铜包铝母线的性能研究及制备技术分析

王学平， 蔡西川， 何大海

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.同济大学材料科学与工程学院，上海201805)

0 引言

铜包铝母线(亦称铜包铝排、铜铝复合排)是一种以铝芯为基体，铜层完全包覆在铝芯表面的双金属复合材料。铜包铝母线作为铜母线的替代材料，主要利用了铝基体的导电性能以及表面铜层优良的散热性能，而且其端部连接与铜母线类似，在开关柜、母线槽等设备中作为载流导体使用。在我国“以铝节铜”的发展背景下，特别是近年来，在铜资源紧缺以及铜价高企的情况下，铜包铝母线在电工领域的用量呈现出较快增长趋势。

本文对铜包铝母线机械性能、电气性能及界面结合性能等关键技术指标的影响因素进行了分析，介绍当前国内铜包铝母线的几种制备方法及主要过程，并对其特点进行简要分析与比较。此外结合当前铜包铝母线工艺存在的一些问题，指出了铜包铝母线的制备技术发展趋势。

1 铜包铝母线的主要性能及影响因素

铜包铝母线是一种以铝芯为基体的双金属界面复合材料，兼顾了铜和铝导体的优点。虽然铜包铝母线已替代铜母线在母线槽及开关柜中有大量的应用，但铜包铝母线机械性能及电气性能与铜母线还是有明显的区别，特别是铜铝结合性能直接决定了铜包铝母线的使用安全性及使用寿命。

1.1 机械性能

在开关柜和母线槽中，铜包铝母线作为载流导体需承受短路电流以及非正常工作情况下的非稳定状态机械应力。由于导体在母线槽或开关柜中排列的间隔距离较小，所以对导体的强度有一定的要求，特别是在固定距离较长时，导体的强度要求更高。另外铜包铝母线在实际应用时，还需要进行折弯、冲孔、剪切等加工，因此大多数直接轧制或拉拔后的母线成品还需要进行退火处理，以同时满足强度和设备组装要求。

铜包铝母线的抗拉强度要求应由开关柜或母线槽等成套设备的短路试验确定。由于铜包铝母线的制备工艺有多种，中间加工过程也各不相同，所以退火前的产品状态有明显差异。铜包铝母线产品最终的机械性能是由成品退火工艺来控制的，因为铜的再结晶温度比铝高很多，在退火过程中，铝芯部分的加工应力已基本消除，而表面铜层仍保持较高强度。在铜包铝母线的退火工艺中，除了对退火温度及时间控制外，还需进行适当的气氛保护，以避免母线表面形成明显的氧化层。

1.2 电气性能

作为载流导体，铜包铝母线的电气性能是开关柜及母线槽设计者及用户最为关注的问题。在其他条件一致的情况下，随着加载电流的增大，铜包铝母线导体的温度将会上升。当周围空气温度不超过40℃时，开关设备和控制设备的任何部分的温升极限值为65 K［1］。在这些设备中，发热体为导体材料，导体的发热与其本体材料的电阻率(或导电率)直接相关。

铜包铝母线是由铜和铝两种导体组成，由于铜和铝的电阻率有明显的差异，因此铜和铝各自所占体积比将直接决定铜包铝母线的电阻率。铜所占体积比越大，铜包铝母线的电阻率越小，同等条件下的载流能力越大。从使用者角度来说，在保证铜包铝母线其他性能并满足设备载流要求时，选用较小铜层体积比的母线是比较经济的。而对于铜包铝母线的生产厂家来说，铜层体积比越低，其制造难度越大，产品的质量稳定性也更难保证。

铜层体积比一直是铜包铝母线行业内争议较大的问题。由于当前铜包铝母线各种不同制造工艺自身的局限性，不同工艺制备的铜包铝母线铜层体积比有较大差异，制造成本也有明显区别，这造成了铜包铝母线市场竞争较为混乱的局面。另外，不同铜层体积比的铜包铝母线载流能力不同，用户和设计者也较难准确地选择铜包铝母线导体，这也是困扰铜包铝母线行业发展的最主要原因之一。

1.3 界面结合性能

铜包铝母线的结合性能用界面结合强度来评价，界面结合强度的高低是判定铜包铝母线质量优劣的关键技术指标之一。只有当铜铝之间可靠结合后，铜包铝母线才能以完整导体作为载流导体使用。特别是在端部与其他导体或设备连接时，铜包铝母线必须为完整导体才能保证过渡或连接的可靠性。另外，在实际使用时，铜包铝母线的界面可能会因为铜和铝热膨胀系数的显著差异而发生分离，因此只有当铜包铝母线形成稳定可靠的界面结合后，才能保证其在开关柜、母线槽或其他设备中的使用寿命达到要求。

铜包铝母线的界面特性与制造工艺有直接关系。不同工艺生产的铜包铝母线，其界面结合方式及机理有显著区别。铜包铝母线的界面结合主要有两种机理:一种是铜铝界面仅通过金属原子之间的扩散形成结合;另一种是铜铝之间以中间相化合物的形式形成结合。从国内当前的制备工艺来看，大多为第二种结合机理形式。根据铜铝二元相图及界面分析，铜包铝母线中常见的中间相金属间化合物包括CuAl2、CuAl、Cu9Al4等。由于金属间化合物多为脆性相，且电阻率较大，较厚的中间相过渡界面对于铜包铝母线的界面结合及电气性能是有损害的。通过变形及热处理工艺的控制，既能使铜铝之间通过金属原子的扩散形成有效结合，又能抑制中间相化合物的过量生成。

2 铜包铝母线的制备方法

铜包铝母线是由铜和铝两种导体材料组成，其制备方法与单一金属导体母线有较大差异。铜包铝母线制备的关键技术在于通过合理设计铜层体积比使其满足设备电气性能要求，并通过工艺控制使铜铝两种材料之间形成有效结合。下面简要介绍国内当前几种制备铜包铝母线的方法及主要生产过程。

2.1 包覆焊接法

包覆焊接法是一种制备铜包铝圆线的成熟工艺。在采用该方法制备铜包铝母线时，其原理与制备铜包铝圆线基本一致。在铝杆与铜带表面处理后，在保护气氛下将铜带进行焊接，完成包覆过程，后续加工过程包括拉拔，轧制和退火等，其制备过程示意图如图1所示。

图1 包覆焊接法生产过程示意图

铜包铝母线的截面比铜包铝圆线材要大得多，其最大规格已达到20 mm×200 mm(厚度×宽度)。由于铝杆坯料的直径受到一定限制，在使用包覆焊接法生产铜包铝母线时，生产较大规格特别是10 mm×100 mm(厚度×宽度)及以上规格的铜包铝母线时会有较大困难，这也是该方法制备铜包铝母线的最大局限性。

2.2 套管法

从原理上来讲，套管法是一种较为简单的制备铜包铝母线方法。其主要过程是先采用预制铝棒和铜管制备铜包铝母线坯;然后将坯料进行拉伸，使铝棒和铜管之间无间隙;再经过轧制或拉拔、退火及表面处理等工艺来完成整个过程。其主要生产过程如图2所示。

图2 套管法生产过程示意图

目前国内大多数厂家均采用这种工艺，由于在母线坯变形过程中需要加热处理，套管法的生产过程是非连续的。套管法制备铜包铝母线的工艺步骤比较灵活，不同厂家在母线坯变形时，加工方式也有所区别;而且不同规格的铜包铝母线其工艺控制参数也不尽相同。从国内采用套管法生产的铜包铝母线产品质量来看，铜层厚度均匀性以及铜铝之间的结合性能有很大差异。因此如何保证产品质量的稳定性和一致性，特别是保证铜层和铝芯之间的可靠结合，是采用套管法制备铜包铝母线所需要解决的问题。

2.3 半连续浇铸法

半连续浇铸法是在预制铜管中浇铸熔融态铝液，快速冷却后形成铜包铝母线坯，然后经过后续的轧制、退火及表面处理过程。其生产过程如图3所示。

图3 半连续浇铸法生产过程示意图

与前面两种制备铜包铝母线坯的方式不同，半连续浇铸法形成铜包铝母线坯的铝芯与铜层之间没有间隙。由于铝液在浇铸时的温度达到700℃，在短时高温条件下，铜及铝金属原子会以扩散的方式形成过渡层，并形成一定厚度的中间相化合物，所以在该过程中，铜铝之间已形成初步结合。半连续浇铸法可以采用较大规格的铜管，因此这种方式特别适合于生产较大规格(如10 mm×100 mm以上)的铜包铝母线。

2.4 连续铸造法

连续铸造法也称为双流法。从理论上讲，连续铸造法是一种可以实现连续大长度铜包铝母线生产的方法。该方法的主要过程是，先在铸模中浇铸铜液并迅速冷却形成铜管;然后再将熔融态铝液浇入铜管中并冷却，形成铜包铝母线坯，母线坯的后续加工过程与半连续铸造法基本相同。

与其他三种方法相比，连续铸造法的生产过程最为复杂。该工艺的难点在于铜液和铝液的连续浇铸及冷却控制。在制备母线坯时，一方面在铜液形成铜管时应进行较快的冷却速度控制，避免铝液直接跟铜熔体反应;同时也需保证铝液的连续浇铸，避免出现铝芯铸造缺陷。一般来说，采用铸造法(包括连续铸造法和半连续铸造法)生产铜包铝母线时，因母线坯的铜层厚度较厚一些，故铜层体积比与其他方法相比也要大一些。从目前国内的生产规模及产品质量来看，连续铸造法还有较多需待完善的地方。

2.5 Conform连续挤压铝芯基体在线包覆焊接铜带复合轧制法

该方法的主要生产过程是先采用Conform连续挤压制备铝芯基体，再将铜带包覆焊接形成线坯，然后直接经过轧制和后续处理，其生产过程示意图如图4所示。

图4 Conform连续挤压铝芯基体在线包覆焊接铜带法生产过程示意图

与传统的包覆焊接法最大的区别在于铝基体的不同，传统的包覆焊接法是直接以铝棒(杆)作为线坯，而该方法是利用Conform方式挤出热态铝芯，并快速完成包覆焊接和轧制过程，从而保证铜铝之间的稳定结合。与传统的包覆焊接法比较，这种方法不需要中间加热过程，充分利用铝连续挤压的热加工状态，完成等温态的轧制过程，且能实现铜包铝母线的大长度连续生产。

3 铜包铝母线制备技术比较及发展趋势

3.1 铜包铝母线制备技术比较

铜包铝母线在国内已有十多年的发展历史，从其过程来看，该产品的发展较为缓慢，其主要原因还是铜包铝母线的制备技术有待进一步的提高和完善。虽然铜包铝母线的制备工艺有多种，但每种方法都存在一定的局限性，表1简要比较了铜包铝母线几种不同制备工艺的特点。

表1 铜包铝母线制备工艺特点比较

3.2 铜包铝母线制备技术发展趋势

铜包铝母线作为一种以铝节铜的导体材料，在当前国内铜资源短缺的背景下一直受到关注。无论是从装备还是制备工艺来看，近年来铜包铝母线的制备技术都有显著进步。铜包铝母线的制备技术发展应结合其产品质量及使用要求，重点考虑以下几点。

(1)铜层体积比的优化设计

铜层体积比是铜包铝母线最为关键的技术参数之一，铜层体积比直接决定了铜包铝母线的电气性能。相关标准规定，铜包铝母线的铜层体积比最小值为18%［2，3］，这是结合当前国内铜包铝母线生产的综合水平考虑的。铜层体积比越小，制备过程相对复杂，铜铝界面结合较难控制。当前铜包铝母线产品对于铜层体积比的规定有较大争议，这主要是由于不同制备工艺引起的。

相对于铸造法，包覆焊接法和套管法制备的铜包铝母线其铜层体积比可以更小，其成本相对也更低。从用户角度来讲，应根据设备的电气性能要求来选择合适铜层体积比的铜包铝母线;而对于制造厂家来讲，应结合生产工艺特点来设计铜层体积比，在满足电气性能要求的条件下，对铜层体积比的设计进行优化，以达到最佳的经济效果。

(2)生产过程自动化程度

从当前国内铜包铝母线的实际生产水平来看，大多数生产工艺的步骤较多，生产自动化程度较低。特别是成型过程中进行热处理时还需要大量的人工辅助工作，存在安全隐患。提高铜包铝母线的生产过程自动化程度是该行业发展的一个关键问题，国内有一些厂家在这方面已有了较大的进步。如在采用半连续浇铸工艺时，国内已有厂家实现了从坯料到成品的自动化过程;采用Conform连续挤压铝芯基体在线包覆焊接铜带复合轧制法时，也实现了从坯料直接到成品的自动化过程。铜包铝母线生产线的自动化程度越高，产品质量稳定性和一致性也越容易控制，产品的成本也越低，从而更能体现出铜包铝母线产品的竞争力。

4 结束语

铜包铝母线在国内的生产和应用已有近十年的时间，总的来说铜包铝母线的生产水平和产品质量都有明显提高，产品应用范围和用量也呈现出增长趋势。特别是铜包铝母线相关产品标准的出台，对于规范铜包铝母线产品质量和促进该行业发展具有重要的意义。

铜包铝母线的行业发展需要母线生产厂家、使用者和设计人员的共同努力。对于用户和设计人员来讲，在采用铜包铝母线替代铜母线时，应清楚认识到两者之间电气性能的差异，以正确选用合适规格的铜包铝母线。而对于生产厂家而言，应根据铜包铝母线电气性能要求，优化设计铜层体积比，保证铜铝界面之间的可靠结合，并不断提高生产过程的自动化水平。

［1］GB/T 11022—1999 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求［S］.

［2］JB/T 11599—2013 电工用铜包铝母线［S］.

［3］DL/T 247—2012 输变电设备用铜包铝母线［S］.