CN108941238A - 铜包覆铝复合母线的连续制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，包括：原材料在线表面清洁，原料铝的连续康复挤压与再结晶，原料铜连续包覆原料铝及坯料成型，成型坯料的连续形变与温度补偿，大形变率热态精轧，在线精整与在线热处理，连续收卷与离线退火，矫直矫平与定尺切割。本发明工艺技术制备的铜铝复合母线具有铜铝间过渡电阻低，结合强度高，铜层的均匀一致性好的特性。经折弯、剪切、冲压、扭曲等机械加工处理不会造成铜铝分层，表现出良好的延展性和成形性。

Description

铜包覆铝复合母线的连续制备工艺

技术领域：

本发明涉及一种全新的有色金属铜铝材料的连续复合工艺，用于制备电力输送和电工应用领域广泛使用的导体母线排。

背景技术：

金属铜具有优良的导电、导热和耐腐蚀性能，金属铝具有比重小、良好的导电、导热及延展性能。双金属铜铝复合材料具备铜和铝的物理、化学特性，具有良好的导电、导热和耐腐蚀性能，重量轻，价格经济。铜铝复合材料在导电、导热领域可作为金属铜、铝的替代或升级换代产品，广泛应用于通讯、电子、电力、机械、能源、建筑、汽车、造船、航空、航天等众多工业领域。

铜铝复合材料在电力电工领域应用时，对双金属界面结合强度以及铜层的均匀一致性有较高的要求，需满足热稳定性，承载电流均匀，机械加工处理不影响其质量和性能的要求。

铜和铝都易氧化，两者的屈服强度、密度及热膨胀系数差异显著，限制了以常规方法制备铜铝复合材料的产品质量。目前，制备铜铝复合材料的常规工艺包括轧制压接法，拉拔结合法，爆炸结合法和静液挤压法等。现有的铜铝复合材料产品普遍存在应用局限性，表现为双金属界面结合强度低，结合不均匀，结合过渡区窄，产品的外观均匀性和一致性差，对折弯，扭曲，冲孔，剪切等机械加工的限制和要求过高等。此外，这些传统制备工艺无法实现连续生产，生产效率低，能源消耗高。

发明内容：

鉴于现有工艺和技术所存在的问题，本发明旨在公开一种能够实现自动控制的连续生产铜铝复合母线排的制备工艺，该工艺技术的特征为：

A.连续原料铝(10)和原料铜(20)经导向及连续放料后做机械法在线表面清洁处理；

B.在惰性气体氛围中，洁净原料铝杆经连续康复(Comfort)挤压(14)后再结晶为连续的实心或空心杆状铝芯坯(101)，进入原料预成型系统；

C.在惰性气体氛围中，洁净原料铜带被导入原料预成型系统，原料铜在下，铝芯坯在上，原料铜带经成型模具连续形变成内含铝芯坯的管状铜包覆坯(102)；

D.铜包覆坯经激光、等离子或氩弧焊接(31)后成为铝芯坯包覆在内的连续铜包覆铝坯(103)；

E.铜包覆铝坯在惰性气体氛围中经连续形变(32)，减径去间隙(33)及温度补偿(34)后成为热态铜包覆铝成型坯(104)；

F.在惰性气体氛围中，铜包覆铝成型坯料经大形变率热态精轧(35)成为热态铜铝复合母线预制品(105)；

G.铜铝复合母线预制品经在线精整(36)，焊缝补偿热处理(37)，及高温、短时效在线扩散热处理(38)后成为满足尺寸与形状基本要求，软硬适中的铜铝复合母线半成品(106)；

H.热态铜铝复合母线半成品经汽水分离装置(39)后离开惰性气体氛围，收卷(40)后缓慢冷却到室温成为铜铝复合母线排(硬态)(107)。

所述的机械法在线表面清洁处理工艺包括了对连续精轧铜料的定尺定型切边(22)，对铜料内表面实施轻度的机械打磨(23)以及打磨铜粉的吸储与回收。对连续铝料进行内应力释放，矫直(11)，规圆(12)，高精度表面刮削(13)以及刮削铝屑的吸储与回收。

所述的连续康复(Comfort)挤压工艺(14)使用了针对生产工艺条件和参数而计算设计的挤压模具和挤压工况，具体为挤压模腔温度区间300℃-500℃，挤出的铝芯坯温度区间250℃-400℃，挤压轮的转速区间4转/分钟-30转/分钟，铝芯坯线速度范围2m/min-15m/min。

所述的热态铜包覆铝成型坯料大形变率轧制工艺(35)为单道次或多道次的连续热态精轧，轧制工艺条件是工件的总形变率为50％-75％。

所述的针对焊缝的补偿热处理工艺(37)是为了改善焊接铸造态晶格组织以及大形变率轧制造成的晶格破损和缺陷，使之趋近于冷轧态的精细晶格组织，提升铜铝复合母线产品的机械加工特性而进行的高温、短时效、区域化热处理，焊缝表面区域达到350℃-600℃的温度区间。

铜铝复合母线连续生产线系统通过编码器、传感器采集各个工艺点的运转速度、瞬时温度、电流、电压、转速、转矩、尺寸、开机、停机、系统故障和维修状况的数据，把数据通过PLC设备集中通讯至中控主机，再由中控主机根据预设程序、参数等进行自动控制，并针对连续生产线控制系统主要工艺点的温度、液压、气压、速度等运行参量，轴线、标高、形状、尺寸等工装数据，电流、电压等设备参量进行实时监测和自动控制。

本发明所涉及的连续制备铜铝复合材料工艺技术，包括：铝芯坯(10)和铜包覆坯(20)经连续复合制备为矩形，或侧边为圆边形，或顶角为圆角三种形状之一的铜铝复合母线，其内层为铝芯层外层为铜包覆层。铜包覆层沿生产行进方向均匀包覆铝芯层，经热态精轧及热扩散，铜包覆层与铝芯层在交界区域相互扩散形成铜铝复合层，复合层厚2um-10um。在巨大的轧制力、挤压力和温度场共同作用下，复合层的铜、铝原子共享外层电子形成共价键，达到稳定的化学结构，实现铜铝原子间的冶金结合。

以本发明工艺技术制备的铜铝复合母线排具有铜铝间过渡电阻低，结合强度高，铜层的均匀一致性好的特性。经折弯、剪切、冲压、扭曲等机械加工处理不会造成铜铝分层，表现出良好的延展性和成形性。上述材料的品质特征表明，使用本发明工艺技术连续制备的铜包覆铝复合材料可替代纯铜、纯铝材料用于电力传输、低、中压变电及电工应用领域。

附图说明：

图1是本发明的铜铝复合工艺设备示意图；

图2是本发明的铜铝复合工艺流程示意图；

图3是本发明的铜铝复合工艺阶段性产品形态示意图。

具体实施方式：

下面以实施例对上述方案的工艺流程和特征做进一步说明。

实施例：本发明所述的铜包覆铝母线连续复合工艺包括了原材料铝(10)、铜(20)在线表面清洁，原料铝的连续康复挤压与再结晶(14)，原料铜连续包覆原料铝及坯料成型(30，31)，成型坯料的连续形变(32)与减径(33)及温度补偿(34)，大形变率热态精轧(35)，在线精整(36)，焊缝补偿热处理(37)与在线热处理(38)，连续收卷(40)与离线退火(50)，矫直(51)，矫平(52)与定尺切割(53)。

本实施例所述的原料铝杆在连续康复(Comfort)挤压机的动力牵引下，经定位导向，在线矫直(11)，在线规圆(12)后实施表面精密刮削(13)并实时回收刮削铝屑，刮削量为3％-5％，刮削深度为0.02-0.1mm，刮削铝料杆经定位导向后进入连续康复(Comfort)挤压机(14)。上述铝料杆的清洁与整型处理具有精度高、损耗低和纯机械法处理的特点。原料铜为冷态精轧铜带具有适当的延伸率，在后级系统动力的牵引下进入储料器(21)，储料器作为缓存储备区可为生产线连续提供所需要的原料铜。首先，对原料铜带做定尺定型切边(22)，再用软材质打磨刷对铜料内表面实施轻度机械打磨(23)并实时吸储打磨铜粉。原料铝和原料铜经过上述表面清洁与整型后，光亮洁净，达到本发明工艺流程所要求的洁净度、平直度及圆度。

经清洁处理后的原料铜和原料铝在线进入惰性气体环境下的坯料制备区进行铜铝包覆复合(30)，惰性气体环境可以防止洁净原料铜和原料铝表面生成新的氧化层。

本实施例所述连续康复挤压的基本原理是利用了形变金属与模具间的摩擦力，当挤压轮旋转时，在原料铝与挤压轮槽摩擦产生的高温作用下，使变形区的温度上升至金属铝可挤压成型的再结晶温度区域，经由腔体从特制模具中挤出成为连续实心或空心杆状铝芯坯。模具腔体的温度区间为300℃-500℃；挤出的铝芯坯温度区间为220℃-400℃，挤压轮的转速区间为4n/min-30n/min，铝芯坯的线速度范围2m/min-15m/min。铝芯坯在温度和挤压的双重作用下再结晶，晶格组织得到优化。

在惰性气体氛围中，洁净的原料铜带被导入原料预成型系统，原料铜在下，铝芯坯在上，连续通过数组成型模具并与成型模具表面接触而发生形变，产生的形变热和摩擦热致使材料温度上升，弹性形变转为塑型形变，原料铜(20)变形为铜包覆坯(102)，铜包覆坯为管线形状。

本实施例所述的铜包覆坯(102)经过等离子，激光，或无损耗双极氩弧焊枪，在线进行快速均匀焊接(31)并确保焊缝光滑、无位移、无瑕疵，焊接速度2m/min-15m/min，经焊接后铜包覆坯(102)将铝芯坯(101)包覆在内成为铜包覆铝坯(103)。焊接过程是在惰性气体氩气的保护下进行，等离子焊枪，激光焊枪或氩弧焊枪能根据铜包覆坯厚度以及运行速度自动调整焊接电压和电流，为了提高焊接速度并消除由此引入的咬边、驼峰等现象，亦可选择使用双焊枪结构，焊接电压和电流引入的熔池符合热平衡原理。

焊接完成后，铜包覆铝坯(103)在线经过数组竖直和水平模具进行精整，经过连续形变(32)，减径去间隙(33)及温度补偿(34)，使铜包覆层和铝芯层密合成为热态铜包覆铝成型坯(104)。优质铜包覆铝成型坯的特征为铜包覆层和铝芯层具备同心度。

在惰性气体氛围中，热态铜包覆铝成型坯料(104)经过大形变率的单道次或多道次连续热态精轧成为连续的铜铝复合母线预制品(105)。轧制工艺条件是工件的总形变率为45％-75％，轧制入口温度为180℃-250℃，轧辊温度为200℃-300℃，轧制出口温度为250℃-350℃，在大轧制压下力和温度场的共同作用下，铜、铝原子在双金属界面复合区域相互扩散，剧烈的原子热运动使晶体从非稳定的物理结合过渡到稳定的化学结合。

本实施例所述的热态铜铝复合母线预制品(105)经在线精整满足了尺寸、形状及公差要求。为了改善焊接形成的铸造态晶格组织以及大形变率轧制造成的晶格缺陷，使之趋近于周边冷轧态的精细晶格组织，针对焊缝进行补偿热处理(37)可以提升铜铝复合母线产品的机械加工特性。考虑到铜材料优异的导热特性，在线连续进行的焊缝补偿热处理为高温、短时效、区域化热处理，焊缝区域的温度为350℃-600℃。

热态铜铝复合母线预制品(105)经汽水分离装置(39)后离开惰性气体氛围。所述的汽水分离装置是将连续制备的铜铝复合材料工件从惰性气体保护系统转入自然空间无保护系统的隔断区域，通过控制循环水的温度、流速和流量以恒定热态铜铝复合母线半成品的导出温度。经过上述工艺处理后，热态铜铝复合母线预制品(105)成为铜铝复合母线半成品(106)。

本实施例所述的铜铝复合母线半成品经收卷后缓慢冷却到室温成为铜铝复合母线排(硬态)，即本实施例所述的铜铝复合母线排(硬态)盘料(107)。

根据用户的硬态产品订单需求，铜铝复合母线排(硬态)盘料(107)经放线，矫直，矫平，表面清洁，在线定尺切割及堆垛包装后成为铜铝复合母线排(硬态)产品。

为了改善铜铝复合材料的软硬特征，可针对热态铜铝复合母线预制品进行高温、短时效的在线扩散热处理，扩散热处理温度为300℃-550℃，经在线热处理后，铜铝复合母线预制品的延伸率将提升，抗拉强度适中，成为软硬适中的铜铝复合母线半成品，经收卷后缓慢冷却到室温成为软硬度适中的铜铝复合母线排盘料(108)。

根据用户的软硬度中性产品订单需求，上述铜铝复合母线排盘料经放线，矫直，矫平，表面清洁，在线定尺切割及堆垛包装后成为铜铝复合母线排(软硬度适中)产品。

根据用户的软态产品订单需求，就上述收卷的铜铝复合母线排(107)选择下述两个方法之一处理。方法一：将铜铝复合母线排(软硬度中性或硬态)盘料做整体离线光亮热处理，使铜铝复合母线经缓慢升温，时效保温及缓慢冷却，再经连续的在线矫直，矫平，表面清洁，定尺切割及堆垛包装后成为铜铝复合母线排(软态)产品(109)；方法二：将铜铝复合母线排(硬态)盘料做连续的放料，矫直，矫平，表面清洁及定尺切割后，再对切割母线排做离线光亮热处理，经缓慢升温，时效保温及缓慢冷却后成为铜铝复合母线排(软态)产品(109)。

上述离线光亮热处理工艺(50)为经过缓慢升温、长时效保温和缓慢冷却的整体热处理，热处理温度区间300℃-450℃，经热处理的铜铝复合材料的延伸率将大幅提升，抗拉强度适中，成为软态铜铝复合母线排产品。但过高的温度则会大幅降低铜铝双金属的界面结合强度。

上述实例仅为了说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟知此技术原理的人士能够充分了解本发明内容并据以实施，不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换、装饰或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于该工艺技术包括如下工艺步骤：

(1)原材料在线表面清洁；

(2)原料铝的连续康复挤压与再结晶；

(3)原料铜连续包覆原料铝及坯料成型；

(4)成型坯料的连续形变与温度补偿；

(5)大形变率热态精轧；

(6)在线精整与在线热处理；

(7)连续收卷与离线退火；

(8)矫直矫平与定尺切割。

2.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于所述的铜包覆铝步骤中，原料铝经连续康复挤压后再结晶，成为晶格组织优化的实心或空心杆状铝芯坯，原料铜经数组成型模具而发生形变，成为管线状铜包覆坯。

3.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于铜包覆坯在线进行快速等离子，或激光，或无损耗双极氩弧焊接，亦可使用双焊枪进行焊接，经焊接后铜包覆坯将铝芯坯包覆在内成为铜包覆铝坯。

4.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于铜包覆铝坯经过数组竖直和水平模具精整，连续形变，减径去间隙，以及温度补偿，使铜包覆层和铝芯层密合成为热态铜包覆铝成型坯。

5.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于热态铜包覆铝成型坯料连续进行大形变率的单道次或多道次的连续热态精轧成为连续的铜铝复合母线预制品，形变率45％-70％。

6.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于热态铜铝复合母线预制品经在线精整满足了尺寸、形状及公差要求，经在线焊缝补偿热处理提升了铜铝复合母线产品的机械加工特性。

7.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征是热态铜铝复合母线预制品经高温、短时效的在线扩散热处理使延伸率提升，抗拉强度适中，成为软硬适中的铜铝复合母线半成品。

8.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于热态铜铝复合母线预制品经汽水分离装置后离开惰性气体氛围，控制汽水分离装置循环水温，流速和流量以恒定热态铜铝复合母线预制品的温度。

9.根据权利要求1所述的铜包覆铝复合母线的连续制备工艺，其特征在于通过缓慢升温，时效保温及缓慢冷却的离线光亮热处理，改变硬态或软硬适中态为软态铜铝复合母线产品。