（材料加工工程专业论文）包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密i 。 学位论文作者签名：哭勿) 少l f 年，月肜日 指剥币躲司硪 o | | 年r 羁f se l 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能 的影响 t h e s t u d y o nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc l a d d r a w i n g a n dt h ep e r f o r m a n c eo f c o p p e r c l a d a l u m i n u m 专 2 0 1 1 年0 3 月 摘要 铜包铝线( c o p p e rc l a da l u m i n u m ，c c a ) 是将铜层均匀而同心的包覆在铝芯 上，并使两者结合界面形成原子间冶金结合而形成的一种金属线材。它利用了铜 铝两种金属的优点，在电线电缆方面的应用有着其他单金属线无法比拟的优势， 而我国铜资源贫乏，铝资源丰富，铜包铝线的大量运用可以降低我国对铜资源进 口的依赖。生产铜包铝线目前最主要的问题是工艺问题，因此，本文将工艺问题 作为研究重点。 本课题以d e f o r m 有限元模拟分析软件为基础，以解决铜包铝线断线问题为 出发点，通过等效应力和损伤系数，对铜包铝线线材拉拔过程中工艺因素参数( 主 要包括凹模锥角、拉拔速度、形变量及摩擦系数) 进行模拟分析。从数值模拟的 结果来看，各工艺因素都存在着一个合理的参数取值范围：凹模工作锥角度取在 2 3 2 5 0 ；形变量取在1 0 9 以内；拉拔速度取7 0 9 0 m m s ；铜包铝线实际拉拔生产 中摩擦系数不会超过0 0 8 ，而模拟时摩擦系数取0 0 8 以下对拉拔应力没有多大影 响。最后与现有的工艺资料和实验结果进行比较，证实了数值模拟结果的可靠性。 影响铜包铝线质量因素有很多，为弥补模拟的不足之处，对室温拉拔后铜包 铝线进行了显微组织观察织、力学性能及电学性能的分析，得出了铜包铝线的力 学规律、电学性能规律及铜铝比率规律，主要包括铜包铝线随着形变量的增加， 其抗拉强度不断提高，电阻率增大，结合理论计算的电阻率，发现理论电阻率要 小于实际电阻率，这主要是由铜包铝线内部缺陷所引起，而铜层与铝芯之间夹杂 是影响铜铝结合的主要因素；在形变过程中，横截面铜层铝芯比率基本保持不 变。同时，提出了相关工艺因素的改进方案，主要包括：铝杆在进行刷洗之后 应当始终保持在氩气保护中且要进行除尘处理，以消除铜铝结合层夹杂问题； 拉拔过程中对拉丝表面要刷洗抗氧化剂，防止表面氧化，并对拉丝进行冷却处理， 消除线材发热问题。 综上所述，本文主要通过模拟和实验研究了铜包铝线的包覆拉拔工艺和性能， 并对各影响因素进行了分析，对这方面的资料进行了扩展，为双金属复合线材拉 拔的实际加工过程提供了参考和指导。 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 关键词：铜包铝线，包覆拉拔工艺，数值模拟，力学性能，电学性能， 微观组织 江苏大学硕士学位论文 c o p p e rc l a da l u m m u mw i r e ( c c a ) i sak i n do fb i m e t a lc o m p o s i t em a t e r i a l s ， w h i c hi sc o m p o s t e db yc o p p e rl a y e ra n da l u m i n u mc o r e a n dt h ei n t e r f a c eo fc o p p e r l a y e ra n da l u m m u r nc o r ea c h i e v ea t o m sm e t a l l u r g i c a lb o n d i n g i th a sa d v a n t a g e so f b o t hc o p p e ra n da l u m m u m ，w h i c hp e r f o r m sb e t t e rt h a nt h o s en o n - b i m e t a lc o m p o s i t e m a t e r i a l si nt h ea p p l i c a t i o no fw i r ea n dc a b l e t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o np r o c e s sf o r c o p p e rc o a t e ds h e e t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c h i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fd i s c o n n e c t i o nf o rc c a , d r a w i n gp a r a m e t e r s ( i n d u d i n gd i ea n g l e ，d r a w i n gs p e e d ，d e f o r m a t i o na n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t ) i ss i m u l a t e d t oa n a l y s i st h er o l eo fd r a w i n gs t r e s sb yd e r o r m s o f t w a r e a c c o r d i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，e a c ho fp r o c e s sf a c t o r sh a sar e a s o n a b l er a n g eo fp a r a m e t e r s ：t h e w o r kc o n ea n g l et a k e s2 5 。；d e f o r m a t i o nt a k e sl e s st h a n1 0 9 d r a w i n gs p e e dt a k e s 7 0 - 9 0 m m s ；t h ea c t u a lo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sl e s st h a n0 0 8i np r o d u c t i o n ，w h i c hh a s l i t t l ee f f e c to nd r a w i n gs t r e s si ns i m u l a t i o n f i n a l l y , c o m p a r e dw i t l lt h ee x i s t i n g i n f o r m a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n f i r m e d r e l i a b l e t h e r ea r em a n yf a c t o 璐w h i c ha f f e c to nt h eq u a l i 哆o fc c a m i c r o s t m c t u r e o b s e r v a t i o n ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n a l y s e sa r et a k e nt oc o m p e n s a t ef o r t h ei n a d e q u a c i e so ft h es i m u l a t i o n t h e ni m p r o v e m e n tp r o g r a mi sr e l a t e dt ot e c h n i c a l f a c t o r sp r o p o s e d s u c ha sq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fr a wm a t e r i a l st i gw e l d i n gq u a l i t y , h e a ti nt h ew i r ed r a w i n gp r o c e s sa n ds o0 1 1 a tt h es a m et i m e ，v a r i a t i o no fp e r f o r m a n c e i so b t a i n e d ：w i t ht h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o n ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t ya r e i n c r e a s i n gt o o f u r t h e rm o r e ，t h e o r yo fr e s i s t i v i t yi sl e s st h a nt h ea c t u a lr e s i s t i v i t y , a n d t h ep h e n o m e n o ni sc a u s e db yi n t e m a ld e f e c t so fc c a ；i n c l u s i o n sb e t w e e nc o p p e rl a y e r a n da l u m i n u mc o r ea f f e c tt h eq u a l i t yo fc o p p e ra n da l u m i n u mc o m b i n a t i o n s u m m a r y , t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o p p e rc l a da l u m i n u m w i r ed r a w i n gt e c h n o l o g ya n dp e r f o r m a n c ea r es t u d i e dt h o u g hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ti i lt h i sp a p e r , a n dt h ev a r i o u sf a c t o r sa r ea n a l y z e d a l lo ft h e s ep r o v i d ea 1 1 i 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 p r a c t i c a lr e f e r e n c ea n dg u i d a n c ef o rt h ew i r ed r a w i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：c o p p e rc l a da l u m i n u mw i r e ，c l a d - d r a w i n gp r o c e s s ， i v n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s ，t h em i c r o s t r u c t u r e s 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 铜包铝线的优越性及应用。2 1 2 1 铜铝物理化学力学性质2 1 2 2 铜包铝线的优越性3 1 2 3 铜包铝线的应用4 1 3 国内外铜包铝线制备工艺研究5 1 3 1 国外工艺研究。5 1 3 2 国内工艺研究7 1 4 包覆焊接拉拔法制备铜包铝线工艺。9 1 4 1 拉拔工艺9 1 4 2 焊接工艺1 2 1 4 3 铜铝固相结合理论1 3 1 5 本文主要研究目的和内容。1 4 第二章金属材料塑性成形数值模拟基本理论和实验可行性分析研究。1 5 2 1 有限元分析的基本思想和理论1 5 2 1 1 有限元简介1 5 2 1 2 有限元法分析计算的思路1 5 2 2 有限元模拟软件d e f o r m 介绍1 6 2 3 包覆拉拔的可行性分析1 7 2 3 1 刚粘塑性有限元法的基本原理1 7 2 3 2 虚功原理1 8 2 3 3 变分原理1 9 2 3 4 包覆拉拔的简化模型可行性分析2 0 2 3 5 模拟拉拔工艺主要影响因素2 1 2 4 塑性加工工艺分析模型2 2 2 5 本章小结2 3 第三章包覆拉拔工艺数值模拟过程及结果分析 3 1 铜包铝线成形的模拟前处理过程。2 4 3 2 拉拔模拟实验过程。2 4 3 2 1 模型建立2 4 3 2 2 网格划分2 5 3 2 3 线坯材料选择，变量的确定及相关属性设置2 5 3 3 实验结果分析2 6 3 3 1 工作锥角度对拉拔过程的影响。2 6 v 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 3 3 2 不同形变量模拟过程的验证2 9 3 3 3 拉拔速率的验证。3 2 3 3 4 摩擦系数的验证3 4 3 3 5 损伤值分析过程。3 5 3 4 拉拔力的理论计算3 7 3 5 本章小结。3 9 第四章包覆焊接拉拔铜包铝线实验 4 1 4 1 实验材料4 l 4 2 包覆焊接拉拔制备铜包铝线实验过程4 1 4 2 1 包覆焊拉拔法基本工艺过程4 1 4 2 2 拉拔模具制备。4 3 4 2 3 实验工艺要点4 4 4 2 4 实验设备4 5 4 3 实验结果及缺陷分析4 5 4 4 本章小结4 6 第五章实验结果与模拟结果的对比分析及铜包铝线性能分析 5 1 实验结果与模拟对比分析4 8 5 1 1 外观检测4 8 5 1 2 标称直径与偏差4 8 5 1 3 铜层厚度比4 8 5 1 4 铜铝粘合性4 9 5 1 5 铜层密实性4 9 5 1 6 拉拔力的验证分析5 0 5 2 铜包铝线性能分析5 1 5 2 1 显微组织观察分析5 1 5 2 2 铜铝固相结合“三阶段”过程5 4 5 2 3 影响铜铝结合的因素5 5 5 2 4 室温拉拔铜包铝线的力学性能5 7 5 2 5 室温拉拔铜包铝线的电学性能6 0 5 3 工艺过程改进措施6 3 5 4 本章小结6 3 第六章结论 展望 参考文献 致谢 硕士期间发表论文 6 5 6 7 6 8 7 2 7 3 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 。随着现代工业技术的发展和各种新技术、新型产业的出现，人们对材料性能 的要求日益增高，同时结合对产品成本的考虑，单一组元的材料性能已经很难满 足要求。因此，研究开发新型的复合材料成为拓展工程应用领域的重要发展方向。 特别是在导电复合材料方面应用更为明显，这样就应运产生了双金属系列的复合 材料。 双金属复合材料是一种集两种金属特点为一体的新型工艺性材料，它利用了 两种金属各自的优点。双金属复合材料上个世纪在国外就得到了很大的发展，上 世纪3 0 年代，德国首先推出了铜包铝复合线材，随后英国、美国、法国、前苏联 等国也相继采用各种不同方法研究双金属复合线材【1 】；1 9 6 6 年英国学者研究出将 带有惰性气体的液态铝或其合金喷射到铜金属表面，然后将金属铝与上述覆有铝 的铜金属在热状态下复合，从而得到铜铝复合材料的复合工艺【2 】。于上世纪7 0 年 代，国外开始生产铜包铝线，现已形成大规模生产，并逐步代替相同尺寸的铜线 作为c a v t 电缆的内芯线【3 1 。我国的双金属复合导线的研制起步较晚，产业化、 商品化是从2 0 世纪9 0 年代开始的，至今在国内已形成一个新兴产业，对我国线 缆行业发展起到了很大的推动作用。 铜包铝线( c o p p e rc l a da l u m i n u m ，c c a ) 是在铝芯线外表面同心包覆铜层，使 两种金属在界面形成原子间的冶金结合而形成的一种双金属复合线材。这是一种 新型双金属复合导电材料，它不仅具有铜的高导电导热性、低接触电阻性和良好 的外观，而且还具有铝的轻质、耐蚀和经济等优点。知道在工频范围内，电信号 的传输具有“集肤效应【4 】，即电信号主要沿导体表层传输，因此芯部材料的导电 性能未得到充分发挥，因而可采用导电性能稍低，但密度很低且与铜有良好相容 性的铝作为芯部填充材料，既不损失其导电导热性能，又能保证其强度与刚度。 目前国内产铜仅6 6 万吨，而铝则达上千万吨，这样对于铜资源贫乏而铝资源相对 丰富的我国，这种“以铝代铜 和“以铝节铜的新技术和新材料，更能显示其 显著的优势和广阔的市场前景。随着国民经济的高速发展，国内铜消费量逐年猛 增，据中国第二大铜生产厂商铜陵有色金属集团报告，2 0 1 0 年铜年消费近6 0 0 万吨， 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 而铜价居高不下，对进1 3 的依赖日趋严重。e l 前国家大力推广新型纯铜芯电缆替 代产品，因此，铜包铝线的应用将变得有意义。 1 2 铜包铝线的优越性及应用 1 2 1 铜铝物理化学力学性质 纯铝的导电性、导热性和耐蚀性良好且铝资源比较丰富，但铝的焊接性，耐 磨性及灭弧性较差。铜具有良好的导电性、导热性及耐磨性，与铝相比，其导电 率更高，其被广泛应用于电工电子、电线电缆、传热等行业。下表为铜铝的这主 要物理性能。 表1 1 铜和铝的物理系数 t a b 1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so fc o p p e ra n da l u m i n u m 铜和铝的化学性能：金属的化学性能指标主要有金属的相对原子质量、原子 半径、原子的外层电子数目、晶格类型、晶格常数等。化学性能是判定两种材料 能否结合的重要依据，下表为铜铝的主要化学性能指标。 表1 2 铜和铝的化学性能 t a b 1 2c h e m i c a lp r o p e r t i e so fc o p p e ra n da l u m i n u m 铜铝的力学性能是决定铜包铝线力学性能的主要因素，因此对铜铝的力学性 能研究也是主要内容，表1 3 是铜铝的力学性能指标。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 铜包铝线的优越性 在导体截面上，直流电和交流电流经截面时其分布形式不同的，直流电通过 导体其电流分布呈均匀分布。而交流电则主要分布于导体表面，且交流电频率越 高，电流越集中于导体表面，导体中心电流密度很小甚至趋于零，这种现象就是“趋 肤效应”。在以工频为主要工作方式的有线电视电线电缆行业其工作频率达上千赫 兹，“趋肤效应”十分明显。若用纯铜线作为电缆的内导体，其截面中心部分没用起 到传输信号的作用。而如果结合铝制成的铜包铝线并满足一定的铜层厚度，一方 面可以实现信号传输作用，另一方可以有效降低成本。高频信号在导体表面的趋 肤深度6 与信号频率f 有关。对于铜导体有： ! 万= 6 7 f 2 ( 1 1 ) 只要所设计的铜包铝线的铜层厚度大于信号的趋肤深度6 ，就不会影响导体的 传输特性。由式1 1 可计算出有线电视系统5 1 0 0 m h z 的趋肤深度6 为0 0 2 9 9 6 一- 0 0 0 6 7 0 m m 。对于同轴电缆内导体铜包铝线能够同时兼备两种金属的优点，它是代 替纯铜制造同轴射频电缆的良好内导体。 在其他方面，首先，铜包铝线缆的密度只是纯铜线缆的3 7 - - - 4 0 1 5 ，直接用 作射频电缆的内导体均可使其重量大幅度降低，便于运输、安装，降低敷设费用； 其次，复合线缆的铜铝截面比一般为1 5 一8 5 6 1 ，可以节约大量稀缺铜资源；第 三，当电缆的外导体采用铝管时，若使用纯铜线作内导体，铜的线膨胀系数为 1 7 x 1 0 。5 c ，而铝的线膨胀系数为2 4 x 1 0 。5 c 。1 。当环境温度发生变化时，由于两 者的线膨胀系数不同，电缆接头易产生芯线伸缩现象。当使用铜包铝线作内导体 时，由于其线膨胀系数为f 2 1 9 2 2 2 ) x 1 0 。5 c 。1 ，与外导体铝管相近，可使其膨胀 3 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 系数和弹性模量与铝管相接近，从而提高了电缆使用的稳定性和可靠性川。第四， 由于铝表面容易氧化，产生氧化膜又极难除去，造成接触电阻大和不能焊锡焊接， 严重影响了铝替代铜的普及率，而铜包铝的开发成功，则扩大了铝的应用网。 1 2 3 铜包铝线的应用 在中低频传输范围内，铜包铝线用于各类漆包线、电源线等，可减轻成品重 量。若加工成直径较小的轻型电磁线，应用于航天航空、仪表线圈、计算机、电 子设备和音响线圈，则成为高附加值导线【们。因此采用优质的铜包铝线电缆来代替 纯铜线电缆有广阔的应用前景【1 0 1 。 据相关资料【1 1 l 显示，目前在上海、深圳等各地有线电视台已经采用了用铜包 铝线为内导体的同轴电缆，实际应用效果表明与纯铜电缆没有区别。c a t v 电缆工 业是铜包铝线的最大应用市场，而我国是c a t v 用户最多的国家，市场前景十分广 阔，随着我国信息技术产业的不管发展，有线电视网络的不断普及及基础建设， 同时还将实现有线电视、电话及计算机网络的三网合一，这将大力推进铜包铝线 的应用。 铜包铝线的潜力革新了汽车电缆和设备电缆的导体应用范耐1 2 1 。在目前铜价 和能源价格居高不下的情况下，经济效益是十分巨大的。铜包铝汽车应急启动线 正在大量生产，这仅是许多可获得巨大经济效益的绞合导体应用的其中一例。铜 包铝不错的电性能使得人们可以用标准的偶数号线规格的铜包铝导体代替相邻较 小偶数规格的铜导体而不会影响电性能，但可以大大减轻重量，以下表为例。 表1 4 铜包铝( c c a ) 与铜( c u ) 电缆的参数比较 t a b 1 4c o p p e r - c o a t e da l u m i n u m ( c c a ) a n dc o p p e r ( c u ) c a b l ep a r a m e t e r s 表中的载流量是一家线束制造商根据内部的p v c 绝缘电缆的温升标准测定 的实际值。表中的其它参数为标称值。相比重量直接减轻了大约有4 0 ，成本也 减低。未来的汽车向着新能源方向发展，在动力运用方面使用电池将会是主流方 向，如果将电池内部铜线缆全部转化成铜包铝线电缆，这重量的减轻效果十分明 显，如下表所示。 4 江苏大学硕士学位论文 表1 5 在汽车线束中用铜包铝线导体代替铜导体可能获得的重量减轻 t a b l 5 t h ew e i g h to f a u t o m o t i v ew i r eh a r l l o s sl o s sb yu s i n gc o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ec o n d u c t o r i n s t e a do fc o p p e rc o n d u c t o r 1 3 国内外铜包铝线制备工艺研究 铜包铝复合导线的制备方法多种多样，根据至目前的研究和生产的应用，其 方法主要包括三大类，一是固相结合法【1 3 1 ，有复合挤压法，轧制法，连续挤压包 覆法，第二类是固相液相复合法，有充芯连铸法，连续铸挤法和铸拉法，以及热 浸镀法；第三类是就是电镀法。本文主要介绍以下几个在铜包铝线中正在运用或 处于研究中的制备方法： 在早期生产铜包铝线主要方法是电镀法和轧制压接法： ( 1 ) 电镀法【1 4 1 用电镀法生产铜包铝线主要工艺过程是通过电还原铜离子将铜电镀在铝杆上， 形成电镀铜层，然后通过拉拔获得铜包铝线缆的方法。此方法较为简便且比较的 原始，主要缺点是铜镀层的成分不纯，铜镀层分布不均匀而铝芯线不同心，质量 很难控制。此方法在生产中属于高能耗高污染生产工艺，目前大规模生产铜包铝 线并不使用，其主要用来修复铜包铝线断裂连接后表面修复和生产特殊类包覆型 线材，如包锡线，此类用量小，可以使用电镀法。 ( 2 ) 轧制压接法【1 5 】 这种方法是将经表面处理的两条铜带从上下两个方向包覆铝芯线，利用轧辊将 铜带和铝芯线压接在一起，然后将铜带接缝的两个凸耳切除形成初始线坯，再拉 拔制成不同线径的铜包铝线，再通过热处理获得最终产品。其产品质量好、生产 效率高及环保问题等优点，但工艺比较复杂且生产成本较高。 1 3 1 国外工艺研究 ( i ) 反向凝固连铸法 1 9 8 9 年德国阿亨大学钢研所、曼内斯曼德马克公司和曼内斯曼研究所三方面 5 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线 生能的影响 合作开始反向凝固法生产薄带的试验【1 6 1 ，反向凝固连铸复合成形原理如图1 1 所 示，低温母带自下而上穿过金属液，包覆金属液附在母带表面凝固，凝固方向是 从里向外，因此称为反向凝固工艺。反向凝固关键技术问题包括：侧封技术；凝 固控制技术；母带预处理技术。反向凝固法主要特点：能够从根本上避免传统凝 固过程中可能出现的中心疏松问题；促进了复合薄带力学性能的提高；采用无结 晶器凝固，降低了生产成本【1 7 1 。 高温薄带 图1 1 反向凝固连铸法原理示意图 f i g 1 1p r i n c i p l es c h e m a t i cp l a no fp r i i l c i 讲ef o rr e v e r s es o l i d i f i c a t i o nc o n t i n u o u sm e t a l ( 2 ) 浇铸挤压法 目前，国外还有尝试采用将铝液浇注到铜管内进行复合形成复合线坯，其名 称为浇铸挤压法【1 8 1 。其工艺过程为：根据挤压模的形状和尺寸，将包覆材料铜预 制成壁厚均匀的管状并填入到经预热的挤压模中，向铜管内浇注芯部材料铝的融 金属，浇注过程采用氩气进行保护，防止金属液体产生氧化。待金属液凝固后进 行挤压加工，获得符合尺寸要求的铜包铝线缆。该工业方法的实际操作上有一定 难度，仍需做进一步的研究。 ( 3 ) 静液挤压法 静液挤压法又称为高压液体挤压法，其工作原理图如图1 2 。制各铜包铝线的 基本原理是将大直径紫铜管坯和纯铝棒制成的复合线坯经静液挤压获得线坯，利 用高静水压力和大加工变形率作用实现铜、铝之间的冶金结合【2 1 捌。此种方法有 6 图1 2 静液挤压法原理示意图 f i g 1 2p r i n c i p l es c h e m a t i cp l a no fp r i n c i p l ef o rh y d r o s t a t i ce x t r u s i o nm e t h o d 1 3 2 国内工艺研究 ( 1 ) 包覆焊接拉拔法 该生产工艺是目前国内生产铜包铝线的主要方法，以江苏省张家港市江苏盛天 实业有限公司为例，该公司的铜包铝系列产品包括铜包铝母线、铜包铝镀锡线、 铜包铝镁母线、铜包钢线等等。产品广泛应用于有限电视信号传输、大容量通讯 网络信号传输、控制信号电缆、轻体车辆电缆、焊接电缆、紧急移动电缆、电视 机激励线圈、偏转线圈、镇流器线圈等方面。 包覆焊接拉拔法工艺过程首先是对铜带和铝芯线进行彻底清洗，并且对铜铝接 触面进行打磨，然后放入包覆焊接箱中，在包覆机的作用下，使铜带沿纵向逐步 形成圆管状同时包覆在铝芯线周围【2 3 】。再采用氩弧焊将铜管的纵缝焊接起来形成 线坯。最后经过多道次拉拔形成铜包铝线，软态线再经过热处理。这样在实现铜、 铝界面良好的固相冶金结合而获得规格直径和力学性能的导线。其工艺流程：原 材料的预处理- 包覆焊接线坯一拉拔_ 检测_ 热处理( 软态) - 成品。 此种方法相对其他方法，成本低、工艺要求低，因此成为目前国内生产铜包铝 的主要方法，与其相似的工艺方法还有连续挤压包覆法【2 4 ，2 5 1 ，两者区别在于前者 是拉拔成丝，后者是挤压成丝。 7 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 图1 3 铜包铝线包覆焊接装置结构简图 f i g 1 3s i m p l es t r u c t u r eo fw e l d i n gd e v i c ef o rc o p p e r - c l a da l u m i n u mc a b l e ( 2 ) 填芯连铸复合法 国内有采用填芯连铸复合法【2 6 】，如图1 4 所示。 a 1 圆筒 图1 4 填芯连铸法原理示意图 f i g 1 4p r i n c i p l es c h e m a t i cp l a no fp r i n c i p l ef o rf i l l e rc o r ec o n t i n u o u sm e t a l 北京科技大学谢建新等开发了适合于包覆材料熔点远高于芯材的复合材料连 铸直接成形工艺【2 7 捌。该工艺方法是将连铸外层金属材料铜的管状坯壳，在坯壳 温度降低到一定程度时充填芯部金属液，通过两种元素间的相互扩散或中间反应 将两种金属材料结合为一体，实现复合过程，如图1 4 所示。对于采用填芯连铸复 合法制备铜包铝复合线坯的试验研究结果表明，包覆金属层与芯部金属的熔化温 度、连铸拉坯速度的正确控制与合理搭配，是实现复合坯顺利成形的关键f 2 9 , 3 0 l 。 该工艺避免了空气对线坯的氧化，解决了其它包覆成形制造工艺中芯材或包覆层 预处理过程复杂，保证铜铝之间的复合层质量。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 包覆焊接拉拔法制备铜包铝线工艺 1 4 1 拉拔工艺 1 拉拔分类 拉拔实际上是指原材料在外力的作用下，迫使其通过模孔，以获得相应形状 制品的塑性加工工艺方法，拉拔是管材、棒材、型材以及线材的主要生产方式之 一o 按制品截面形状分为：实心材拉拔与空心拉拔。 2 拉拔法的优缺点 拉拔与其他压力加工方法相比具有以下一些优缺点： ( 1 ) 拉拔制品的尺寸精度高，表面光洁； ( 2 ) 拉拔生产的工具与设备简单，维护方便，在一台设备上可以生产多个品 种与规格的制品； ( 3 ) 拉拔道次形变量两次退火间的总形变量受到拉拔应力的限制，道次加工 率在2 0 6 0 ； ( 4 ) 最适合连续高速生产断面非常小的长制品。 3 拉拔力 ( 1 ) 被加工金属的性质对拉拔力的影响 拉拔力与被拉拔金属的抗拉强度成线性关系，抗拉强度越高，拉拔力愈大。 图1 5 是表示由直径2 0 2 m m 拉到1 6 4 m m ，即以3 4 的断面见缩率拉拔铜铝及其 他金属圆线时所存在的这种关系。 ( 2 ) 变形程度对拉拔力的影响 拉拔应力与变形程度有正比关系，随着断面减缩率的增加，拉拔应力增大。 ( 3 ) 摩擦与润滑对拉拔力的影响 拉拔过程中，金属与工具之间的摩擦系数大小对拉拔力有着很大的影响。润 滑剂性质、润滑方式、模具材料、模具材料、模具和被拉材料的表面状态对摩擦 力大小皆有影响。下表为不同润滑剂和摸子材料对拉拔力的影响，在其他条件相 同的情况下，使用钻石模的拉拔力最小，硬质合金次子，钢模最大。这是因为模 9 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 具材料越硬，抛光的越良好，金属越不易发生粘结工具，摩擦力就越小。 3 0 0 2 5 0 星z r 恻1 5 0 瓢 轺 辐1 0 0 5 0 一- i 一夕| | 4 ； ：7 ；。l； 夕 2 j 。 1 u u2 0 03 u u4 u o5 0 0 控拔虚力口l ，m p a 图1 5 金属抗拉强度与拉拔应力之间的关系 1 铝；2 铜；3 青铜；4 - h 7 0 ：5 含9 6 铜3 镍的合金 f i g 1 5r e l a t i o n s h i po fm e t a lt e n s i l es t r e n g t ha n dd r a w i n gs t l - e 8 8 1 - a l u m i n u m ；2 - c o p p e r ；3 - b r o n e ；4 - h 7 0 ；5 - a l l o yw i t hc o p p e r ( 9 6 ) a n dn i c k e l ( 3 ) 下表为常态下各种润滑剂与模子材料对拉拔力的影响实验结果。 表1 6 润滑荆与模子材料对拉拔力影响的实验结果 t a b 1 6t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fl u b r i c a n ta n dm o l dm a t e r i a l so nt h ed r a w i n gf o r c e 金属与合金坯料直径加，t 率( ) 模子材料润滑剂 拉拔力f n ) 铝 2 02 3 4 碳化钨固体肥皂1 2 7 5 钢固体肥皂2 3 5 4 黄铜2 02 0 1 碳化钨钢固体肥皂1 9 6 1 植物油 3 1 3 8 磷青铜0 6 51 8 5 碳化钨固体肥皂1 4 7 0 碳化钨植物油2 5 5 0 b 2 01 1 22 0 碳化钨固体肥皂1 5 6 9 碳化钨植物油1 9 6 1 钻石固体肥皂1 4 7 0 钻石植物油1 5 6 9 一般润滑方法所形成的润滑膜较薄，未脱离边界润滑的范围，摩擦力依旧较 大，近几年来拉拔时采用了流体动力润滑方式，可使材料和模子表面间的润滑膜 增厚，实现流体摩擦。单模流体动力润滑又称为克里斯托弗松管润滑。管子与坯 料之间具有狭窄的间隙，借助于运动的坯料和润滑剂的黏性，使模子入口处的润 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 反拉力对拉拔力的影响 反拉力的影响如图1 6 所示。 q 图1 6 反拉力对拉拔力的影响 f i g 1 6e f f e c to fr e v e r s et e n s i o no nd r a w m gf o r c e 随着反拉力q 值的增加，模子所受到的压力m a 近似直线下降，拉拔力弓逐 渐增加。但是，在反拉力达到临界反拉力q c 值之前，对拉拔力几乎无影响。临界 反拉力或临界反拉应力。筘值的大小主要与被拉拔材料的弹性极限和拉拔前的预 变形有关，而与该道次的加工率无关。弹性极限和预先变形程度越大，则临界反 1 1 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 拉力也越大。利用这一点，将反拉应力值控制在i 临界反拉应力值范围以内，可以 在不增大拉拔应力和不减小道次加工率的情况下减小模子入口处金属对模璧的压 力磨损，从而延长了模子的使用寿命。 在临界反拉应力范围内，增加反拉应力对拉拔应力无影响的原因可作如下解 释。随着反拉应力的增加，模子入口处的接触弹性变形区逐渐减小。于此同时， 金属作用于模孔壁上的压力减小，继而使摩擦力也相应减小，摩擦力的减小值与 此时反拉力值相当，故拉拔力并不增加。当反拉力值超过临界反拉力应力，将改 变塑性变形区内的应力q ，q 的分布，使拉拔应力增大。 4 实现拉拔过程条件 在拉拔过程，如果拉拔应力大于材料出模i ：1 的屈服强度，就会引起制品出现 细经或被拉断，因此需满足： 吒= 鲁 吒 ( 1 - 2 ) 式中：西：作用早被拉金属出模口横断面上的拉拔应力； 只：拉拔力； e ：被拉金属出模e l 横断面积； q ：金属出模后的变形抗力。 1 4 2 焊接工艺 在包覆焊接拉拔生产铜包铝线工艺中，焊接方法采用高频振荡脉冲氩弧焊， 焊接过程中在氩气的保护下，钨针直接对铜缝进行焊接，不需要添加金属。脉冲 电弧在焊接过程中式间断的，金属的加热和融化亦是脉冲间断的。焊缝金属在脉 冲电流作用下融化，形成熔池，最终凝固冷却，焊接质量表面好。焊接过程中要 注意以下要点： ( 1 ) 保证原材料铜质量，焊接过程中氩气通入充足，防止外界气体或铜内含 的氧对焊缝造成氧化； ( 2 ) 控制焊接电流、钨针与铜缝的距离以及焊接移动速度，以防止焊缝被烧 江苏大学硕士学位论文 穿； ( 3 ) 在焊接前调整好辊轮位置，焊接过程中将钨极尖端与焊缝的相对位置调 整好，以防止焊缝偏向一侧。 1 4 3 铜铝固相结合理论 铜包铝线的主要质量检验标准之一就是铜层和铝芯的结合效果，实际拉拔制 备出的铜包铝母线在未经退火工艺阶段之前就要求达到铜铝的充分结合。这涉及 到了铜铝异种金属之间的结合理论。 ( 1 ) 宏观结合机理 冷加工异种金属的固相结合工艺以其优点在很多地方都得到了应用，但其结 合的机理十分复杂。目前，从实验的角度来讲，就是丹麦的cc l e m e n s e n ，o j u e l s t o r p 和nb a y t 3 1 】提出的异种结合成形模型。他们运用s e m 电镜技术对固相 结合表面剥离后进行了观察分析。cc l e m e n s e n 等人认为：固相结合的宏观过程 包括四个过程：一、异种金属表面在外界压力的作用下，表层金属氧化膜破裂； 二、表面扩展导致纯净异种金属纯洁净面裸露；三、法相压力将基材压入氧化膜 裂缝中；四、异种金属被激活而实现两者间的真实结合。 从铜包铝的拉拔生产过程来看，很符合这一宏观学说。在多道次的拉拔中， 铜铝表面被挤破的氧化膜缝隙的金属结合面积愈来愈大，最终氧化膜被挤出了界 面，铜铝洁净基体材料相互充分接触后在强大的外界压力下形成稳固的连接。 ( 2 ) 微观学说 异种金属固相结合微观理论研究主要有以下几种学说 金属键理论1 3 2 1 ：m m b u r t o n t 认为两种金属的原子足够接近且达到原子间吸 引发挥作用就能形成金属键。在物理学的角度上提出了较为合理的异种金属结合 机理。但并没有定量的提出实现这一结合的具体条件。 能量学谢3 3 1 ：西苗诺夫认为引异种金属间相互结合的条件不是原子的扩散， 而是金属原子所含有的能量。在通常情况下，理想单晶体有的能量很低，而要到 达实现金属结合的这一能量就称为激活能。因此，需要外界提供这一能量来消除 两种金属间的界面。 扩散理论1 3 4 1 ：卡扎克夫认为，在金属物理接触面区域中存在着很薄的互扩散 包覆拉拔工艺的数值模拟及对铜包铝线性能的影响 区，正是这一扩散区保证了良好的金属的良好结合性。而一般来讲在室温下，扩 散作用很小，只有在高温下扩散作用才明显，且扩散需要一个过程。 此外还有再结晶理论【3 5 1 ，薄膜理论【婀等等，都分别从不同的角度对异种金属 的结合进行了描述解释，但到目前为止，还没有一个理论能够完全解释这一结合 机理，有待进一步研究。 1 5 本文主要研究目的和内容 本文主要基于包覆焊拉拔法基本实验方法，以d e f o r m 为有限元分析