銅包鋁線是線纜行業(yè)貫徹“以鋁節(jié)銅”方針，創(chuàng)建資源節(jié)約型社會(huì)戰(zhàn)略目標(biāo)的重要材料。要使銅包鋁線真正發(fā)揮“以鋁節(jié)銅”的效果，首先必須生產(chǎn)出滿足《銅包鋁線》（GB/T 29197—2012）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的力學(xué)性能、電學(xué)性能及其他物理化學(xué)性能的產(chǎn)品。如果所生產(chǎn)的銅包鋁線其銅層與鋁芯不能牢回結(jié)合，極易剝離或斷裂，各項(xiàng)性能指標(biāo)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，不僅浪費(fèi)了寶貴的銅、鋁金屬材料，而且使用中極易造成安全事故，那還奢談什么“以鋁節(jié)銅”。

我國(guó)銅包鋁線的生產(chǎn)已有二十多年歷史。多年來(lái)有關(guān)企業(yè)、院校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)銅包鋁線的基礎(chǔ)理論及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了深入研究和探討，為提高銅包鋁線的質(zhì)量奠定了理論基礎(chǔ)。本文通過(guò)分析這些研究成果，將其分別歸納到銅包鋁線各項(xiàng)生產(chǎn)工序的操作工藝中，以便操作人員在銅包鋁線基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，熟練掌握每個(gè)生產(chǎn)工序的工藝性能，以獲得整體質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品。

1 銅包鋁線工藝性能的概念

銅包鋁線與其他金屬材料一樣，在加工成型的各個(gè)生產(chǎn)工序中應(yīng)具備的適應(yīng)加工的性能，稱為工藝性能。

銅包鋁線的生產(chǎn)方法有多種。我國(guó)大多數(shù)企采用包覆焊接法生產(chǎn)方式。其生產(chǎn)工藝流程及各工序的工藝性能如表1所列。

2 銅包鋁線坯制備過(guò)程中的工藝性能——銅鋁界面的可結(jié)合性

2.1 可結(jié)合性的意義

為了保證銅包鋁線能夠順利進(jìn)行后續(xù)加工并在使用過(guò)程中具有良好特性，必須使銅、鋁界面上原子結(jié)合在一起，形成一個(gè)整體。這是對(duì)銅包鋁線質(zhì)量最基本的要求。這種特性在物理上稱為“冶金結(jié)合”，在工藝性能上稱為“可結(jié)合性”。

研究表明，影響銅鋁界面可結(jié)合性的關(guān)鍵因素，是銅帶與鋁桿表面在大氣中產(chǎn)生的氧化膜。特別是鋁極易氧化，其表面在室溫下形成的三氧化二鋁（Al2O3）薄膜，硬度高達(dá)1 800HV，是純鋁的80多倍[1]。因此在包覆焊接工序中，必須清除銅帶與鋁桿表面的氧化物，以消除可結(jié)合性的障礙。

銅帶與鋁桿表面氧化物清除的程度與銅包鋁線包覆焊接生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)及其操作方法有關(guān)。在我國(guó)自行設(shè)計(jì)的包覆焊接生產(chǎn)線上，將經(jīng)過(guò)拉拔整徑的鋁桿，通過(guò)扒皮模扒去表面的氧化層，與經(jīng)過(guò)清洗和刷洗的銅帶一起進(jìn)入氬氣保護(hù)的包覆焊接裝置中。在該裝置中銅帶圍繞鋁桿被多對(duì)輥輪軋制成封閉的圓管狀，然后用氬弧焊將圓管的縱縫連續(xù)焊接，形成線坯。并將線坯在氬氣保護(hù)下進(jìn)行縮徑，以防線坯纏盤(pán)后界面上的金屬再次遭受氧化。為銅包鋁線的可結(jié)合性創(chuàng)造了條件。

2.2 拉拔過(guò)程中銅鋁界面結(jié)合的機(jī)理

銅包鋁線坯在拉拔過(guò)程中銅層與鋁芯界面的原子在拉拔模法向壓力作用下，相互擠壓而緊密接觸。當(dāng)兩者的間距達(dá)到原子間引力所能作用的范圍時(shí)，便依靠鍵合力而牢固結(jié)合在一起。這是一種理想的結(jié)合過(guò)程。實(shí)際上銅和鋁表面的氧化物雖然在包覆焊接過(guò)程中進(jìn)行了清理，但不可能十分徹底，并有可能還會(huì)產(chǎn)生一層新的氧化膜。銅、鋁界面上的這些硬脆氧化膜將成為拉拔時(shí)金屬原子直接接觸和結(jié)合的障礙。

丹麥學(xué)者N.Bay[2]認(rèn)為，這種硬脆的氧化膜在拉拔壓力作用下會(huì)形成無(wú)污染的高真空裂口，將基體中純凈的活性金屬擠入裂口中，與對(duì)方基體金屬接觸，通過(guò)金屬鍵促使界面上金屬原子相結(jié)合。

圖1所示為拉拔面縮率ε約30%時(shí)，界面金屬尚未完全結(jié)合時(shí)銅層與鋁芯剝離面的掃描電鏡形貌。其表面的白色撕裂棱，顯示了界面上硬脆的金屬化物表面產(chǎn)生裂口及基體中純凈的銅或鋁分別擠入裂口中的形貌。隨著拉拔變形量的增加，界面上裂口增多，形成大量鍵合點(diǎn)，使界面牢固結(jié)合。這種“裂口機(jī)制”揭示了銅、鋁界面雖然存在硬脆的氧化膜，但在拉拔過(guò)程中仍具有可結(jié)合性的本質(zhì)。

但是，如果銅、鋁表面產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，例如，包覆了鋁芯的銅管在用氬弧焊焊接其縱縫的過(guò)程中，若氬氣供應(yīng)量不足，或滲入了空氣，則在高溫下銅、鋁表面極易氧化形成較厚的氧化膜，其厚度可達(dá)數(shù)微米，致使“裂口機(jī)制”難以發(fā)揮作用，拉拔截面縮減率再大，界面也結(jié)合不了，從而造成廢品。

2.3 衡量銅鋁界面可結(jié)合性的指標(biāo)及可結(jié)合性的試驗(yàn)方法

用該工藝制備的銅包鋁線坯，銅鋁界面的可結(jié)合性必須在下一道拉拔工序中，通過(guò)對(duì)銅包鋁線坯縮徑后，用下列簡(jiǎn)易試驗(yàn)方法來(lái)鑒別。截取一小段銅包鋁線用手或手鉗將其進(jìn)行反復(fù)彎曲折斷，觀察斷口宏觀形貌。如果銅層緊密包覆鋁芯，如圖2（a）所示，表明結(jié)合良好；如果斷口上銅層支開(kāi)，如圖2（b）所示，則表明未實(shí)現(xiàn)結(jié)合。

銅鋁界面可結(jié)合性的指標(biāo)，可用線材結(jié)合時(shí)橫截面面積的縮減率ε數(shù)值來(lái)衡量。例如，用智能型包覆焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)的直徑14mm線坯，拉拔至直徑10mm時(shí)，銅鋁界面就結(jié)合了，可以計(jì)算出其線坯的橫截面積縮減率為50%。

但若使用焊管機(jī)改裝的包覆焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)直徑10mm線坯時(shí)，由于對(duì)銅帶和鋁桿表面的氧化物難以徹底清理，并在包覆后銅鋁界面還會(huì)再次遭受氧化，致使銅包鋁線的臨界縮減率ε必須達(dá)到80%以上，界面才能良好結(jié)合。

3 銅包鋁線坯拉拔工序中的工藝性能——銅包鋁線的可拉性

3.1可拉性的意義

銅包鋁線坯拉拔工序的主要任務(wù)是獲得所需直徑的產(chǎn)品。但是銅包鋁線與其它金屬線材一樣，拉拔時(shí)產(chǎn)生斷線，特別是在高速拉線機(jī)或多頭拉線機(jī)上拉拔線徑較小的細(xì)線或細(xì)微線時(shí)產(chǎn)生斷線，不僅影響機(jī)組的生產(chǎn)效率，失去多頭拉拔的優(yōu)勢(shì)，并造成大量的亂絲、廢品，令人苦不堪言。為此人們對(duì)銅包鋁線的拉拔工藝性能，提出了“可拉性”的要求。

所謂“可拉性”最直觀的意義就是拉拔不同線徑銅包鋁線時(shí)的斷線率。

線材拉拔時(shí)斷線率的指標(biāo)，文獻(xiàn)[3]推薦采用平均每次斷線所拉拔的線材重量來(lái)表示。對(duì)于拉拔銅線來(lái)說(shuō)，國(guó)際上有一個(gè)評(píng)定辦法。例如，拉拔直徑0.1mm銅線時(shí)，平均每次斷線拉拔銅線的重量為50～80kg。由于技術(shù)的進(jìn)步，比較先進(jìn)的水平已達(dá)到150k g。但目前尚未見(jiàn)到評(píng)定銅包鋁線可拉性好壞的具體指標(biāo)。

3.2 拉拔工序中提高銅包鋁線可拉性的工藝要點(diǎn)

3.2.1 加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量檢驗(yàn)

生產(chǎn)銅包鋁線的原材料——銅帶和鋁桿的質(zhì)量是工序之首、問(wèn)題之源。必須根據(jù)GB/T 26015—2010《覆合用銅帶》標(biāo)準(zhǔn)及GB/T 3954—2014《電工圓鋁桿》標(biāo)準(zhǔn)，把住原村料的進(jìn)廠檢驗(yàn)和中間檢驗(yàn)兩個(gè)關(guān)口，剔除性能不合格及含有冶金缺陷的原材料。每次斷線后應(yīng)對(duì)斷口形貌進(jìn)行分析，找出斷線原因，積累資料。

3.2.2 重視拉拔工序的檢查

除拉線設(shè)備和拉線工藝影響“可拉性”外，還應(yīng)重視拉線模材料、幾何形狀和尺寸精度的問(wèn)題。模子制造尺寸及其測(cè)量工具精度不夠，將直接影響合理配模而導(dǎo)致斷線，這對(duì)拉拔細(xì)線尤為重要。潤(rùn)滑劑及其過(guò)濾方法、控溫和細(xì)菌性腐敗也影響斷線的幾率，必須經(jīng)常檢查與控制。

3.2.3 關(guān)注退火工藝的影響

在拉拔工序中，特別要關(guān)心退火工藝對(duì)銅包鋁線的材質(zhì)及性能的影響。尤其是拉拔線徑在2.5mm以下的細(xì)線及細(xì)微線時(shí)更為重要，對(duì)提高可拉性，克服斷線率將起關(guān)鍵性的作用。這也是拉線工序中必須掌握的一個(gè)工藝要點(diǎn)。

4 銅包鋁線退火工序中的工藝性能——銅包鋁線的可退火性

4.1 拉拔后的銅包鋁線在退火工序中組織結(jié)構(gòu)的變化

4.1.1 純銅和純鋁金相組織和性能的變化

銅包鋁線中純銅和純鋁的晶體結(jié)構(gòu)是由很多等軸晶粒構(gòu)成的。在拉拔過(guò)程中，隨著線材面縮率的增大，晶粒形狀將逐漸變成纖維狀，如圖3（a）所示。同時(shí)線材的性能也將發(fā)生變化：強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低，產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象。當(dāng)硬化到一定程度時(shí)，就難以繼續(xù)拉拔，必須進(jìn)行退火處理。在退火加熱和緩慢冷卻過(guò)程中，通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶使纖維狀組織逐漸恢復(fù)到原先的晶粒形狀，如圖3（b）所示，以降低強(qiáng)度、提高塑性，便于繼續(xù)拉拔。

4.1.2 銅、鋁界面形成擴(kuò)散層及金屬間化合物。

前已述及，銅層和鋁芯界面上的原子在線坯拉拔過(guò)程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)合。在退火加熱過(guò)程中原子的動(dòng)能增加，使銅和鋁原子相互散擴(kuò)，在界面上形成了擴(kuò)散層。并在擴(kuò)散層中生成既硬又脆的金屬間化合物，使銅包鋁線的伸長(zhǎng)率急劇降低，對(duì)力學(xué)性能及拉拔工藝將產(chǎn)生不良影響。

筆者曾用拉拔至直徑4.21mm的銅包鋁線在250～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行退火試驗(yàn)[4]，退火溫度間格為50℃，退火保溫時(shí)間為30min。測(cè)定不同退火溫度下拉伸試樣的力學(xué)性能及界面化合物層厚度變化曲線，如圖4所示。由圖可見(jiàn)，銅包鋁線在250～300℃退火時(shí)，不僅力學(xué)性能較為理想，而且所形成的化合物層較薄，一般小于2μm，試樣拉拔過(guò)程中，銅包鋁線的銅層緊密包覆鋁芯，兩者同時(shí)形成縮頸而斷裂，其金相照片與拉伸試樣斷裂形貌示于圖5（a），表明小于2μm的化合物層對(duì)銅包鋁線的可拉性沒(méi)有不良影響。但當(dāng)加熱溫度高于350以后，化合物層厚度迅速增加。當(dāng)加熱至500℃時(shí)，界面化合物層厚度達(dá)到16μm。這種較厚的化合物層不僅使銅包鋁線的塑性大為降低，甚至破壞了界面的結(jié)合狀態(tài)，使銅層與鋁芯分離。試樣的金相照片及拉伸斷裂的宏觀形貌如圖5（b）所示。

王秋娜等人用直徑0.26mm的冷拉拔銅包鋁細(xì)絲研究了退火時(shí)組織結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律[5]，認(rèn)為退火溫度低于300℃、界面上擴(kuò)散層厚度為2μm時(shí)，具有最高的伸長(zhǎng)率。美國(guó)學(xué)者E . H u g和N . B e l l i d o認(rèn)為銅包鋁細(xì)線中金屬間化合層總厚度小于2μm具有最佳力學(xué)性能[6]；日本學(xué)者山口哲夫、高山輝之認(rèn)為銅包鋁線中化合物層厚度在1～2μm以內(nèi)，對(duì)使用性能幾乎沒(méi)有影響[7]。這些試驗(yàn)都獲得了相同的結(jié)論。

4.3 銅包鋁線的可退火性

銅包鋁線的可退火性取決于線材的加工特性及退火的規(guī)范參數(shù)。

對(duì)于需要繼續(xù)拉拔的銅包鋁線，特別是細(xì)線和細(xì)微線，為了提高其可拉性必須在250～300℃溫度范圍內(nèi)退火。以降低抗拉強(qiáng)度，提高伸長(zhǎng)率，并使銅鋁界面具有較薄的金屬間化合層，對(duì)線材進(jìn)一步拉拔變形沒(méi)有不利影響。

對(duì)于拉拔后的銅包鋁線作為最終產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的使用要求，選擇合適的退火溫度。

5 銅包鋁線的焊接工藝——銅包鋁線的可焊性

在銅包鋁線的生產(chǎn)檢驗(yàn)和使用過(guò)程中，往往要通過(guò)焊接工藝將接頭連接起來(lái)。金屬的焊接方法可分為熔化焊、壓力焊及釬焊3大類(lèi)。對(duì)于銅包鋁線來(lái)說(shuō)，熔化焊將使接頭熔化成銅鋁合金，失去銅層包覆鋁芯的特性，這是不可取的。在壓力焊中，若使用接觸對(duì)焊，由于鋁的熔點(diǎn)比銅低得多，在電阻加熱過(guò)程中，當(dāng)銅層尚未軟化時(shí)鋁已熔化，在擠壓力作用下熔融的鋁液沖破薄銅層向四周?chē)娚?，不僅焊不成接頭，甚至?xí)：θ松戆踩?。采用冷壓焊則是最佳的連接方式。此外，銅包鋁線由于其表層同心地包覆了一層純銅，具有與純銅線一樣的可釬焊性?，F(xiàn)將銅包鋁線冷壓焊及釬焊工藝及其可焊性介紹如下。

5.1 銅包鋁線冷壓焊工藝及其可冷壓焊性[8]

冷壓焊是將兩根線材的端頭分別夾持在冷壓焊機(jī)的左右鉗口中，在不加熱的情況下，借助于逐步施加的軸向壓力使線材產(chǎn)生塑性變形，將接頭表面的氧化膜及其雜質(zhì)不斷向外部擠出，使?jié)崈舻慕饘僭趬毫ο陆Y(jié)合在一起，形成接頭。

冷壓焊時(shí)對(duì)接的金屬在軸向力作用下相互擠壓，在接頭的四周形成一圈飛邊，如圖6（a）所示。將這個(gè)飛邊請(qǐng)除后，可見(jiàn)到環(huán)繞接頭表面有寬度約為0.2～0.5mm的銅層被擠出的鋁隔斷，形成露鋁現(xiàn)象，如圖6（b）所示。為防止露鋁處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，必須采用局部電鍍或防腐涂層將其覆蓋。

銅包鋁線材根據(jù)是否進(jìn)行退火處理有軟態(tài)和硬態(tài)之分。

軟態(tài)銅包鋁線塑性較好，接頭金屬在壓力下易于產(chǎn)生塑性變形，連接相當(dāng)牢固。但是焊接接頭及其附近的金屬由于“形變強(qiáng)化”而提高了強(qiáng)度和硬度。其硬度的變化如圖7中曲線①所示。接頭兩端強(qiáng)化區(qū)約為2mm。為防止線材的強(qiáng)化區(qū)在卷繞時(shí)產(chǎn)生裂紋，必須對(duì)冷壓焊接頭區(qū)域進(jìn)行感加熱退火處理，使之達(dá)到與線材大體相同的硬度，如圖7中曲線②所示。因此軟態(tài)銅包鋁線有較好的可冷壓焊性，允許在產(chǎn)品上使用。

對(duì)于硬態(tài)銅包鋁線，由于線材的塑性較差，冷壓焊時(shí)金屬變形困難，致使接頭的抗拉強(qiáng)度比線材本身的低，其可冷壓焊性很差。因此，在《銅包鋁線》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不允許硬態(tài)銅包鋁線進(jìn)行冷壓焊連接。

5.2 銅包鋁線釬焊工藝及其可釬焊性[9]

銅包鋁線由于其表面同心地包覆了一層純銅，因此具有與純銅線一樣好的可釬焊性。釬焊時(shí)一般選用錫基合金為釬料，熔化的釬料潤(rùn)濕固態(tài)銅層，冷凝后形成釬焊接頭。

在銅包鋁線釬焊過(guò)程中，銅層與液態(tài)釬料之間由于原子間的相互擴(kuò)散而產(chǎn)生以下2種反應(yīng)：①銅層在液態(tài)釬浴中不斷熔解，使釬料熔點(diǎn)升高、粘性增大，降低釬料的填縫能力，并使銅包鋁線的銅層逐漸減薄，甚至完全消失，而難以釬焊。②液態(tài)釬料中的組分（例如錫）向銅層中擴(kuò)散，使銅層脆性增大。

由于銅包鋁線的銅層厚度為線徑的1.75～2.5%。對(duì)于常用于釬焊的銅包鋁細(xì)線或細(xì)微線，其銅層厚度僅為幾個(gè)微米。因此，上述兩種反應(yīng)對(duì)銅包鋁線的釬焊過(guò)程有很大影響。

由以上分析可知，銅包鋁線雖然具有良好的可釬焊性，但最好采用軟釬焊，選用熔點(diǎn)較低的釬料，以降低釬焊溫度，并盡量縮短釬焊時(shí)間。

6 建議

銅包鋁線的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但要生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要的產(chǎn)品，從業(yè)內(nèi)很多產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的企業(yè)來(lái)看，無(wú)不在理論上、設(shè)備上、工藝上狠下了一番功夫，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。為了提高銅包鋁線行業(yè)整體的質(zhì)量水平，建立以質(zhì)量為中心的品牌體系，特向業(yè)內(nèi)同亊提出如下淺顯建議，供參考。

①“工欲善其事，必先利其器”，設(shè)備和工具是生產(chǎn)的手段，必須根據(jù)銅包鋁線特性及時(shí)進(jìn)行更新，并添加一些先進(jìn)的試驗(yàn)儀器（如金相試驗(yàn)設(shè)備），用以測(cè)試銅鋁界面擴(kuò)散層的厚度。

②“功以才成，業(yè)由才廣”，人才是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基石。必須凝聚工程技術(shù)人員及工人的智慧攻克產(chǎn)品質(zhì)量難關(guān)。特別要弘場(chǎng)大國(guó)工匠精神，鉆研生產(chǎn)技藝，掌握生產(chǎn)絕竅。

③“匠心獨(dú)具、得心應(yīng)手”，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身設(shè)備及工藝特點(diǎn)開(kāi)展系列工藝試驗(yàn)，使之成為本企業(yè)專(zhuān)用的“技術(shù)檔案”。例如，對(duì)于銅包鋁線的退火工藝曲線及化合物層厚度的變化規(guī)律，由于各企業(yè)所使用退火設(shè)備和測(cè)溫儀表不盡相同，有的企業(yè)還使用了先進(jìn)的在線連續(xù)退火設(shè)備。因此要求退火工序的工藝人員應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，測(cè)出本企業(yè)的退火工藝曲線，則在生產(chǎn)上的應(yīng)用必將更為切合實(shí)際。

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