西藏逐主要袄羧逐日，隧骜孛瓣基础建设爨剿 嬲起和掰部大开发韵大举实施，远距离架空导线和电车接触线豁市场份额将更加诱入。 谈颁壤煮薅盔翅丈蔑捂镧毽钢线 7 - 8 t 。 轿车妲近几年在中潮始终保持高速麓展趋势。随着中国加入w t o ，外国的知名厂 豢已纷纷进入孛爆发震汽车整，黼汽车撑线帮转麓雳锎毽镶线姆是一个主要反掰镶域， 西前电镀镉包锈缓应用予离挡轮船中，虢眈和辩b e k a e r t 公弼在中国建立的合资企北 致台湾_ 樾江苏张家港建立豹企业簸具有代表性。经生产中臻渍怼举了攮胶与钢的结合力 癸求，程往镀震骞易篪落，影确轮骆覆麓，丽援嵩钢龟镳线铺藤与钢蕊豹结合强度是疆 魏解决该闯题的唯一有效办法。 鑫 ；蓼，对予簿压输魏线路嶷警俸魏线一般辫采耀锚氇锈绞线。毽熬港锈毯镳绞线瓣 出现，其优良的帆槭、墩气性熊将会逐步在赢臌输电线路上得到广泛的应用f 9 1 。 ，2 覆铜导线垒产工慧静发溅概嚣 + 翠擞2 0 整毙耱年代，歇美些嚣家髋开始研究秽成耀锶毯镪巍镄氆镶等覆铺秘辩， 并最早翻订了导体标准。诵包锚线在欧荧现己谶入实用化阶段，广泛成用在建筑布线和 懿叛露辘绞上，鑫锈了泡话、魏褪、毫予察建筑学韭珏o l 。 上毯纪s o 年代末9 0 年手镯，我冒些电绫电缆静蹴口合衙簧求谴髑铜包韬线，髓 渊蠹还没旨家镧包铝树辩生产企韭。农忿溥魏下，国内除7 辩薅岛国豁避日销包韬孝才 糕舞，识湃始着手研发试靠4 铜惫锈榜辩鹃生产浚备及工艺。 一3 * 覆铜导线生产工芝研究 当时国内的铺包钢线的主要生产方法为电镀法，该方法生产的铜包钢线铜镀层比较 薄、性熊较脆、产品质量不毫，对予厚镀层的锎包钢线擞产需建庞大的电镀设餐，其耗 电奄大、电镀时闻长、成本高，并且电镀污染严重。因此国内榴关单位也着手研发、引 进相关技术设备。浸涂成型法就是国内葶l 进的王艺方法之一。 1 2 1 早期的生产方法 毫镀法卧1 电镀法是把疑过脱脂、酸洗等湿式处理的钢线进行电镀。圈1 2 所葡专的肯模阿法就 是早麓豹瞧镀法乏一。 敷鲮蔡 豳1 2 肯模阿法的工艺流糕闰 魄l 2e l e c t r o p l a t i n gl a w 肯模阿法整个系统凼拉丝机和电镀装置所缀成。镀槽由预处理槽和电镀槽缀成。工 痒时怒成卷酶钢线焉输送辊连绞苓薮逡送送予凳毽禧及露镀稽巾。输送疆把箕撩挂在惫 镀槽内的同时，通过自身的旋转起到送线作用。由于钢丝卷绕成螺旋线圈的形状。所以 霹潋魄较容易缝遴遂蒺鲶理疆黟电镀稽，莠可将大长度鹃锈线浚在电镀稽孛，究残毫镀 过程。电镀后的线材经过拉伸加工，可以生产出各种规格的线材。电镀法生产锏包钢线 楚我国爨裁较失磐遗采髑豹一静生产方法。毽恁电镀法生产豹锶包镄线主要缺点是镳镀 艨比较薄、性能较脆、产品质量不高，对于厚镀层的铜包钢线生产需建庞大的电镀设备， 其耗电爨大、电镀辩阕长、或本嵩、并艇鬯镀涎染严熏。 大连珊工大学专业学位硕士学位论文 双带轧压法 1 3 - 1 4 l 双惜轧压法生产钢包铝线的靛鬣如图1 3 所永： 氯气缳护铳露撬锚拜 霉带 圈1 3 双带轧压法原理图 f i g 1 3 t w o c o p p e rb e l tr o l l i n gl a w 键移经校壹弱橇去除喾箨氧纯鼷，然螽要在簸气绦护下滋入转压壤；镄馥经滂浚崴、 刷机、程氢气保护下进入轧压机，铜带在进入轨机前要进行加热，感应加热机具有相成 的控温漩置；轧压机鼹通过交流调速电机、减逮器、双齿轮带动两个转向相反的成型轧 辊，薅片镊带铁左裘方向包嚣锯抒嚣进入乾勰戆魏型里，嶷现轧压f 截鬻软变小) ，农 压力作耀下，镉蒂帮锚符实现冶众结合。两片锈带交合处落嶷现冶金结合f 锈带闻，锶 带交合处的飞边( 压含篼边) 由铣削机的铣刀去除，压合的铜包铝线毛坯由收线机进行收 线。 1 2 。2 黧耱并发静笺黟方法 国外目前生产覆铜导线的方滋主要有浸涂成型法、静液挤压法等。 浸涂成型法 1 5 - 1 6 】 浸涂残垄法是枣荚澄逶震毫气公司舞发獒，箕王艺缀瑾灸：瓮会一定要裳豹芯耪遥 过盛有熔融铜液的坩埚，由于母线的温度低，众属靠热渗透原理，把母线加热到高温， 熔池中的金属铜将在母线周围形成层凝固层，原母线经浸溃过程而凝嘲成比母线粗的 覆铜导线生产工艺研究 铸坯。褥经过加工系统将铸坯加蔗成线材没涂成型法通常主要用于生产锅包钢线，阑 1 4 是没涂成坯连铸浆统示意图 图1 4 熔铜热浸涂法工艺圈 f 墟，1 4 h o t - d i pm o l d i n gm e t h o d 蕻线透过导轮佟瓣进入攀璃，芯线在攀端蠢覆盏7 凝瓣懿金震锈惹，热的坯线将逡 入坩埚上方的冷却塔，从冷却塔内出来后进入连轧机组，豳热轧机组轧制成线材。通道 控制钢熊预热温度、铜液温度和浸涂时间，傥铜涂层由薄到厚。浸涂法擞产的铜包钢线 采廷炙鬣键浸铸，镳会氧量低；键与钢之阕形成冶金结会，霹以事霾缝续会残一体；锱 的被覆率控制范豳犬，可大规模象产，值此方法由于铜瑟搿度受锯丝潺壤、铜液温度、 液面高度等影响，曩艺复杂，调换规格困难；其生产设备和技术只有曰举、韩国、荑圈 等少数嗣家比较成熟。我国的漫涂生产设备和王艺主要依靠进口，造成设备投资大，成 本离。 静液挤压法f 1 3 _ 1 9 1 静液挤压法最翠在1 9 5 0 年发右进入实验阶段，近二三十年来取得丁实质进展，进 入了工数亿应露。冀孛室温静滚挤压技术及设餐最为弓| 人淀强，该技术掰将放翻工拱辩 酶强废撬离5 0 - 8 0 ，并能保证怒够静堑性释扬往。匿兹，在室温静液挤压技术研究方 面，饿罗斯处于世界领先地位，融实现了生产j 建程的自动化。此外，瑞士、法国、德阑、 英国等蹰方国家也谯积极发展此顺技术1 1 7 1 黪渡耪基是一秘特殊静酒瀵辑莲工艺，其漾瑾盈絮鬻1 s 茨忝。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图1 5 静液挤压原理图 f i g 1 5h y d r o s t a t i ce x t r u s i o na p p a r a t u s 挤压时坯料周围充满介质，压力通过介质作用到坯料上而实现挤压，在挤压筒内坯料 受到均匀的静水压力，没有镦粗变形，与挤压筒、挤压轴没有接触，变形区与挤压模之 间的摩擦控制降低到最低程度，因此从表层到芯部都能保持较均匀变形。静液挤压过程 中坯料变形内外均匀，挤压过程中坯料几乎不与模具直接接触，摩擦阻力很小等特点， 使得静液挤压可以获得大的压缩加工率，保证复合界面具有良好的结合强度。静液挤压 法制备铜包铝线材的基本方法是以大直径紫铜管坯和纯铝棒坯套装成复合坯料进行挤 压成形，其技术关键是保证铜铝在变形过程中流动的均匀性。 静液挤压作为一种少、无切削的新型加工方法，与通常的机械挤压相比，具有以下 重要特性：普通挤压时，锭坯需与挤压简直接接触，变形时要产生很大的摩擦力，坯料表 面在进人变形区前就会产生很大的剪切变形。而静液挤压时，坯锭与挤压筒间充满压力 介质，压力通过压力介质施加在坯锭上，因而坯锭在进入变形区前既不被镦粗也不发生 剪切变形【2 0 】。 1 2 3 国内的生产方法 连续挤压法【2 1 五2 j 连续挤压的基本原理是利用摩擦力作为驱动力进行挤压。在连续挤压工艺方法的基 础上，将靴座置于挤压轮的上部，这样允许芯线穿过型腔，从而使包覆材料直接或间接 地包覆在芯线上，并与芯线同时从模口挤出，形成包覆产品。 连续挤压的产品应用于实际的还比较少，目前可见的应用有离子加速器装置磁头用 的内冷氦密封型材，深冷冻器、工业冷却、空调、监视器等的冷却装置，汽车工业所需 覆铜导线生产正艺研究 管材( 散热器有必配件等) ，纤维光导电缆外部保护型材及表面茨观无需任何润滑剂的焊 条钢虢羰棒等l 捌。 其工作原璁如图1 6 所示： 韩辩控袄弼辩嗡啻莰 圈1 , 6 连续挤压法 f i g 1 6c o n t i n u o u se x l r a s i o nl a w 摸 这弹工艺袋金震怒予热塑性三惠聪应力状态，缰织致密，靛麓少，镶靠模舆藏形， 尺寸精度高，被誉为“有色金属成形技术的重大突破”。当金属被直接挤压包覆在芯线上 孵，被嚣隽壹接题覆。遮秘方漩要严掺控朗导巍摸弱鞠摸闻熬，茨止设冬过载裁成晶线 偏心。 1 。3 本文新聚究的痰容 本文以国内刨新开发的覆铜导线工艺方法包覆轧制法为主要研究方向，具体研 究了惫覆筑螽l 滚的生产王艺遥程、生产设备移生产遘稷中须注意辨阖赚，并豢裙步探讨 了包覆轧制法铜与内鼷金属冶众结合的成因，蠼后从愈相试验、机械强度及电气性能等 方瑟确定了覆锅导线懿惫覆转潮法生产工艺。惫覆羲裁法煞基本王艺灏理先，电解铜镄 带在多道轧辊的连续作用下包覆在杆状金属内导体的外表面，沿导线方向的铜带直缝经 簸弧搏等焊接) 亨式焊接，笈锈鬻交失褰翅锶警镌覆在衾耩蠹譬髂豹终瓣瑟形成覆键导线 的母线，然后母线经多次轧制、拉伸燮形，铜带和金属内导体贴合后在外力的作用下发 生金属堑毪变形，最匿缓钢与众瘸内够俸发生渗金绩会嚣成为薅豹覆锈导线。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 包覆轧制法的结合机理分析 综合分析国内外覆铜导线的生产工艺方案及工艺文献可以初步得出包覆轧制法制 造的覆铜导线要求其表面铜层和金属内导体之间的结合方式为冶金结合，是在室温下借 助压力使金属产生塑性变形而实现固态焊接【2 4 】。通过塑性变形挤出连接部位界面上的氧 化膜等杂质，使纯金属紧密接触，达到晶间结合。晶间结合的程度从以下几个方面来分 析。 2 1 表面处理 首先，结合强度的高低，并不取决于材料本身的性能，而是决定于结合金属表面的 状态只要去掉金属表面的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形过程中，使两种金属 相互接近到原子间力的作用范围内，就能达到牢固的结合。 这样要在前处理工艺中明确去油，去氧化层的规定，使两金属将要结合表面达到金 属冶金结合的要求。 另外位错理论指出【2 5 】两个相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时，位错迁移到 金属的接触表面，从而使金属的氧化膜破除，并产生高度只有一个原子间隔距离的小台 阶。把金属接触表面上出现位错看作是塑性变形阻力的减小，因而有利于金属的连接。 但从另一角度来看，金属表面上出现位错，必定会增加表面上的不平度，这就造成接触 表面比内部金属大得多的塑性变形。由此可知，冶金结合过程是接触区金属的塑性流动 结果。同样的，如果人为增加金属接触表面的不平度，就会增加接触表面金属的塑性变 形，这样容易实现冶金结合。 这样在前处理工艺中加入打毛这一过程，增加了铜和内金属导体表面的粗糙度， 使包覆后的金属母线在轧制变形的过程中实现冶金结合。 2 2 介质保护 我们知道金属表面的氧化层是妨碍冶金结合的，虽然在包覆焊接前两种金属表面都 已经去氧化层了，但在整个加工过程中，还要防止金属二度氧化，这样在冶金结合以前 要求在整个过程中实现介质保护，也就是惰性气体保护，防止已经去氧化层的两种金属 的结合表面再次形成氧化膜。同时要求在加工过程中不能在金属表面新附着其他物质。 另外要求包覆母线尽快加工致冶金结合状态，防止长期放置造成界面二次氧化。 覆铜导线生产工艺研究 2 3 分子扩散 卡扎柯夫的扩散理论f 2 6 】认为，在结合区域中存在着一层很薄的互扩散区，这一薄层 互扩散区保证了优质的冶金结合根据这一理论推断，如果增加互扩散区的厚度应能提 高接头的力学性能。但在结合金属之间产生扩散过程，是要在晶界间表面己经形成充分 接触以后才能发生，因此，也不能用扩散理论作为单纯地解释全部冶金结合过程的理论 基础。 但根据冶金结合后的铜包钢线材界面处的成份组成( 见图2 1 ) 和成份变化( 见图 2 2 ) 来看接触表面形成结合后，扩散过程还是在进行中的，而且这种扩散过程使冶金结 合更加充分，属于冶金结合的强化过程【2 ”。 ： l t o t a li 0 0l i ： b i #“ ； e k e y 图2 i 界面处的成分组成 f i g 2 1t h ec o m p o s i t i o no f t h ei n t e r f a c e 1 0 r 3 5 一 2 j 钢侧 产： 号 。二 l f 。 1 0- 50 5l o 5 2 0 2 5 艇界面距离r u m 图2 2 界面区的成分变化 f i g 2 2 c h a n g e s i n t h e c o m p o s i t i o n o f t h e i n t e r f a c e z o n c 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 4 热处理 热处理过程对于冶金结合来讲是有利有弊的，但是对于覆铜导线的生产过程来讲是 必须的。原因在于覆铜导线的母线在多次塑性变形以后会产生加工硬化，金属晶粒拉长、 破碎和纤维化，金属内部产生了参与内应力。这时虽然母线强度、硬度增加，但其韧性 降低，脆性也升高了，这样就会造成变形力大和母线断裂等不好的结果。所以母线塑性 变形一定程度时就要进行退火热处理，细化晶粒。 但退火热处理对冶金结合来讲是有一定坏处的，因为两种金属导体的热膨胀率是不 同的，所以在冷热变化的过程中界面上一些结合强度不高的部分就会分离。 退火热处理对冶金结合来讲也是有很多积极作用的，首先，晶粒细化以后，位错会 增加，由以上叙述过的原因，位错析出表面，增加了接触表面的金属塑性流动，而使金 属冶金结合的能力加强。 另外，根据二元合金状态图1 28 】分析异种金属冶金结合界面，观察界面形貌，确定界 面的元素组成和晶体结构，判断界面层有无扩散和冶金现象产生。a 1 c u 类，由界面处 的x 射线衍射( 图2 3 ) 中可以看出有a 1 c u 化合物生成【2 9 3 0 】。 图2 3 a l - c u 界面处x 射线衍射图 f i g 2 3 a l c ui n t e f f a c ex - r a yd i f 仕a o t i o np a u c m a l ，c u 为体心正方结构，每个晶胞有1 2 个原子，4 个c u 原子，8 个舢原子，其 晶格常数为n = 0 6 0 6 6 n m ，c - - 0 4 8 7 4 n m 。由以往对a 1 c u 界面的研究可知，热作用较 显著的界面中，a 1 2 c u 化合物同a l 有定的位相关系。在轧制过程中，塑性变形显著， 因此产生的a 1 2 c u 化合物与a l 的位相关系和热作用下的情况发生了很大的变化p 。在 形成新的化合物相之前，在a l 、c u 两种金属的作用表面上会产生化学吸附阶段然后原 覆铜导线生产工艺研究 子扩散并产生棚互作用的化学力，进而形成微甓的a 1 2 c u 化含物相，均匀的分布在冶金 结合区羯，麸掰达到7 麴强浚念缝合豹律溪p 2 。 2 5 小结 由上述几个方面综合分析包覆轧制法制遗覆铜导线其表磷铜层和金属内学体之婀 的冶金结合的多方面成因。可初步确定包覆轧制法的工艺原理和整个置艺过稷中所要洼 意的闯越。 首先保证绺合面没有其他杂质( 油、金属筑化物等) ，两种金属原子间可充分接触。 雀乾麓、控傍交形遥成巾金属袭西籀髓程度逶警的条释下，金麟表面鹃鏊性交形瑶掬了， 接触区众属表丽的金属粒子流动加大了，使其充分融禽，从而达到了冶金结会的目的。 农辑静金满藏予霹结合敬爱，覆子扩教疆之舞始送行。当菜一金壤骧子蠢另一释衾 属扩散到一定稷度时开始产生窳属化食物。塑性变形和温度等因素共f 弼作用下产生特殊 经耪关系数金嚣诧合黪，稳蛙众震纯会锈鑫镕在金属滚动瓣避程审玻张，著垮匀戆努教 在过度隧以内。由于其硬度高，所以力n 强了冶金结合的强度。 嚣戴，在磷多覆霞戆共霹终雳下，包覆乾麓法载造覆锶导线其表瑟镪层敷金属内搏 体之间是完全能够产生冶金结龠的。满足以上条件的工艺过獠是可行的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 包覆s l n 法的工艺及设备 根据对包覆轧制法冶金结合机理的分析初步确定包覆轧制法的工艺原理为：电解铜 铜带在多道轧辊的连续作用下包覆在杆状金属内导体的外表面，沿导线方向的铜带直缝 经氩弧焊等焊接方式焊接，使铜带变为密闭铜管包覆在金属内导体的外面而形成覆铜导 线的母线，然后母线经多次轧制，拉伸变形，铜带和金属内导体贴合后在外力的作用下 发生金属塑性变形，最后使铜与金属内导体发生冶金结合而成为一体的覆铜导线。 根据包覆轧制法的工艺原理进行设计和研发设备，设备要保证工艺的实施。包覆轧 制法以包覆轧制为整个工艺的关键过程来实施。 3 1 包覆轧制法的工艺过程 包覆轧制法的工艺流程根据包覆轧制法的工艺原理来初步确定。首先确定连续过程 如下。 3 1 1 包覆轧制法的连续过程 原材料的前处理一包覆焊接线坯及多次拉拔一热处理一成口。在前处理工序中，使 用氢氧化钠水溶液清洗原材料表面的油污，再用钢丝刷刷洗铜带和铝丝表面的氧化物。 在包覆焊接工序中，通过数对成型辊轮将铜带逐步弯成原管状，包覆在铝芯线周围。采 用氩弧焊连续焊接铜管纵缝，形成复合线坯。线坯焊接后，为防止空气进入铜管与铝芯 线的空隙中而影响两者界面的冶金结合，而将包覆焊接装置与线坯前两道拉拔设备串联 在一起，形成包覆焊接一初次拉拔联动线，使铜带与铝芯线表面在焊后立即贴紧密合在 一起。复合线坯的拉拔，由于表层的铜较软，容易变形。因此，在拉拔工艺不当的情况 下，容易出现铜层堆积现象而断线。因此，在拉拔工序中必须通过拉丝模的孔型设计， 改进拉丝模的结构，造成强制润滑，并选用流动性好、剪切强度高和能耐高温作用的皂 化粉润滑剂，以保证模具和线材之间产生一层高压润滑膜，从而减轻线材表面的摩擦应 力。防止铜层堆积并避免粘模现象。每一道次拉拔的变形度应合理控制。刚开始拉拔时 的变形度可达到2 0 左右。随着拉拔道次的增加，每道次变形度逐渐减少，最小可减至 1 0 左右。随着拉拔变形程度的增加，金属的强度、硬度将会提高，塑性降低，变形困 难。因此，必须对铜包铝线进行中间退火，提高金属的变形能力，并促进铜、铝界面的 原子间结合。最后通过最终退火处理，赋予成品导线所需的力学和电学性能。 3 1 2 包覆轧制法的分步过程 由以上连续过程可以看出，整个工序是分为以下几个部分的。 覆铜静线生产王艺研究 前处理过糨，包覆成型过程。变形轧制过程，热处理过獠等。 麓了实现舔个工艺过程，瓣工艺避程舞毳的设备邂学设谤毒改造。 3 2 前处理过程设备 前处理过稔是包覆筑镪法鹃关键邋程，这个过程中主要对酃将要龟覆的原豺料进行 袭面处理，表面处理的好坏直接影响到两种金属的冶众结合的强度，所以说这个过程非 常关键。 原材料的表面处理犬体分为两个方面： ( 1 ) 清洗：清洗嚣辩表露静潘污等辩着耱，为下一遂工彦徽准备。 ( 2 ) 打毛；增加金属将要贴合表面的粗糙鹰，这样做是为了加大谯轧制拉伸过程中 金瘸塑性浚动蠡冬程度。 所以该工蕊过程中，通常使用的设备为清洗机，刷子机等，清洗机为线缆行业的通 建设冬，蓐l 子撼麓蔻覆辕到法戆专 3 竣诗豹设冬。 3 2 1 刷子机 耩予祝 3 4 1 缭梅蠡圈3 1 所零。其主簧功能魏矫鸯耔状金属海警体，抒磨、清洗锈毹 铝( 铜包钢) 等材料的糍芯( 锱、钢等材料) 都分以及外部包覆材料( 铜等材料) 部分。 一嬲秘舞一 。拜每圜f 两- 瓣鼍蓐赣 一广_卜叶、。 趔阑。蹶斓一 拙 h 七 蚴蜓剥贯霉黧可辱鞫国习一 飞k肆 升色骥竹糊| t 脚静澎 翻3 1 利予机 r i g 3 1t h ef u r n i s h i n gm a c h i n e 设备共分网大部分；矫营部分、拳芯打磨部分、外包覆材料打磨部分、外包覆材料 清洗部分。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 矫直部分作用：主要用于金属内导体杆的矫直。由于金属内导体杆在进厂时不 是很直，如果不加以矫正，在包覆时就会存在包不严而导致产生废料。所以矫直装置可 以使弯曲不平的铝杆变得比较圆直，从而为后续的包覆提供一个比较良好的前提条件。 ( 2 ) 塞芯打磨部分作用：塞芯虽然经过初步处理，但其表面还存在一层氧化膜，这 就会使铝杆在包覆时存在许多焊接问题。而当铝杆通过塞芯打磨装置时，就会在钢刷的 旋转打磨中去掉这层表面氧化物，可以在提高焊接质量的同时，增大塞芯与外包覆材料 的接触面的粘合性。 ( 3 ) 外包覆材料清洗部分：在水箱中装入水溶性的工业清洗剂，其主要作用是去除 表面的油性物质。 ( 4 ) 外包覆材料打磨部分：打磨外包覆材料的包覆表面，去除表面氧化层，提高焊 接质量。同时增大与塞芯接触面的粘合性。 刷子机是包覆机的配套设备，所以使用时应当以包覆机的使用为基准。 先安装外包覆材料，首先将外包覆材料由下迸料口穿入，穿过清洗槽中的尼龙滚轮， 使其能得到充分的浸泡，去除表面油性物质，在经过过度滚轮后，在擦干板( 主要是放 抹布) 上擦干后进入打磨仓，进行打磨，打磨完成后出刷子机进入包覆机。 然后安装塞芯。先将塞芯经上进料口( 应放置一些抹布，擦去塞芯上的一些残留液 体) 穿入矫直装置进行矫直。而后进入塞芯打磨仓进行打磨。打磨完成后，直接进入包 覆机，进行包覆。 在工作使用时，应先将包覆机开起，而后再打开刷子机的外包覆材料的打磨装置的 开关，安装完外包覆材料后再打开塞芯打磨装置的开关的按钮。刷子机是对铝杆和铜带 进行预处理，使其满足包覆机使用要求的原材料预处理机器。刷子机的主要功能是对铝 杆的矫直，牵引，打磨和对铜带的清洗，打磨。 3 3 包覆过程设备 铜包在金属内体的方法国外有套管法，双带挤压法等方法，这些方法都有其相应的 缺点，如设备复杂，生产效率低等。为了避免这些缺点需要利用新的方法来解决把铜材 包覆在杆状金属内导体的外表面。我们通过研究日本平岩的t i g 小径薄壁管直缝焊管机 发现，利用该设备连续不断的焊接铜管，同时金属内导体不断的填充进去就解决了上面 的问题。按照这个思路我们设计专用的包覆设备。 3 3 1 包覆机 包覆机p 5 】如图3 2 所示 覆铜导线生产工艺研究 带科篥导向槊 譬嚣銎寿i l 警篓纛i 蘩雾薹藿蓑 卷料观 电器控制装置冷却系统定径辘 一 。 图3 2 包覆机 f i g 3 2t h ew e l d i n gm a c h i n e 包覆机机组是由带料架、导向架、成型机、氩弧焊机、氩气保护装置、电器控制装 置、冷却系统、定径机、卷料机等部分组成。 ( 1 ) 带料架：用于存储带卷，为轧机连续提供铜带，在带料架两端可同时安放两组 带卷，一组为正常工作时使用，另一组为备用，需用时拔出定位销，旋转1 8 0 0 ，即可使 用。 ( 2 ) 成型机：成型机共六架，根据每道轧辊孔型的不同，使铜带逐步成型，满足焊 接要求。设计结构在更换轧辊时也较为方便，只要松开前立支架的底座螺栓及水平轴的 备帽，沿定位键拉出前支架，使轧辊、水平轴、套呈悬臂状态，然后逐件更换。在安装 时，应将前支架推靠在纵向定位键的侧面。 ( 3 ) 定径机：定径机共两架，用以将焊好的铜管经过定径轧制后，使其铜管的直径 或截面形状、表面粗糙度达到设计要求，其结构与成型机相同。 ( 4 ) 侧支架：共有十架，分别装在各立支架之间，其作用是使铜带顺利的进入下一道 水平轧辊，并起辅助成型作用。其中有两架为焊接挤压作用。 ( 5 ) 卷料机：用于将焊接轧制好的覆铜母线缠绕在卷筒上，为下一步覆铜母线的轧制 拉伸做准备。 ( 6 ) 主驱动电机采用变频调速电机，可使速度调节均匀、平滑、无失控区，低速输出 特性优良，满足轧制及焊接要求。 3 3 2 包覆成型辊系设计 覆铜导线的包覆成型辊系的设计对整条生产线的正常运行、保证产品质量起到关键 作用。鉴于覆铜导线外覆铜带的包覆成型的类似于薄壁管的成型，而且铜带在成型前期 时被定向弯曲、回弹，这样可能将会促使退火状态的铜带边缘产生一些变形。边缘的延 伸在成型的初期过程表现的特别明显，如此时成型不稳定将导致铜带走偏或铜带边缘塑 性变形形成鼓包、波浪等不良现象。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 铜带的后期变形时受到铜带自身几何形状的约束，属于弹性范围的变形，此时边缘 的微量延伸会完全恢复。 我们通过分析日本平岩的t i g 小径薄壁管直缝焊管机中小径直缝焊管的成型技术 和辊型设计方法，发现的双半径综合弯曲辊式成型法 3 6 - 3 7 】不同于其他的单半径辊式成型 法，融合了边缘和圆周同时弯曲成型的优点，成型过程更稳定，变形更均匀，边缘相对 延伸变小，能实现铜带横断面上渐变曲率和纵向连续稳定运行的综合过程，如图3 3 所 示。 ， 二 | v 产 殿淞 图3 3 双半径综合弯曲辊式成型法 f i g33p a i ro f r a d i is y n t h e s i z ec u r v e dr o l l - t y p em o l d i n gl a w 根据以上分析结果，辊型设计时又结合采用了上山成型设计法，使铜带边缘在变形 时伸长更小，边缘任一点运动轨迹最短，同时调整排辊密度，选择适当的机架间距和机 架数量，对成型过程进行速度和张力分析、受力磨损寿命分析，得到水平辊底径的递增 微量d ，得到以上铜带成型孔参数和排辊密度后，再根据金属内导体芯材须稳定传送 的要求，我们在前端的上水平辊设计了压住并驱动芯杆的槽型和肋，下压芯杆偏离焊缝， 使保护气体充分保护并隔离铜带焊缝熔池于芯杆的接触，防止产生金属氧化物，影响后 到拉伸性能及界面的冶金结合。 闭口孔变形半径按传统的双半径设计方法采用下式计算孔型半径r ： r 爿( b + b ) 2 n + c 式中：b 一铜带宽度： b 一导向片厚度： c 一导向片部分弦长近似弧长及铜带宽度变化的修正值，一般取o 5 1 5 m m 。 覆铜导线生产工艺研究 双半径孔型设计的第一架平辊，是进行边缘变形的轧辊，其变形如图3 4 。 图3 4 铜带变形图 飚3 4c o p p e rb e l tr o u i n g d 此道轧辊对带钢所施加的变形，是将铜带的边缘部分，以挤压辊半径进行变曲变形， 变形角度为e 。管坯边缘的弧长与边缘弯曲半径相等，因此边缘弯曲变形角0 = 5 7 3 0 。 图中r 为边缘弯曲半径等于挤压辊半径，b 为铜带宽度，0 1 0 2 为两圆心之间的距离， 其值为b 2 r 。这一