一种铜包铝复合材料的加工方法与流程

1.本发明涉及铜包铝复合材料技术领域，尤其涉及一种铜包铝复合材料的加工方法。


背景技术：

2.铜包铝是近年来发展起来的一种新型复合材料，是一种高性能的复合导体。它由铝芯和铜包覆层组成，既有铜的导电性能优异、耐腐蚀性能好等优点，也有铝的成本低、重量轻等优点。其优点主要体现在：重量比铜导体轻；电导率比铝导体高，可用作某些特殊用途的导体，如高频导线和用于传输大电流的导电排，由于其趋肤效应，其导电性能与纯铜接近；抗拉强度比铝高；焊接性能与纯铜相近；通过控制加工工艺可以获得比较好的综合力学性能和稳定性。
3.目前已经公开报道的铜包铝复合材料的加工方法主要有以下几种：
4.第一种方法是包覆焊接法。该方法为美国开发的铜包铝复合线材加工方法，是目前国内外大多数生产铜包铝线材厂家所采用的生产工艺，其工艺流程如下：
5.1.铝芯线经过矫直装置矫直后，用刷洗机清除表面的氧化物；
6.2.利用刷洗机清除铜带表面的油脂和氧化物，再将两者同步进入由情性气体保护的包覆区；
7.3.铜带在多对滚轮的孔型作用下沿纵向逐渐卷起形成圆管状，将铝芯线包覆，再进入焊接区用氩弧焊将铜包覆层纵缝连续焊接起来，形成铜包铝线坯；
8.4.经去毛刺处理后对线坯进行多道次拉拔，以获得所需直径的铜包铝线，并通过热处理以改善铜和铝界面结合状态，获得所需的力学性能。
9.尽管包覆焊接法是目前国内外最成熟、最稳定的铜包铝线生产方法，但其也存在许多不足：由于采用氩弧焊接铜包覆层，焊接前铝芯线表面及铜带表面在加工过程中的二次污染、铜层的焊接强度、焊接时高温对铝芯线熔化的影响及焊接后线材表面焊缝的清理、焊接处铜层厚度的均匀性、铜铝层之间材料的结合强度等，不可避免地影响了铜包铝线的质量，尤其是对于超细丝的制备，构成尚难以克服的技术难题。
10.第二种方法是轧制压接法。该方法为美国开发的铜包铝复合线材加工方法，其工艺流程如下：
11.1.铝芯线在铜带包覆前先矫直并在旋转式钢丝刷装置内消除表面氧化物，然后进入高频感应加热器中加热，炉内以氨气为保护气体，以防氧化；
12.2.两条铜带分别用钢丝刷刷去表面的氧化层，通过两个接触轮进行接触加热，随后与铝芯线—起进入氨气保护炉中加热，在炉中可进一步消除铜带及铝芯线表面的氧化物；
13.3.被加热了的铜带和铝芯线进入轧辊压合机后被压合在一起，压合后的线坯再进入通有氨气的冷却管，以除去铜层表面的氧化物，使之光亮,；
14.4.经切毛边装置切除线坯两边的压合毛边，然后进行多道次拉拔加工。
15.然而，轧制压接法主要缺点在于：设备投资较大，复合工艺繁杂，需要预先制备铜薄带和铝线，显著增加了生产成本。
16.第三种方法是静液挤压法。静液挤压法加工铜包铝复合线材的工艺流程如下：
17.1.以大直径紫铜管坯和纯铝棒坯套装成复合挤压坯料(需对头部和尾部进行密封处理)；
18.2.经静液挤压一次成线坯，通过大等静水压力和大加工变形作用，实现铜、铝间的冶金结合。静液挤压法的挤压筒内的粘性介质显著降低了坯料和挤压筒与模具之间的摩擦力，因而可大大改善金属流动的均匀性。
19.然而，静液挤压法存在的主要缺点在于：
20.(1)成形非圆形截面的双金属包覆材料时需将包覆层金属和芯材金属预加工为尺寸与模具精确配合的管材和棒材，并要对两者进行一系列表面处理，以保证复合前的“清洁”界面，工艺流程较长；
21.(2)静液挤压工艺的设备复杂、设备投资大；
22.(3)静液挤压法难以实现连续生产，非生产性间隙时间长，生产效率低。
23.第四种方法是先将铝液浇注到异型铜管中制备铜铝异型复合铸坯，然后经轧制、拉拔成形矩形断面的铜包铝母排。
24.这种方法主要缺点是在于：
25.(1)铜铝复合前需预先成形异型铜管并对铜管进行表面处理，增加了生产成本和环境负担；
26.(2)铝液浇入铜管时，难以避免铜管内表面的氧化问题，导致铜铝结合界面质量下降；
27.(3)铜铝异型复合铸坯的制备过程是非连续性的，并且单根复合坯料长度较短，加之坯料因疏松和冒口等缺陷需切头去尾，生产效率和成材率均较低。
28.第五种方法是先采用水平连铸直接复合成形工艺制备铜包铝复合坯料，然后再通过轧制、拉拔等工艺制备矩形断面的铜包铝复合母排。这种方法采用水平连铸直接复合成形法制备铜包铝坯料，可避免坯料预成形以及表面处理的问题，提高了生产效率，缩短了工艺流程。
29.然而，该方法还存在几个尚待解决的问题：
30.(1)由于连铸复合的过程是包覆层金属铜管先凝固，然后铝液在先凝固的铜管中凝固并与铜管复合，为了控制复合的程度，连铸的速度不能太高，一般要比单独铜管连铸的速度低一些，一定程度上影响了连铸复合法制备铜包铝复合材料的效率；
31.(2)铜包铝复合材料的界面层对其性能至关重要，界面层厚度和组成是决定界面层性能的关键。连铸复合成形属于固液复合，即固相铜与液相铝复合，极容易发生剧烈的界面反应，生成对界面结合强度产生不利影响的金属间化合物。因此，需要对连铸过程中的铜铝复合界面进行精确控制，但现有技术暂无精确控制复合界面的方法。


技术实现要素：

32.本发明所要解决的技术问题在于：针对现有的铜包铝复合材料生产方法存在的问题，而提供一种用电量少、对环境污染少、生产效率高、设备投资少的铜包铝复合材料的加
工方法。
33.本发明所要解决的技术问题可以采用如下技术方案来实现：
34.一种铜包铝复合材料的加工方法，包括以下步骤：
35.步骤s10，对铝芯表面进行处理，以去除铝芯表面上的氧化层和杂质；
36.步骤s20，将洁净的铜带以螺旋方式缠绕至所述铝芯的表面上，使得所述铜带包覆在所述铝芯的表面上，形成铜包铝坯料；
37.步骤s30，对所述铜包铝坯料的尾部进行封口处理，并对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理和多道次拉拔处理，以获取所需直径的铜包铝线材。
38.在本发明的一个优选实施例中，所述铝芯的直径为0.5mm～30mm。
39.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s10中，使用旋转式钢丝刷装置去除铝芯表面上的氧化层和杂质。
40.在本发明的一个优选实施例中，当所述铝芯直径较大时，采用电机带动料筐进行收放线，以实现连续生产；当所述铝芯直径较小时，采用电机带动滚筒进行收放线，以实现连续生产。
41.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s20中，当所述铝芯在收放线过程中匀速前进时，采用电机带动成卷的铜带，使得所述铜带以螺旋方式缠绕至所述铝芯的表面上，所述铜带缠绕至所述铝芯表面上的方向与所述铝芯的轴向之间形成一定夹角，所述铝芯的前速速度与所述铜带的缠绕速度相匹配，保证缠绕后的每一圈的铜带能够盖住其上一圈缠绕的铜带的边缘。
42.在本发明的一个优选实施例中，所述铜带的厚度为0.1mm～3mm。
43.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s30中，对所述铜包铝坯料的尾部进行封口处理，是指将所述铜包铝坯料的尾部处的缠绕成型的铜带进行封口处理，使得所述铜带稳固地包覆在所述铝芯的表面上。
44.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s30中，使用轧制机对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理，使得铜包铝坯料减径10％～60％，以增加铜、铝复合界面间的结合强度。
45.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s30中，使用盘拉机对铜包铝坯料进行拉拔处理，使用依次递减的不同尺寸的外模达到减径的目的，每道次拉拔可减径≤50％，多道次拉拔直至获得所需直径的铜包铝线材。
46.在本发明的一个优选实施例中，在对所述铜包铝坯料进行多道次拉拔处理过程中，当拉拔至中间道次时，可在惰性气体保护下对所述铜包铝坯料进行退火处理，使得所述铜包铝坯料获取其所需的力学性能，同时促进形成铜铝界面冶金结合。
47.在本发明的一个优选实施例中，当铜包铝材料因加工硬化而不易加工时，可使用在线退火设备对铜包铝材料进行退火处理，处理过程中需使用惰性气体进行保护，在线退火控制电流1500a～7000a，生产速度50m/min～500m/min，在线退火后的铜包铝材料状态变软，方便于后续继续加工，同时促进形成铜铝界面冶金结合。
48.由于采用了如上技术方案，本发明的有益效果在于：
49.1.本发明不使用氩弧焊，不会对铝芯和铜带表面造成二次污染；同时，不使用铸造法，不会对铜表面造成氧化；此外，本发明基本属于冷加工，用电量少。
50.2.本发明的成品表面铜层厚度均匀，不存在偏心的情况，产品质量稳定。
51.3.本发明的成品率高，可连续生产，生产效率高。
52.4.本发明的工艺简单，设备投资少。
附图说明
53.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
54.图1是本发明的流程示意图。
55.图2是本发明在铝芯收放线时进行缠绕铜带的示意图。
56.图3是本发明在铝芯收放线时进行缠绕铜带的局部放大示意图。
具体实施方式
57.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
58.参见图1并结合图2和图3，图中给出的是一种铜包铝复合材料的加工方法，包括以下步骤：
59.步骤s10，对铝芯100表面进行处理，以去除铝芯100表面上的氧化层和杂质。
60.步骤s20，将洁净的铜带200以螺旋方式缠绕至铝芯100的表面上，使得铜带200包覆在铝芯100的表面上，形成铜包铝坯料。
61.步骤s30，对铜包铝坯料的尾部进行封口处理，并对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理和多道次拉拔处理，以获取所需直径的铜包铝线材。
62.在步骤s10中，使用旋转式钢丝刷装置去除铝芯表面上的氧化层和杂质。
63.在步骤s10中，根据所需成品的尺寸不同，铝芯100直径为0.5mm～30mm，对应地使用不同的收放线装置。当铝芯100的直径较大时，采用电机带动料筐进行收放线；当铝芯100的直径较小时，采用电机带动滚筒300a、300b进行收放线，如图2所示。使用收放线的主要目的是为了实现连续生产。
64.在步骤s20中，参见图2，当铝芯100在收放线过程中匀速前进时，采用电机带动成卷的铜带200，使得铜带200以螺旋方式缠绕至铝芯100的表面上，铜带200缠绕至铝芯100表面上的方向与铝芯100的轴向之间形成一定夹角，夹角的范围为0
°
～90
°
，铝芯100的前速速度与铜带200的缠绕速度相匹配，保证缠绕后的每一圈的铜带200能够盖住其上一圈缠绕的铜带200的边缘，如图3所示这样才能保证铜包铝坯料外表面上的铜带在轧制或拉拔过程中不会起皮或者撕裂。根据所需成品的尺寸不同和使用的铝芯直径的不同，铜带的厚度可为0.1mm～3mm。
65.在步骤s30中，对铜包铝坯料的尾部进行封口处理，是指将铜包铝坯料的尾部处的缠绕成型的铜带进行封口处理，使得铜带200稳固地包覆在铝芯100的表面上。
66.在步骤s30中，使用三辊轧机或其他类似设备，对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理，使坯料减径10％～60％，以增加铜、铝复合界面间的结合强度。
67.在步骤s30中，使用盘拉机对铜包铝坯料进行拉拔处理，使用依次递减的不同尺寸的外模达到减径的目的，每道次拉拔可减径≤50％，多道次拉拔直至获得所需直径的铜包铝线材。例：铜包铝坯料直径20.00mm，所需铜包铝线材直径5.00mm。使用盘拉机拉拔时，第一道次可拉拔至直径15.88mm，第二道次可拉拔至直径12.70mm，第三道次可拉拔至直径9.52mm，第四道次可拉拔至直径7.00mm，第五道次可拉拔至直径5.00mm。
68.在步骤s30中，在对铜包铝坯料进行多道次拉拔处理过程中，当拉拔至中间道次时，铜包铝坯料加工硬化造成不易加工，同时为了铜铝界面形成冶金结合，可在惰性气体保护下对铜包铝坯料进行退火处理，使得铜包铝坯料获取其所需的力学性能，同时促进形成铜铝界面冶金结合。
69.在步骤s30中，可使用在线退火设备对铜包铝材料进行退火处理，处理过程中需使用惰性气体进行保护，在线退火控制电流1500a～7000a，生产速度50m/min～500m/min，在线退火后的铜包铝材料状态变软，方便于后续继续加工，同时促进形成铜铝界面冶金结合。
70.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s10，对铝芯表面进行处理，以去除铝芯表面上的氧化层和杂质；步骤s20，将洁净的铜带以螺旋方式缠绕至所述铝芯的表面上，使得所述铜带包覆在所述铝芯的表面上，形成铜包铝坯料；步骤s30，对所述铜包铝坯料的尾部进行封口处理，并对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理和多道次拉拔处理，以获取所需直径的铜包铝线材。2.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在步骤s10中，使用旋转式钢丝刷装置去除铝芯表面上的氧化层和杂质。3.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，所述铝芯的直径为0.5mm～30mm。4.如权利要求3所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，当所述铝芯直径较大时，采用电机带动料框进行收放线，以实现连续生产；当所述铝芯直径较小时，采用电机带动滚筒进行收放线，以实现连续生产。5.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在步骤s20中，当所述铝芯在收放线过程中匀速前进时，采用电机带动成卷的铜带，使得所述铜带以螺旋方式缠绕至所述铝芯的表面上，所述铜带缠绕至所述铝芯表面上的方向与所述铝芯的轴向之间形成一定夹角，所述铝芯的前速速度与所述铜带的缠绕速度相匹配，保证缠绕后的每一圈的铜带能够盖住其上一圈缠绕的铜带的边缘。6.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，所述铜带的厚度为0.1mm～3mm。7.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在步骤s30中，对所述铜包铝坯料的尾部进行封口处理，是指将所述铜包铝坯料的尾部处的缠绕成型的铜带进行封口处理，使得所述铜带稳固地包覆在所述铝芯的表面上。8.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在步骤s30中，使用轧制机对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理，使得铜包铝坯料减径10％～60％，以增加铜、铝复合界面间的结合强度。9.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在步骤s30中，使用盘拉机对铜包铝坯料进行拉拔处理，使用依次递减的不同尺寸的外模达到减径的目的，每道次拉拔可减径≤50％，多道次拉拔直至获得所需直径的铜包铝线材。10.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，在对所述铜包铝坯料进行多道次拉拔处理过程中，当拉拔至中间道次时，可在惰性气体保护下对所述铜包铝坯料进行退火处理，使得所述铜包铝坯料获取其所需的力学性能，同时促进形成铜铝界面冶金结合。11.如权利要求1所述的铜包铝复合材料的加工方法，其特征在于，其特征在于，当铜包铝材料因加工硬化而不易加工时，可使用在线退火设备对铜包铝材料进行退火处理，处理过程中需使用惰性气体进行保护，在线退火控制电流1500a～7000a，生产速度50m/min～500m/min，在线退火后的铜包铝材料状态变软，方便于后续继续加工，同时促进形成铜铝界面冶金结合。

技术总结
本发明公开的一种铜包铝复合材料的加工方法，包括以下步骤：步骤S10，对铝芯表面进行处理，以去除铝芯表面上的氧化层和杂质；步骤S20，将洁净的铜带以螺旋方式缠绕至所述铝芯的表面上，使得所述铜带包覆在所述铝芯的表面上，形成铜包铝坯料；步骤S30，对所述铜包铝坯料的尾部进行封口处理，并对封口处理后的铜包铝坯料进行轧制处理和多道次拉拔处理，以获取所需直径的铜包铝线材。本发明不会对铝芯和铜带表面造成二次污染，不会对铜表面造成氧化，用电量少，产品质量稳定，成品率高，生产效率高，工艺简单，设备投资少。设备投资少。设备投资少。


技术研发人员：衣连青 李毫 常建永 李延军
受保护的技术使用者：上海龙阳精密复合铜管有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/22