王學(xué)平， 蔡西川， 何大海

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201805)

0 引言

銅包鋁母線(亦稱銅包鋁排、銅鋁復(fù)合排)是一種以鋁芯為基體，銅層完全包覆在鋁芯表面的雙金屬復(fù)合材料。銅包鋁母線作為銅母線的替代材料，主要利用了鋁基體的導(dǎo)電性能以及表面銅層優(yōu)良的散熱性能，而且其端部連接與銅母線類似，在開關(guān)柜、母線槽等設(shè)備中作為載流導(dǎo)體使用。在我國“以鋁節(jié)銅”的發(fā)展背景下，特別是近年來，在銅資源緊缺以及銅價高企的情況下，銅包鋁母線在電工領(lǐng)域的用量呈現(xiàn)出較快增長趨勢。

本文對銅包鋁母線機(jī)械性能、電氣性能及界面結(jié)合性能等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的影響因素進(jìn)行了分析，介紹當(dāng)前國內(nèi)銅包鋁母線的幾種制備方法及主要過程，并對其特點(diǎn)進(jìn)行簡要分析與比較。此外結(jié)合當(dāng)前銅包鋁母線工藝存在的一些問題，指出了銅包鋁母線的制備技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 銅包鋁母線的主要性能及影響因素

銅包鋁母線是一種以鋁芯為基體的雙金屬界面復(fù)合材料，兼顧了銅和鋁導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)。雖然銅包鋁母線已替代銅母線在母線槽及開關(guān)柜中有大量的應(yīng)用，但銅包鋁母線機(jī)械性能及電氣性能與銅母線還是有明顯的區(qū)別，特別是銅鋁結(jié)合性能直接決定了銅包鋁母線的使用安全性及使用壽命。

1.1 機(jī)械性能

在開關(guān)柜和母線槽中，銅包鋁母線作為載流導(dǎo)體需承受短路電流以及非正常工作情況下的非穩(wěn)定狀態(tài)機(jī)械應(yīng)力。由于導(dǎo)體在母線槽或開關(guān)柜中排列的間隔距離較小，所以對導(dǎo)體的強(qiáng)度有一定的要求，特別是在固定距離較長時，導(dǎo)體的強(qiáng)度要求更高。另外銅包鋁母線在實(shí)際應(yīng)用時，還需要進(jìn)行折彎、沖孔、剪切等加工，因此大多數(shù)直接軋制或拉拔后的母線成品還需要進(jìn)行退火處理，以同時滿足強(qiáng)度和設(shè)備組裝要求。

銅包鋁母線的抗拉強(qiáng)度要求應(yīng)由開關(guān)柜或母線槽等成套設(shè)備的短路試驗(yàn)確定。由于銅包鋁母線的制備工藝有多種，中間加工過程也各不相同，所以退火前的產(chǎn)品狀態(tài)有明顯差異。銅包鋁母線產(chǎn)品最終的機(jī)械性能是由成品退火工藝來控制的，因?yàn)殂~的再結(jié)晶溫度比鋁高很多，在退火過程中，鋁芯部分的加工應(yīng)力已基本消除，而表面銅層仍保持較高強(qiáng)度。在銅包鋁母線的退火工藝中，除了對退火溫度及時間控制外，還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍夥毡Ｗo(hù)，以避免母線表面形成明顯的氧化層。

1.2 電氣性能

作為載流導(dǎo)體，銅包鋁母線的電氣性能是開關(guān)柜及母線槽設(shè)計(jì)者及用戶最為關(guān)注的問題。在其他條件一致的情況下，隨著加載電流的增大，銅包鋁母線導(dǎo)體的溫度將會上升。當(dāng)周圍空氣溫度不超過40℃時，開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的任何部分的溫升極限值為65 K［1］。在這些設(shè)備中，發(fā)熱體為導(dǎo)體材料，導(dǎo)體的發(fā)熱與其本體材料的電阻率(或?qū)щ娐?直接相關(guān)。

銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導(dǎo)體組成，由于銅和鋁的電阻率有明顯的差異，因此銅和鋁各自所占體積比將直接決定銅包鋁母線的電阻率。銅所占體積比越大，銅包鋁母線的電阻率越小，同等條件下的載流能力越大。從使用者角度來說，在保證銅包鋁母線其他性能并滿足設(shè)備載流要求時，選用較小銅層體積比的母線是比較經(jīng)濟(jì)的。而對于銅包鋁母線的生產(chǎn)廠家來說，銅層體積比越低，其制造難度越大，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也更難保證。

銅層體積比一直是銅包鋁母線行業(yè)內(nèi)爭議較大的問題。由于當(dāng)前銅包鋁母線各種不同制造工藝自身的局限性，不同工藝制備的銅包鋁母線銅層體積比有較大差異，制造成本也有明顯區(qū)別，這造成了銅包鋁母線市場競爭較為混亂的局面。另外，不同銅層體積比的銅包鋁母線載流能力不同，用戶和設(shè)計(jì)者也較難準(zhǔn)確地選擇銅包鋁母線導(dǎo)體，這也是困擾銅包鋁母線行業(yè)發(fā)展的最主要原因之一。

1.3 界面結(jié)合性能

銅包鋁母線的結(jié)合性能用界面結(jié)合強(qiáng)度來評價，界面結(jié)合強(qiáng)度的高低是判定銅包鋁母線質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。只有當(dāng)銅鋁之間可靠結(jié)合后，銅包鋁母線才能以完整導(dǎo)體作為載流導(dǎo)體使用。特別是在端部與其他導(dǎo)體或設(shè)備連接時，銅包鋁母線必須為完整導(dǎo)體才能保證過渡或連接的可靠性。另外，在實(shí)際使用時，銅包鋁母線的界面可能會因?yàn)殂~和鋁熱膨脹系數(shù)的顯著差異而發(fā)生分離，因此只有當(dāng)銅包鋁母線形成穩(wěn)定可靠的界面結(jié)合后，才能保證其在開關(guān)柜、母線槽或其他設(shè)備中的使用壽命達(dá)到要求。

銅包鋁母線的界面特性與制造工藝有直接關(guān)系。不同工藝生產(chǎn)的銅包鋁母線，其界面結(jié)合方式及機(jī)理有顯著區(qū)別。銅包鋁母線的界面結(jié)合主要有兩種機(jī)理:一種是銅鋁界面僅通過金屬原子之間的擴(kuò)散形成結(jié)合;另一種是銅鋁之間以中間相化合物的形式形成結(jié)合。從國內(nèi)當(dāng)前的制備工藝來看，大多為第二種結(jié)合機(jī)理形式。根據(jù)銅鋁二元相圖及界面分析，銅包鋁母線中常見的中間相金屬間化合物包括CuAl2、CuAl、Cu9Al4等。由于金屬間化合物多為脆性相，且電阻率較大，較厚的中間相過渡界面對于銅包鋁母線的界面結(jié)合及電氣性能是有損害的。通過變形及熱處理工藝的控制，既能使銅鋁之間通過金屬原子的擴(kuò)散形成有效結(jié)合，又能抑制中間相化合物的過量生成。

2 銅包鋁母線的制備方法

銅包鋁母線是由銅和鋁兩種導(dǎo)體材料組成，其制備方法與單一金屬導(dǎo)體母線有較大差異。銅包鋁母線制備的關(guān)鍵技術(shù)在于通過合理設(shè)計(jì)銅層體積比使其滿足設(shè)備電氣性能要求，并通過工藝控制使銅鋁兩種材料之間形成有效結(jié)合。下面簡要介紹國內(nèi)當(dāng)前幾種制備銅包鋁母線的方法及主要生產(chǎn)過程。

2.1 包覆焊接法

包覆焊接法是一種制備銅包鋁圓線的成熟工藝。在采用該方法制備銅包鋁母線時，其原理與制備銅包鋁圓線基本一致。在鋁桿與銅帶表面處理后，在保護(hù)氣氛下將銅帶進(jìn)行焊接，完成包覆過程，后續(xù)加工過程包括拉拔，軋制和退火等，其制備過程示意圖如圖1所示。

圖1 包覆焊接法生產(chǎn)過程示意圖

銅包鋁母線的截面比銅包鋁圓線材要大得多，其最大規(guī)格已達(dá)到20 mm×200 mm(厚度×寬度)。由于鋁桿坯料的直徑受到一定限制，在使用包覆焊接法生產(chǎn)銅包鋁母線時，生產(chǎn)較大規(guī)格特別是10 mm×100 mm(厚度×寬度)及以上規(guī)格的銅包鋁母線時會有較大困難，這也是該方法制備銅包鋁母線的最大局限性。

2.2 套管法

從原理上來講，套管法是一種較為簡單的制備銅包鋁母線方法。其主要過程是先采用預(yù)制鋁棒和銅管制備銅包鋁母線坯;然后將坯料進(jìn)行拉伸，使鋁棒和銅管之間無間隙;再經(jīng)過軋制或拉拔、退火及表面處理等工藝來完成整個過程。其主要生產(chǎn)過程如圖2所示。

圖2 套管法生產(chǎn)過程示意圖

目前國內(nèi)大多數(shù)廠家均采用這種工藝，由于在母線坯變形過程中需要加熱處理，套管法的生產(chǎn)過程是非連續(xù)的。套管法制備銅包鋁母線的工藝步驟比較靈活，不同廠家在母線坯變形時，加工方式也有所區(qū)別;而且不同規(guī)格的銅包鋁母線其工藝控制參數(shù)也不盡相同。從國內(nèi)采用套管法生產(chǎn)的銅包鋁母線產(chǎn)品質(zhì)量來看，銅層厚度均勻性以及銅鋁之間的結(jié)合性能有很大差異。因此如何保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，特別是保證銅層和鋁芯之間的可靠結(jié)合，是采用套管法制備銅包鋁母線所需要解決的問題。

2.3 半連續(xù)澆鑄法

半連續(xù)澆鑄法是在預(yù)制銅管中澆鑄熔融態(tài)鋁液，快速冷卻后形成銅包鋁母線坯，然后經(jīng)過后續(xù)的軋制、退火及表面處理過程。其生產(chǎn)過程如圖3所示。

圖3 半連續(xù)澆鑄法生產(chǎn)過程示意圖

與前面兩種制備銅包鋁母線坯的方式不同，半連續(xù)澆鑄法形成銅包鋁母線坯的鋁芯與銅層之間沒有間隙。由于鋁液在澆鑄時的溫度達(dá)到700℃，在短時高溫條件下，銅及鋁金屬原子會以擴(kuò)散的方式形成過渡層，并形成一定厚度的中間相化合物，所以在該過程中，銅鋁之間已形成初步結(jié)合。半連續(xù)澆鑄法可以采用較大規(guī)格的銅管，因此這種方式特別適合于生產(chǎn)較大規(guī)格(如10 mm×100 mm以上)的銅包鋁母線。

2.4 連續(xù)鑄造法

連續(xù)鑄造法也稱為雙流法。從理論上講，連續(xù)鑄造法是一種可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)大長度銅包鋁母線生產(chǎn)的方法。該方法的主要過程是，先在鑄模中澆鑄銅液并迅速冷卻形成銅管;然后再將熔融態(tài)鋁液澆入銅管中并冷卻，形成銅包鋁母線坯，母線坯的后續(xù)加工過程與半連續(xù)鑄造法基本相同。

與其他三種方法相比，連續(xù)鑄造法的生產(chǎn)過程最為復(fù)雜。該工藝的難點(diǎn)在于銅液和鋁液的連續(xù)澆鑄及冷卻控制。在制備母線坯時，一方面在銅液形成銅管時應(yīng)進(jìn)行較快的冷卻速度控制，避免鋁液直接跟銅熔體反應(yīng);同時也需保證鋁液的連續(xù)澆鑄，避免出現(xiàn)鋁芯鑄造缺陷。一般來說，采用鑄造法(包括連續(xù)鑄造法和半連續(xù)鑄造法)生產(chǎn)銅包鋁母線時，因母線坯的銅層厚度較厚一些，故銅層體積比與其他方法相比也要大一些。從目前國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量來看，連續(xù)鑄造法還有較多需待完善的地方。

2.5 Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶復(fù)合軋制法

該方法的主要生產(chǎn)過程是先采用Conform連續(xù)擠壓制備鋁芯基體，再將銅帶包覆焊接形成線坯，然后直接經(jīng)過軋制和后續(xù)處理，其生產(chǎn)過程示意圖如圖4所示。

圖4 Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶法生產(chǎn)過程示意圖

與傳統(tǒng)的包覆焊接法最大的區(qū)別在于鋁基體的不同，傳統(tǒng)的包覆焊接法是直接以鋁棒(桿)作為線坯，而該方法是利用Conform方式擠出熱態(tài)鋁芯，并快速完成包覆焊接和軋制過程，從而保證銅鋁之間的穩(wěn)定結(jié)合。與傳統(tǒng)的包覆焊接法比較，這種方法不需要中間加熱過程，充分利用鋁連續(xù)擠壓的熱加工狀態(tài)，完成等溫態(tài)的軋制過程，且能實(shí)現(xiàn)銅包鋁母線的大長度連續(xù)生產(chǎn)。

3 銅包鋁母線制備技術(shù)比較及發(fā)展趨勢

3.1 銅包鋁母線制備技術(shù)比較

銅包鋁母線在國內(nèi)已有十多年的發(fā)展歷史，從其過程來看，該產(chǎn)品的發(fā)展較為緩慢，其主要原因還是銅包鋁母線的制備技術(shù)有待進(jìn)一步的提高和完善。雖然銅包鋁母線的制備工藝有多種，但每種方法都存在一定的局限性，表1簡要比較了銅包鋁母線幾種不同制備工藝的特點(diǎn)。

表1 銅包鋁母線制備工藝特點(diǎn)比較

3.2 銅包鋁母線制備技術(shù)發(fā)展趨勢

銅包鋁母線作為一種以鋁節(jié)銅的導(dǎo)體材料，在當(dāng)前國內(nèi)銅資源短缺的背景下一直受到關(guān)注。無論是從裝備還是制備工藝來看，近年來銅包鋁母線的制備技術(shù)都有顯著進(jìn)步。銅包鋁母線的制備技術(shù)發(fā)展應(yīng)結(jié)合其產(chǎn)品質(zhì)量及使用要求，重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)。

(1)銅層體積比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

銅層體積比是銅包鋁母線最為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)之一，銅層體積比直接決定了銅包鋁母線的電氣性能。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，銅包鋁母線的銅層體積比最小值為18%［2，3］，這是結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)銅包鋁母線生產(chǎn)的綜合水平考慮的。銅層體積比越小，制備過程相對復(fù)雜，銅鋁界面結(jié)合較難控制。當(dāng)前銅包鋁母線產(chǎn)品對于銅層體積比的規(guī)定有較大爭議，這主要是由于不同制備工藝引起的。

相對于鑄造法，包覆焊接法和套管法制備的銅包鋁母線其銅層體積比可以更小，其成本相對也更低。從用戶角度來講，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的電氣性能要求來選擇合適銅層體積比的銅包鋁母線;而對于制造廠家來講，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)工藝特點(diǎn)來設(shè)計(jì)銅層體積比，在滿足電氣性能要求的條件下，對銅層體積比的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。

(2)生產(chǎn)過程自動化程度

從當(dāng)前國內(nèi)銅包鋁母線的實(shí)際生產(chǎn)水平來看，大多數(shù)生產(chǎn)工藝的步驟較多，生產(chǎn)自動化程度較低。特別是成型過程中進(jìn)行熱處理時還需要大量的人工輔助工作，存在安全隱患。提高銅包鋁母線的生產(chǎn)過程自動化程度是該行業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題，國內(nèi)有一些廠家在這方面已有了較大的進(jìn)步。如在采用半連續(xù)澆鑄工藝時，國內(nèi)已有廠家實(shí)現(xiàn)了從坯料到成品的自動化過程;采用Conform連續(xù)擠壓鋁芯基體在線包覆焊接銅帶復(fù)合軋制法時，也實(shí)現(xiàn)了從坯料直接到成品的自動化過程。銅包鋁母線生產(chǎn)線的自動化程度越高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性也越容易控制，產(chǎn)品的成本也越低，從而更能體現(xiàn)出銅包鋁母線產(chǎn)品的競爭力。

4 結(jié)束語

銅包鋁母線在國內(nèi)的生產(chǎn)和應(yīng)用已有近十年的時間，總的來說銅包鋁母線的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都有明顯提高，產(chǎn)品應(yīng)用范圍和用量也呈現(xiàn)出增長趨勢。特別是銅包鋁母線相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對于規(guī)范銅包鋁母線產(chǎn)品質(zhì)量和促進(jìn)該行業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

銅包鋁母線的行業(yè)發(fā)展需要母線生產(chǎn)廠家、使用者和設(shè)計(jì)人員的共同努力。對于用戶和設(shè)計(jì)人員來講，在采用銅包鋁母線替代銅母線時，應(yīng)清楚認(rèn)識到兩者之間電氣性能的差異，以正確選用合適規(guī)格的銅包鋁母線。而對于生產(chǎn)廠家而言，應(yīng)根據(jù)銅包鋁母線電氣性能要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)銅層體積比，保證銅鋁界面之間的可靠結(jié)合，并不斷提高生產(chǎn)過程的自動化水平。

［1］GB/T 11022—1999 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求［S］.

［2］JB/T 11599—2013 電工用銅包鋁母線［S］.

［3］DL/T 247—2012 輸變電設(shè)備用銅包鋁母線［S］.