（材料加工工程专业论文）半柔性同轴电缆垂直镀锡工艺的研究.pdf

摘要 在同轴电缆外导体( 铜丝编织网) 上进行整体镀锡是目前制造高性能半柔性 同轴电缆的关键工序之一。传统的水平镀锡工艺存在着锡层表面针孔多，锡层易 脱落和生产效率低等缺点。研究发现，同轴电缆浸入锡液的长度和在锡液中的停 留是影响整体镀锡层质量的关键因素。为了改进传统水平镀锡存在的问题，本文 提出了垂直镀锡工艺，可以将同轴电缆浸入锡液的长度缩短至4 0 l o o m m ，在高温 锡液中的停留时间减少到量蕊i _ i ! 虿：。本课题主要任务是开发出垂直镀锡关键设 各、优化垂直镀锡工艺参数硎开发一种适合垂直镀锡用的助焊剂。 通过改变锡液温度、浸锡时间、浸锡长度和电缆送进速度等工艺参数，研究 了不同工艺参数对同轴电缆镀层厚度、针孔数量、铜锡化合物的生长情况和锡液 渗透能力的影响。研究发现，减少电缆在高温锡液中的浸锡长度和浸锡时间可以 显著减少针孔缺陷的发生，同时还提高了镀锡层质量和生产效率；并发现其最优 的工艺参数范围：锡液温度控制在2 5 5 - 2 6 5 c ，电缆在锡液中的停留时间控制在 0 5 1 o s 以内，浸锡长度在4 0 m m 8 0 m m 之间，电缆的送进速度在4 m m i n - 6 m m i n 范围内。 根据垂直镀锡工艺对助焊剂快速助焊及低发气量的要求，本课题还开发了一 种低发气量、快速助焊的助焊剂，其助焊剂成分为a 酸1 、b 酸1 、阳离子 表面活性剂0 3 、非离子型表面活性剂0 1 ，余量为有机溶剂。 通过计算得到了不会出现漏锡的最小缝隙大小为0 2 m m ，采用孔径为3 5 n l m 耐高温橡胶垫圈，有效的解决了漏锡和卡线的问题；通过在离锡液面1 0 m m - 2 0 m m 的上方加一个刮锡装置( 孔径稍微小于同轴电缆直径的耐高温毛毡) ，这样能使 锡层均匀、光亮。 关：销司： 半柔性同轴电缆；垂直镀锡；助焊剂；针孔缺陷 a b s t r a c t h o l i s t i c 7 t i n p l a t i n go nt h eo u t e rc o n d u c t o ri s o n eo ft h ek e yp r o c e s si nt h e m a n u f y r c l i o no fs e m i f l e x i b l e c o a x i a lc a b l e h o w e v e r , i nt h et r a d i t i o n a lh o r i z o n t a l 如昂l a t i n gp r o c e s s ，d i s a d v a n t a g e ss u c ha st h ep i n h o l ed e f e c t sa n dl o wp r o d u c t i v i t y e f f e c tc a n n o tb ea v o i d e d t h ei m m e r s i o nl e n g t ha n dt h et i n - p l a t i n gt i m ea r et h ek e y f a c t o r st h a ta f f e c t e dt h et i nc o a t i n gq u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s ，s u c ha st h e p i n h o l ed e f e c t si nt h eh o r i z o n t a lt i n - p l a t i n gp r o c e s s ，av e r t i c a lt i n - p l a t i n gp r o c e s sw a s p r o p o s e di nt h ep r e s e n tw o r k t h i sn e wm e t h o dc a r lr e d u c et h ei m m e r s i o nl e n g t ht o 4 0 m m 10 0 m ma n dr e d u c et h et i n p l a t i n gt i m et ol e s st h a n1 0 s t h em a i nm i s s i o n so f t h er e s e a r c hw e r et od e v e l o pt h ek e ye q u i p m e n tf o rv e r t i c a lt i n p l a t i n gp r o c e s s o p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e ra n dd e v e l o pa k i n do f s p e c i a lf l u x t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts h o r t e ni m m e r s i o nl e n g t ha n dt i m ea r ea b l e t or e d u c et h ep i n - h o l e s ，i m p r o v et h et i nc o a t i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o b v i o u s l y t h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r es h o w na sf o l l o w ：t h em o l t e nt i n t e m p e r a t u r ew a s2 5 5 n 2 6 5 ，t h ei m m e r s i o nt i m ew a s0 5 s ls t h ei m m e r s i o n l e n g t hw a s4 0 m m - 8 0 m m ，t h es p e e do fc a b l ew a s4 m m i n - 6 m m i n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ff l u x ，ak i n do fs p e c i a lf l u xw i t hf a s ts o l d e r i n g s p e e da n ds m a l lg a sg e n e r a t i o nw a sd e v e l o p e d t h ec o m p o s i t i o n so ft h ef l u xw e r e ：a a c i d ( 1 ) ，ba c i d ( 1 ) ，c a t i o n i cs u r f a c t a n t ( 0 3 ) ，n o n i o n i cs u r f a c t a n t ( o 1 ) a n d a l c o h 0 1 t h em i n i m u ma p e r t u r eb e t w e e nc a b l ea n dg u i d eh o l ew a s0 2 m ma c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o n ah i 【g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n tr u b b e rg a s k e tw a su s e dt os o l v et h e p r o b l e m so f t i nl e a k i n ga n dt h r e a dj a m m i n g ，t h ea p e r t u r eo ft h eg a s k e tw a s3 5 m m i n o r d e rt om a k et h et i nc o a t i n gu n i f o r m i t ya n db r i g h t n e s s ，ae q u i p m e n tw a si n s t a l l e d a b o v et h es u r f a c eo fl i q u i dt i nf r o m10 m m - 2 0 m mt o s c r a p er e d u n d a n tt i no nt h e c a b l e k e yw o r d s - s e m i f l e x i b l ec o a x i a lc a b l e ，v e r t i c a lt i n - p l a t i n g ，f l u x ，p i n h o l e d e f e c t 第一章绪论 1 1 同轴电缆简介 1 1 1 同轴电缆的发展 第一章绪论 同轴电缆是一种图像传输、有线电视系统、通信信号等传输使用的连接电缆， 它一般以封闭电磁场的传输方式进行传输信号【1 】。其用来传递信息的一对导体是 按照一层圆筒式的外导体套在内导体( 一根细芯) 外面，两个导体间用绝缘材料互 相隔离的结构制造的。外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上，所以叫做 同轴电缆【2 1 。同轴电缆解决了对称电缆频率越高干扰越严重的主要矛盾【3 1 ，使有 线通信得到了突破性的发展。 1 8 8 0 年奥利弗黑维塞在英格兰缺德同轴电缆的专利权；1 8 8 4 年维尔 纳冯西门子在德国取得同轴电缆的专利权；1 9 3 5 年第一条真正的同轴电缆 在美国问世【4 】；1 9 4 1 年，美国a t & t 铺设了第一条商业同轴电缆，并在明尼苏 达州的明尼阿波利斯连至威斯康辛州的史蒂芬普颖特，它使用的l 1 系统能容 纳一条电视频带或4 8 0 条电话线路；1 9 5 6 年，全球第一条横渡大西洋的同轴电 缆 m l ( t r a n s a t l a n t i cn o 1 ) 应经铺设好，至此揭开了同轴电缆在通信领域 的应用。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，数据传输主要采用的是同轴电缆，同轴 电缆最早应用于有线电视网络中，之后广泛应用于局域网和通信领域。 同轴电缆经过了四个发展过程【5 】( 如图1 1 所示) ：第1 代电缆采用实芯材料 作为填充介质，由于它对高频衰减大，现在通常主要把它用于传输视频信号；后 来人们把聚乙烯采用化学方法发泡作为填充介质，其发泡度可达3 0 ，高频传输 特性有所提高，我们把这称为第2 代电缆；8 0 年代，第3 代纵孑l 藕芯电缆出现， 它的高频衰减达到目前新型电缆的水平，但化学发泡电缆和纵孔藕芯电缆的防潮 特性都不好；9 0 年代初，市场推出了物理发泡电缆和竹节电缆，我们称为第4 代电缆，后来的竹节电缆虽然能防潮和高频损耗低，但介质具有不均匀性，在高 频有反射点，已经无人使用。物理发泡电缆的发泡度可达8 0 ，介质主要成分是 氮气，气泡之间是相互隔离的，因此，它具有防潮和低损耗的特点，是目前综合 特性最好的同轴电缆。 第一章绪论 i i 2 同轴电缆的构造 第1 代：聚乙烯 材料作 实芯绝缘介质的电缆 第2 代：化学发泡p e 材料作绝 缘介质的电缆 弟3 代：耦芯纵扎p e 材科作绝 缘介质的电缆 圜蘸i 镬爹 第4 代：物理发泡p e 材料作绝 缘介质 图1 1 同轴电缆的发展历程 同轴电缆的作用是传输信号，为保证信号的可靠性，提高信号的抗干扰能力， 同轴电缆一般由四部分组成【6 1 ，如图1 2 所示： 43 2 i 鼷 h 0 图1 2 同轴电缆结构示意图 1 ：内导体；2 ：内绝缘层；3 ：外导体；4 ：护套 1 内导体 内导体作为电流的去向导体，起到传输信号的作用。内导体主要从四个方面 影响传输信号。 ( 1 ) 内导体电阻损耗：内导体的电阻损耗是引起传输信号衰减的主要因素。 第一章绪论 ( 2 ) 内导体表面电导率：在直流电路里，导线横截面上的电流密度基本上 是均匀的，但在交流电路中随着电流的增加，导线截面上的电流分布越来越向导 线的表面集中，电流仅在导体表面的一层薄膜内传导，我们称这种现象为趋肤效 应【7 - 8 】，因此良好的表面电导率是保证电流信号传输的关键因素之一。 ( 3 ) 内导体材质和表面质量：内导体材质要求很高，一般要求材质不含杂 质，表面平净、平整、光滑。 ( 4 ) 内导体直径：直径的任何变化都会影响到阻抗的均匀性和回波损耗， 因此必须保证内导体直径稳定，使其公差很小。 由于铜有着优异的导电性能，是同轴电缆内导体的主要材料，最常用的几种 形式有：退火铜线、退火铜管、铜包铝线等。通常来说，小电缆内导体是铜线或 铜包铝线。 2 内绝缘层 同轴电缆的绝缘层不仅对内外导体起绝缘作用，还影响着电缆的传输性能。 绝缘材料和绝缘层结构对同轴电缆质量有着至关重要的影响，如衰减、阻抗和回 波损耗，都与绝缘层有很大的关系。对绝缘层最重要的要求有： ( 1 ) 相对介电常数低，介质损耗角因子小，以保证衰减小； ( 2 ) 结构一致，以保证阻抗均匀，回波损耗大； ( 3 ) 机械性能稳定以保证寿命长； ( 4 ) 防水防潮。 绝缘介质可以采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯( p v c ) 和氟塑料等 9 】，常用的 绝缘介质是损耗小、工艺性能好的聚乙烯。目前制造绝缘层最常用的工艺是物理 发泡聚乙烯绝缘【1 0 l ，此结构型式具有稳定，免充气维护、柔软、高抗压、高抗张 强度等优点；绝缘采用低介电常数的聚乙烯，发泡后泡孔微小分布均匀，尺寸一 致，泡于泡之间互不连通，因此使得该电缆具备优异的防潮性能【1 1 】；注气法得到 的发泡结构一致，意味着其阻抗均匀，回波损耗大，发泡介质特性在高频下更加 重要，正是这种特殊的发泡结构决定了电缆高频下非常低的衰减性能。 3 外导体 同轴电缆的外导体有两个主要的作用：第一是起回路导体的作用；第二起屏 蔽作用。外导体通常有3 种结构【1 2 】： ( 1 ) 金属管状：这种结构采用铜或铝带纵包焊接，或者是无缝铜管挤包拉 延而成，这种结构形式的屏蔽性能最好，但柔软性差，常用于干线电缆； ( 2 ) 铝塑料复合带纵包搭接：这种结构有较好的屏蔽作用，且制造成本低， 但由于外导体是带纵缝的圆管，电磁波会从缝隙处穿出而泄漏，应慎重使用： ( 3 ) 编织网与铝塑复合带纵包组合：这是从单一编织网结构发展而来的， 第一章绪论 它具有柔软性好、重量轻和接头可靠等特点，实验证明，采用合理的复合结构， 对屏蔽性能有很大提高，目前这种结构形式被大量使用。 4 外套 户外电缆最常用的护套材料是黑色线性低密度聚乙烯( p e ) 【1 3 】，它密度与 l d p e 相近，但强度与h d p e 相当。相反，在某些情形下，倾向用h d p e ，它可 为护套提供更好的机械性能和耐摩擦、化学、潮气及不同环境条件的性能。防紫 外线的黑色h d p e 能承受如极高温度和极强紫外线引起的气候应力。当强调电缆 的防火安全性时，应使用低烟无卤阻燃材料。在漏泄电缆中，为减小火的蔓延， 可在外导体和护套之间使用防火阻燃带，使容易熔融的绝缘层保留在电缆内。 1 1 3 同轴电缆的分类及命名 根据同轴电缆外导体不同可以分为：半刚性同轴电缆、半柔性同轴电缆、超 柔性同轴电缆。半刚性同轴电缆主要指外导体为铜管、波纹铜管、铜包钢、铜包 铝的同轴电缆，这种电缆具有很优异的屏蔽性能，但是柔性很差，弯曲性能差 1 4 - 1 5 1 ，并且只能弯曲一次，为了使其弯曲时电缆机械性能和电气性能不受到损害， 需要要专门的工具；半柔性同轴电缆主要指在铜丝编织网上镀锡的同轴电缆，这 种电缆具有同半刚性同轴电缆相当的屏蔽性能，但同时具有半刚性同轴电缆不可 比拟的机械性能，这种电缆可以任意弯折而不影响其电气性能，并且具有保型能 力，可以用在安装坏境复杂的场所，是一种理想的同轴电缆0 6 - 1 7 】：超柔性同轴电 缆是指外导体为高编织密度的铜丝编织网的同轴电缆【18 1 ，这种同轴电缆由于金属 网之间有孔隙，电磁场很容易泄漏，主要应用在具有复杂安装环境的低频信号传 输领域，如单极无线、电梯井、并置站点等。 同轴电缆从用途上可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。基带同轴电缆 的阻抗为5 0 q ，主要用于数字传输，它具有高带宽和极好的噪声抑制特性，广泛 应用于一些局域网和有线、无线电视；宽带同轴电缆的阻抗为7 5 f l ，主要用于模 拟信号传输，具有较高的可使用频带，覆盖范围较广。 同轴电缆的命名通常由4 部分组成【1 9 】：第1 部分用英文字母，分别代表电缆 的代号、芯线绝缘材料、护套材料和派生特性( 见表1 1 ) ，第2 、3 、4 部分均用 数字表示，分别代表电缆的特性阻抗( q ) 、芯线绝缘外径( m m ) 和结构序号。 图1 3 为型号“s y v - 5 0 3 1 的命名示范。 第一章绪论 s y v 一 图1 - 3 同轴电缆命名示范 表1 1 同轴电缆命名规则【1 9 】 5 第一章绪论 1 1 4 同轴电缆的应用 电线电缆行业是中国仅次于汽车行业的第二大行业，产品品种满足率和国内 市场占有率均超过9 0 【2 0 】。在世界范围内，中国电线电缆总产值已超过美国， 成为世界上第一大电线电缆生产国。伴随着中国电线电缆行业高速发展，新增企 业数量不断上升，行业整体技术水平得到大幅提高。 中国经济的持续快速增长，为电线电缆产品提供了巨大的市场空间，中国市 场强烈的诱惑力，世界的目光都聚焦于中国的市场，在改革开放几十年里，中国 电线电缆制造业所形成的庞大生产能力让世界刮目相看。随着中国电力工业、城 市轨道交通业、数据通信业、造船以及汽车业等行业规模的不断扩大，对线缆的 需求也将迅速增长，未来线缆业，特别是同轴电缆，还有很大的发展潜力。 当前，我国同轴电缆主要应用于各广播电视局、国家有线电视网络公司、电 信网络传输部门、电视监控工程公司、网通、联通、移动通讯公司、电器设备和 企业的示波器、频率计、信号发生器、扫描仪、电力部门的信息通讯公司等各行 各业【2 。 1 2 半柔性同轴电缆的结构特点及制造技术 1 2 1 半柔性同轴电缆的结构特点 上节已经提到同轴电缆根据其外导体不同可分为半刚性同轴电缆、半柔性同 轴电缆、超柔性同轴电缆三种。由于半柔性同轴电缆具备半刚性同轴电缆相当的 屏蔽性能，又同时具备优异的机械性能，可以任意弯折而不损害其电气性能，并 有保型能力，特别适合应用在安装坏境复杂的场所，是同轴电缆未来发展的方向， 本节将着重介绍半柔性同轴电缆。 泠黪然绝缘鼷编织震镀锡联 图1 - 4 半柔性同轴电缆结构示意图 半柔性同轴电缆是在传统的金属编织屏蔽层( 外导体) 外再进行整体镀锡后 获得，如图1 4 所示。研究表明，在金属丝编织网屏蔽层上再整体镀一层致密的 ；，|罐 第一章绪论 锡层，可以有效提高屏蔽效果。同时，由于锡很软，电缆镀锡后呈半刚性状态而 且弹性很小，可以随意弯曲成任意角度并保持不变，使布线更美观更便于操作。 有效克服了传统同轴电缆由于有一定的弹性而导致的成型和保形能力差的问题。 半柔同轴电缆不单传输信号衰减少、蔽效果好，而且具有良好的成型和保型的能 力，在通讯和军事领域有着广泛的应用。 1 2 2 半柔性同轴电缆的制造技术 半柔性同轴电缆的制造流程基本与其他同轴电缆制造流程相同，不同之处是 外导体的加工过程，一般来说同轴电缆制造流程如图1 5 所示： 图1 5 同轴电缆制造工艺流程 半刚性同轴电缆外导体一般是无缝铜管挤包拉延或者铜带纵包焊接而成；超柔性 同轴电缆外导体是一层高密度的铜丝编织网：而半柔性同轴电缆的外导体是在超 柔性同轴电缆外导体编织网上镀锡而成，这就是半柔性同轴电缆制造技术的不同 之处。下面将对半柔性同轴电缆制造过程进行详细的叙述【l6 1 。 1 内导体加工工艺【2 2 】 上节我们已经知道电缆内导体从电阻损耗、表面电导率、材质和表面状态、 直径等四个方面影响同轴电缆的质量【2 3 1 ，因此其加工工艺对电缆性能有着重要的 影响。电缆内导体包括三道工艺过程：铜丝电镀银、拉丝、退火。 为了是铜丝电镀银质量良好，必须对铜丝先进行酸洗和碱洗，除去铜丝表面 的杂质，露出新鲜的金属，经过处理后的铜丝很容易和电镀银层紧密结合；为了 使镀银层厚度达到要求，并保证镀银层连续、致密，电镀时的电流密度和电镀时 间是两个至关重要的影响因素。 电镀银后的铜丝将进行拉丝、退火处理。铜丝内导体加工完后，一般要进行 三个方面的检测： ( 1 ) 直流电阻0 0 7 9d m ； ( 2 ) 延伸率兰1 5 ； ( 3 ) 尺寸公差等。 2 聚四氟乙烯推挤工艺及物理发泡聚乙烯工艺 目前内绝缘层有两种常用的制造工艺：一种是传统的在内导体表面上挤制一 第一章绪论 层聚四氟乙烯塑料绝缘层；另一种是较为先进的物理发泡聚乙烯工艺。 聚四氟乙烯推挤工艺是一种较为成熟的工艺，目前应用较为广泛，这种方法 是主要是充分混合一定比例的聚四氟乙烯粉料和烷烃类溶剂油，然后在一定的压 力下保持一定时间，制成预成型棒【临l 。这种工艺应从以下几个方面进行控制： ( 1 ) 混合时注意控制聚四氟乙烯粉料和溶剂油的比例； ( 2 ) 压制压力大小和时间，这两个要素保证成型棒的均匀性； ( 3 ) 烘干温度和烧结温度，太高或太低会导致绝缘层出现开裂、出现毛刺 或烧结不熟的缺陷； ( 4 ) 收线速度、推挤速度、收线张力、放线张力等都会引起绝缘外径不稳 定等质量问题； ( 5 ) 推挤的模具也很重要，如果模具不好，就会出现绝缘芯线开裂、外径 不均匀、芯线偏心等质量问题。 物理发泡聚乙烯工艺是指采用高密度聚乙烯( h d p e ) 、低密度聚乙烯( l d p e ) 和成核剂三种物质按照一定的配比混合，将合适压力下的氮气或二氧化碳溶解于 具有适当压力的处于熔融状态的聚乙烯绝缘料的混合物中，形成细微、均匀的泡 孔结构，通过挤塑设备挤出均匀稳定的泡沫绝缘层【1 3 、2 年2 5 1 。 内绝缘层制造加工工作完成后，要对绝缘芯线进行以下检测【1 6 1 ： ( 1 ) 绝缘外径但9 0 - j ：o 0 5 ) m m ； ( 2 ) 介质耐压5k v ； ( 3 ) 芯线表面圆整、光滑、无开裂、无偏心、外径均匀一致。 3 铜线网编织工艺 在内绝缘层上加上一层铜丝编织网，能有效的保证同轴电缆的电气性能。为 了使电缆铜丝编织网光滑、平整、紧密，不出现漏编、断线、突起等缺陷，在开 始进行编织网编织前，应先检验单根铜丝的尺寸和延伸率、抗张强度等，在并丝 时要保持适当的张力以确保并丝整齐、均匀。总之，编织网的编织的质量影响着 电缆的表观质量、电缆连续长度、电缆的驻波性能【2 6 】。 4 整体镀锡工艺 整体镀锡工艺主要是在铜丝编织网上镀锡，这层镀锡层有着非常好的屏蔽性 能，并且可以使电缆任意弯折而不损害其电气性能。目前同轴电缆外导体镀锡最 常用的是水平镀锡工艺，该工艺主要原理通过一个导向轮把同轴电缆压入熔有锡 液的锡槽中一定深度，电缆从锡液出来在编织网上形成一定厚度的锡层，从而完 成镀锡过程。为了使同轴电缆具有良好的电气性能，要求镀锡层平整、光滑、无 针孔、开裂、不连续等缺陷，这是该镀锡工艺存在的难点，也是制约半柔性同轴 电缆制造生产的关键和难点。 第一章绪论 1 2 3 半柔性同轴电缆的应用和发展前景 随着3 g 时代的到来，信号的频率越来越高，其传输频段从原来2 g 网络的 8 0 0 9 6 0 m h z 和17 0 0 19 0 0 m h z 提高到18 8 5 2 2 0 0 m h z 和2 3 0 0 2 4 0 0 m h z ，这对同 轴电缆的质量要求也越来越高，主要体现在对屏蔽层的屏蔽效果要求越来越高 2 7 - 2 8 。传统的金属丝编织网屏蔽层结构，即未进行整体镀锡的已经逐渐不能满足 使用要求。急需开发信号衰减更低、屏蔽效果更好的新一代半柔性同轴电缆为我 国的3 g 网络建设事业服务。 根据信息产业部的数据【2 3 1 ，到2 0 0 6 年底全国g s m 和c d m a 的2 g 基站约 为6 0 万个。如果3 g 网络建设同样规模的基站群，至少需要6 0 万公里的馈线； 根据移动通信基站技术发展历程以及发展趋势看，一般每隔4 - 5 年就会出现基 站的升级换代；因此，在未来几年内，随着3 g 基站的建设的逐步展开，以及部 分基站的升级换代，国内的同轴电缆的年需求量将会超过6 万公里，并有逐年递 增的趋势，再加上出口，其需求量是可观的。 1 3 外导体整体镀锡工艺简介 目前，同轴电缆外导体整体镀锡通常采用热浸镀，热浸镀是一种很古老的表 面工程技术，由于其镀层很厚，前处理技术较简单成熟，在现代工业中还有很多 地方要用到这种技术，特别对要求镀层厚的工件，其他技术还不能完全取代热浸 镀。 热浸镀是将被镀金属材料经过表面预处理后，放入远比工件的熔点低的熔融 金属或合金中获得金属镀层的方法【2 9 1 。被镀后的工件可以明显的分为三层：基体 金属、合金化合物层、镀层金属。热浸镀的镀层是由合金化合物层和镀层金属组 成，合金化合物层起到连接基体金属和镀层金属的作用，但合金化合物很脆，如 果其很厚，容易导致镀层金属的剥落，开裂等缺陷，因此应当控制其厚度适当， 保证镀层的质量。相比于其它技术，热浸镀有镀层厚度较厚，在恶劣环境下使用 时间长的优点；但由于其工艺不易于精确控制，受外界影响因素较大，其镀层厚 度很难控制，并且其镀层容易产生如针孔、不连续、不均匀等缺陷，镀层表面往 往存在大量残留物，光泽度很差。 一般来说，我们根据热浸镀工件的前处理工艺的不同，将热浸镀技术分为熔 剂法和氢还原法两种【2 9 】。熔剂法是指将工件经过酸洗、碱洗、水洗等前处理后镀 锡得到成品的工艺，这种工艺的大致流程如图1 - 6 所示。 第一章绪论 匿可磅酬i 匿斟蟠峨蔼融譬丽； 图1 - 6 溶剂法镀锡工艺 氢还原法是指用还原性气体把工件的氧化表面还原，然后进行热镀的一种工艺， 其流程如图1 7 。 同砷岈受两竭岖河m 两砷蛎鳓一丽i 图1 7 保护气体还原法 由于熔剂法设备简单经济，性能也具有相当的可靠性，广泛应用于现代工业 中。目前，同轴电缆外导体整体镀锡工艺也是使用这种工艺技术，其外导体是铜 丝编织网，镀层金属是锡，在镀锡过程中这两种金属发生反应。现在很多企业都 沿用传统的水平镀锡工艺，这种工艺因同轴电缆进入锡液的方式而得名。所谓水 平镀锡是指通过一个导向轮将同轴电缆从锡液的上方斜着压入锡液中，然后再从 锡液表面出来，完成镀锡过程，其原理如图1 8 。 图1 8 水平镀锡工艺原理图 从图1 8 中可以看出，其前处理方式是采用应用较为广泛的熔剂法，待镀锡 的同轴电缆由放线机放出后，依次经过碱洗槽进行除油、经过水浣槽清洗、经过 助焊剂槽浸涂助焊剂、经过烘干器烘干去除水分和有机溶剂、进入镀锡槽中的锡 液进行镀锡，最后缠绕到收线机上。水平镀锡的具体工艺流程如图1 - 9 所示。 涂 麓b 裘叫霾 由攀 蕊蕊赫 镀 扩 锡 剂 图1 - 9 水平镀锡工艺流程图 第一章绪论 1 4 课题的研究意义、内容与目标 随着我国3 g 通讯网络的全面启动，对这种整体镀锡的半柔性同轴电缆的需 求也迅速增长。3 g 网络使用的信号频率更高，其传输频段从原来2 g 网络的8 0 0 9 6 0 m h z 和1 7 0 0 - - - 1 9 0 0 m h z 提高到1 8 8 5 - - 2 2 0 0 m h z 和2 3 0 0 - - 2 4 0 0 m h z ，这就 对同轴电缆的信号衰减和屏蔽效果提出了更高的要求。原来用于2 g 网络的同轴 电缆的镀锡工艺存在着针孔缺陷、锡镀层附着力不足以及生产速度低等问题，成 为了制约该产品的质量和市场供应的技术瓶颈，已经不能满足3 g 网络的技术要 求。急需开发信号衰减更低、屏蔽效果更好的新一代半柔性同轴电缆为我国的 3 g 网络建设事业服务。根据信息产业部的数据，到2 0 0 6 年底全国g s m 和c d m a 的2 g 基站约为6 0 万个。据测算，仅t d c d m a 工程一项的需求量就达4 5 万 公里。如果3 g 网络建设同样规模的基站群，至少需要6 0 万公里的馈线。根据 移动通信基站技术发展历程以及发展趋势看，一般每隔4 5 年就会出现基站的 升级换代。在未来几年内，随着3 g 基站的建设的逐步展开，以及部分基站的升 级换代，国内的同轴电缆的年需求量将会超过6 万公里，并有逐年递增的趋势， 再加上出口，其需求量是可观的。 目前国内外已经有相关企业对这种半柔性同轴电缆进行研究，瑞典的h a b i a 公司是开发这种产品的领头羊，通过不断的技术研究，已经成功开发出了外导体 ( 屏蔽网) 整体镀锡的高性能半柔性同轴电缆。国内从事这方面的研究则起步较 晚，深圳的金信诺通讯电缆公司以及天津的安迅达科技有限公司( 原天津6 0 9 厂) 近年来都投入了大量的经费和科研力量从事这种屏蔽网整体镀锡的半柔性同轴 电缆，并相继有产品面市。天津安迅达科技有限公司( 原6 0 9 厂) 是同轴电缆生 产的龙头企业，其射频同轴电缆的产销量占到国内市场3 0 左右的份额。特别是 其新产品半柔性整体镀锡的同轴电缆，随着3 g 网络的建设全面铺开，将有着巨 大的市场需求。但是，目前的镀锡工艺还存在很多问题，产品的质量不过关，产 能也不足，存在的主要问题就是针孔缺陷、镀层对屏蔽网的附着力不足以及生产 效率低。如果能够成功突破整体镀锡中的针孔问题并提高生产效率，将有着广阔 的市场前景并带来巨大的社会经济效益。为我国的3 g 网络的建设和通讯事业的 发展提供一个技术保障。 目前国内外对于半柔性同轴电缆的整体镀锡工艺都采用水平镀锡工艺。电缆 从锡液的上表面经由一个完全浸泡在锡液中的导向轮压入锡液中进行镀锡，然后 经由另一个位于锡槽上方的导向轮导出锡槽。这种工艺下，电缆浸入锡液的长度 很长，一般在4 0 c m 以上。根据我们前期的研究发现，电缆浸入锡液的长度对是 否出现针孔缺陷有重要的影响。试验发现：电缆浸入的长度越短、在锡液中停留 第一章绪论 的时间越短，出现针孔的可能性越低。因此，我们提出了让电缆从底部进入镀锡 槽，然后垂直穿过锡液进行镀锡的工艺，同时要配合以高的电缆送进速度。即： 垂直镀锡工艺1 3 0 j 。 本文就提出来的垂直镀锡工艺进行研究，主要的研究内容有如下几个方面。 1 垂直镀锡工艺的关键设备的开发：首先，为了实现垂直镀锡工艺，需要 设计专门的镀锡槽；重点是解决锡液从槽底部电缆入口处泄漏的问题，需要设计 一种特殊的电缆导入装置，保证不论是在工作状态还是非工作状态，锡液都不会 发生泄漏；同时，该镀锡槽还要能够准确控制和方便调整电缆浸入锡槽中的长度， 以便于下一步的工艺参数优化。 2 垂直镀锡工艺参数的优化：垂直镀锡工艺设计的工艺参数非常多，主要 的参数有锡液的温度、烘干温度、助焊剂的涂敷量、电缆浸入锡液的长度和停留 时间、电缆的送进速度等，为了保证镀锡层的厚度均匀、无针孔缺陷，实现长期 运行的工艺稳定和产品质量可靠，必须对上述工艺参数进行系统的优化。 3 专用助焊剂的研究：为了实现高速镀锡工艺，必须开发专用的助焊剂。 这种专用助焊剂要具有以下特征：首先，助焊速度要快，以保证在短时间内实现 锡液对屏蔽层的完全润湿；第二，助焊过程中气体的产生量要少，前期的研究发 现，助焊过程中产生的气体是导致针孔缺陷的主要原因之一；第三，助焊剂的残 留物要少，而且残留物要易于与锡分离，以防止残留物粘附在锡层表面影响外观 并防止夹渣现象的发生：最后，助焊剂要满足r o l l s 法令 3 1 】的技术要求，即不含 卤素和其它腐蚀性物。 本课题的总体目标是解决目前国内半柔性同轴电缆金属编织网屏蔽层整体 镀锡技术中存在的针孔和镀层对屏蔽网内部渗透不足以及生产效率低的问题，在 此基础上开发一种新型的快速垂直镀锡工艺及实现该工艺所需要的关键装备和 关键材料。其具体目标是采用新的快速垂直镀锡工艺，将镀锡速度( 效率) 提高 一倍以上，即：从目前的2 m m i n 提高到6 1 6 m m i r a 同时，镀锡质量达到国际 先进水平，针孔率降低到5 个m 以下。 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 2 1 现有水平镀锡工艺存在的问题 上章我们提到过所谓水平镀锡是指通过一个导向轮将同轴电缆从锡液的上 方压入锡液中，然后同轴电缆斜着从锡液表面出来，完成镀锡过程。目前国内外 基本上都是采用这种水平镀锡工艺对同轴电缆进行外导体整体镀锡，经我们研究 发现，该镀锡方法主要存在以下三个问题。 1 锡镀层上容易出现针孔缺陷，影响屏蔽效果。针孔主要集中在编织线交 叉的位置上，如图2 1 所示。可以发现针孔缺陷主要出现在编织线交叉搭接的部 位，针孔尺寸较大，边缘光滑，呈通透型圆孔或方孔状。针孔的存在会加大信号 传输中的衰减，影响信号传输距离并造成信号失真，特别是在传输高频信号时， 对针孔缺陷的数量有严格要求，一般要求每米不超过5 个。 2 镀锡层对屏蔽网的附着力不足，电缆在折弯过程中镀锡层易发生开裂和 起皱，严重影响产品质量。将镀锡后的编织网剪开后观察内表面可以发现在编织 线之问，特别是编制线交叉的位置上几乎没有渗入锡如图2 2 所示。镀层对屏蔽 网内侧的渗透不足，是导致镀锡层对屏蔽网附着力不足的根本原因。研究发现， 通常，凡是针孔较多的情况，锡层渗透往往不足，这两种缺陷是相伴而生的。 3 生产效率低，不经济。由于整个过程在一道工序中完成，生产线拉的很 长，电缆的送进速度( 即镀锡速度) 很难提高，一般在2 m m i n ，生产效率低； 并且由于水平镀锡存在大量的针孔，需要二次镀锡：另外，由于生产线拉的长， 电缆的料头料尾浪费很大，不经济。 图2 1 现有镀锡工艺所形成的针孔缺陷 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 图2 - 2 现有镀锡工艺对编织网内侧渗透不足 研究发现，电缆浸入锡液的长度对是否出现针孔缺陷有重要的影响。试验发 现：电缆浸入的长度越短、在锡液中停留的时间越短，出现针孔的可能性越低。 在一般的水平镀锡工艺下，电缆浸入锡液的长度很长，一般在4 0 c m 以上，电缆 在锡液中停留时间超过5 o s 。因此，我们提出了让电缆从底部进入镀锡槽，然后 垂直穿过锡液进行镀锡的工艺，同时要配合以高的电缆送进速度。即：垂直镀锡 工艺。 2 2 针孔缺陷形成的机理及分析 电缆镀锡过程中，在进入锡液之前要预涂液体助焊剂，助焊剂会渗透到金属 丝屏蔽网的内侧。现在常用的助焊剂的活性成分主要是有机酸胺类物质，溶剂主 要是低熔点醇类和水。当电缆进入高温的锡液中后，助焊剂活性成分在起到去除 铜丝表面氧化膜的同时由于受热分解、挥发甚至沸腾从而产生大量的气体；另一 方面，残留在电缆上的助焊剂溶剂和水分由于烘干不彻底也会在进入高温锡液后 汽化而产生气体。 在浸锡过程中，由于周围液态锡的密封作用，气体不能被迅速释放出来，就 会在屏蔽网与内绝缘体之间的狭小缝隙内聚集并产生较高的压力。当电缆离开锡 槽的瞬间，由于外部锡液的压力突然消失，而镀锡层还没有凝固，这时内部的高 压气体就很容易鼓破锡层的某些薄弱部位而释放出来，从而形成通透型的微小针 孔。在编织线交叉搭接的部位，由于附着的锡液较厚，冷凝较慢，所以针孔往往 集中在这些部位。由以上分析可得：由于助焊剂和残留溶剂和水分在高温时产生 的气体造成的内部高的气体压力是导致针孔缺陷产生的根源所在。 助焊剂产生气体需要一定的时间，屏蔽层内的气体有一个积累过程，压力的 1 4 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 增长也有一个过程。只有当内部气体的压力超过了锡液的表面张力时，当电缆离 开锡液时气体才会鼓破还未凝固的锡层形成贯通型的针孔。因此减浸锡过程中的 气体产生量从而降低屏蔽层内部的气体压力是解决这一问题的关键。主要从以下 两方面采取措施。 1 尽量减少在镀锡过程中气体的产生量。因此要选用高沸点、不易分解的 助焊剂成分，同时电缆在进入锡液前要彻底烘干。 2 电缆浸入锡液中的时间和浸入的长度尽量缩短，即采用尽量快的速度让 电缆通过锡液槽，从而保证编织网内部不会产生过高的气体压力。采用垂直镀锡 的工艺很好的做到了这一点。 2 3 垂直镀锡工艺原理 传统水平镀锡工艺中，电缆通过一个浸泡在锡液中的导向轮压入锡液，电缆 在锡液中长度达3 0 0 , - - 一4 0 0 m m ，这导致电缆在锡液中的停留时间达到5 l o s ，时 间过长，屏蔽网内侧的助焊剂严重受热产生大量气体。为了尽量缩短同轴电缆在 锡液中的停留时间及浸入长度，本研究项目提出了垂直镀锡的新工艺，原理如图 2 3 所示。 图2 - 3 垂直镀锡工艺原理示意图 让待镀锡的同轴电缆从锡槽的底部通过一个导入管由镀锡槽底部垂直进入 锡液，通过升降空心金属盒来控制锡液面的高度，可以将浸锡深度控制在1 0 1 0 0 m m ，再配合适当的电缆送进速度就可以达到缩短电缆在锡液中的停留时间。 同时由于取消了锡液中的导向轮，减少了气体排放的阻力，因此可以有效的抑制 针孔缺陷的产生。镀锡流程如图2 4 ，可分为以下几步。 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 图2 - 4 半柔性同轴电缆垂直镀锡工艺流程图 1 将编织好金属网屏蔽层的同轴电缆进行浸涂助焊剂；该电缆在清洗和浸涂 助焊剂后，要分别进行烘干，彻底去除水分和有机溶剂，至此，前处理工序完成， 等待镀锡。 2 将经前处理的电缆经下导向轮从镀锡槽浅槽底部的电缆导入装置垂直穿过 镀锡槽，然后经由上导向轮连接到收线机上。 3 启动电机，将镀锡槽深槽上方的中空盒子下降并浸入锡液中，使锡液面上 升并高于导入管，使待镀锡电缆浸入锡液一定的深度。 4 启动收线机，带动所述电缆经过锡液进行镀锡，镀锡完后缠绕到收线机上， 至此，镀锡过程完成。 在实验过程中，为实现两道工序的同步进行，采取自由放线、牵引收线的送 丝装置。即放线轮是可以自由旋转的，不具有动力装置，在收线端设置牵引轮， 靠牵引轮的转动带动整个流程的电缆进给。 2 4 垂直镀锡设备构成 为了实现垂直镀锡工艺，我们对垂直镀锡关键设备进行了设计，如：前处理 工艺流程、镀锡槽等。 2 4 1 前处理工艺流程的设计 一般半柔性同轴电缆的前处理过程包括酸洗、碱洗、烘干、涂覆助焊剂、烘 干等过程，但根据实际经验发现，随着铜丝网编织工艺的发展，原来会在外导体 上残留大量的油渍、铜锈等杂质都基本上不存在，不再需要酸洗和碱洗。因此， 为了简化同轴电缆前处理工艺，我们对其工艺过程进行了简化：涂覆助焊剂、烘 干。这样在不影响同轴电缆镀锡质量的前提下，有效的简化了工艺流程，达到降 低降低成本和能耗的作用。其前处理流程如图2 5 所示。 1 6 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 涂 哦辈 查 嘲霾i 剂 引 机 图2 5 半柔性同轴电缆垂直镀锡工艺前处理流程图 以往前处理工艺流水线都比较长，占用的空间较大，我们对前处理流水线进 行了重新设计，以求尽量减少占用空间。如图2 - 6 所示，涂覆助焊剂器和 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 炉的长宽高各为l l = 6 0 0 m m ，w 1 = 4 5 0 m m 和h l = 4 5 0 m m ，镀锡槽的长宽高各为 l 2 = 3 0 0 m m ，w 2 = 1 5 0 m m 和h 2 = 3 0 0 m m 。其结构如图2 7 所示。 导入管 ( a ) 锡槽立体图 ( b ) 锡槽前视图 ( c ) 锡槽左视图 图2 7 锡槽结构示意图 我们可以看出，在锡槽四周围着一层大概8 = 1 5 0 m m 厚的保温层，保温层起 到保温作用，防止热量的过快散发，降低能耗；在保温层和锡槽四周之间有加热 电阻丝，而锡槽底部承受很大的压力，电阻丝外侧的绝缘层容易破损，底部不适 合用电阻丝加热，我们采用了红外线加热板的方式对锡槽底部进行加热，保证了 加热过程平稳，其加热功率之和为3 0 0 0 w ；在外侧是一个长宽高为6 0 0 m m 、 4 5 0 m m 、4 5 0 m m 外保护壳，起到保持保温层形状的作用；在锡槽底部有一根电 缆导入管，电缆导入关被安排在下压盒右侧部分正中间，电缆在导入管中的部分 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 可以免受锡液的浸湿，从而减少可电缆浸入锡液的长度；为了满足对不同型号电 缆的镀锡需求，我们采用稍大的电缆进出孔径，在孔径内侧有内螺纹，设计一个 螺母与其配合，这样通过对螺母的内孔径控制来达到对不同型号电缆的镀锡要 求，当更换的电缆直径不同的时候，我们只需更换相应内径的螺母与之配对，不 必再重新设计导入管孔径，如图2 8 所示；在锡槽上方有一个下压盒，盒内充实 保温材料，防止锡液中热量通过盒子散失过快，同时通过直线导轨行走机构调节 金属盒的下压与抽出，这样就能方便的调节锡液面的高度，从而达到控制电缆在 锡液中浸入长度的目的，其结构如图2 - 9 所示。 图2 8 导入管螺母结构图 图2 - 9 金属盒调节锡液示意图 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 在此我们简单叙述下垂直镀锡工艺的流程及各部分的作用，整个镀锡流水线 分为4 部分( 如图2 1 0 所示) ：放线机构、前处理工艺、镀锡工艺和收线机构。 放线机构我们采用的是被动放线机构，能保证放线的平稳；前处理工艺主要是涂 覆助焊剂和烘干加热，使助焊剂能均匀的涂覆在同轴电缆表面；镀锡工艺部分涂 覆好助焊剂的同轴电缆从锡炉的底部垂直进入锡液，并能通过调节金属盒来控制 锡液的深度；收线机构分为张力控制器和收线部分，两者的共同作用能保证收线 的平稳。 放线机构 ( a ) 立体模型 ( b ) 模型左视图 图2 1 0 镀锡流水线模型 第二章垂直镀锡工艺原理及设备 ，2 4 3 锡炉的保温设计 为了验证锡槽保温设计的合理性，我们对锡槽的散热性能进行了计算。根据 资料查明，我们得到了包括石棉在内的保温材料的物理参数性能【3 2 ，如表2 1 所 示。 表2 一l 保温材料的几项参数表 考虑到锡槽的工作温度在2 6 0 左右，在锡液熔化加热时，由于热量的热惯 性，容易导致锡槽内温度超过锡槽工作温度，但其最高温度一般3 0 0 。c 以下，因 此，能用的保温材料有：超细玻璃棉制品( 4 0 0 ) 、玻璃纤维制品( 3 5 0 ) 、矿