冷轧铜板带残余应力成因及消除方法浅析

韩 垒,梁红玉,王少华,张文芹,景 洁

(1.中北大学，山西 太原030051；2.太原工业学院，山西 太原 030008；3.太原晋西春雷铜业有限公司，山西 太原 030008)

铜合金板带在冷轧过程中会产生残余应力。铜板带中残余应力超过了临界屈曲应力，成品铜板带会出现翘曲等不良板形；另一种情况是冷轧后成品铜板带并未显示不良板形，但在后续机械加工过程中，会产生翘曲、扭曲等缺陷，这主要是因为冷轧过程中铜板带产生的残余应力重新分布引起的[1, 2]。有关探讨冷轧铜板带残余应力的研究比较缺乏，20世纪初只有少量的研究报道，从20世纪50年代以来，各国才逐渐展开大量研究。我国对冷轧铜板带的残余应力研究比较晚，20世纪80年代，随着X射线衍射测试残余应力法的逐渐成熟，我国对冷轧铜板带残余应力的研究逐渐开展起来。之后，有限元模拟也被渐渐应用到冷轧铜板带过程的研究中。到目前为止，从各国有关学者发文情况来看，测试冷轧铜板带残余应力的文章较多，然而分析残余应力产生原因的文章偏少。所以深入探究残余应力的成因，在生产过程中更好的控制残余应力成为高精度铜板带企业的一个努力方向。

冷轧铜板带加工工艺流程为，铸锭→加热→热轧→铣面→初轧→切边→退火→中轧→中间退火→精轧→清洗→拉弯矫直→退火→剪切→包装→入库。

1 残余应力产生原因

金属材料产生宏观残余应力的原因有，冷塑性变形不均引起的残余应力、热影响引起的残余应力和组织变化引起的残余应力；金属材料产生微观残余应力的原因有，由于晶粒各向异性而产生的微观残余应力、由于晶粒内外的塑性变形不均而产生的微观残余应力和由于夹杂物、沉淀相或相变而出现的第二相所产生的微观残余应力。冷轧铜板带残余应力产生的原因很复杂，总的来说，宏观方面主要是冷塑性变形不均引起；微观方面主要是晶粒的各向异性和晶粒内外塑性变形不均引起的。国内外学者从不同方面探究冷轧铜板带残余应力产生的原因，类比冷轧钢板带、冷轧铝板带等，冷轧铜板带残余应力的神秘面纱正在渐渐被揭开。

1.1 由冷塑性变形不均引起的残余应力

在冷轧铜板带的过程中，冷塑性变形不均是引起残余应力的主要原因。换言之，能导致冷塑性变形不均的因素均可以引起冷轧铜板带残余应力。导致冷塑性变形不均的直接原因主要来自于轧辊和铜板带自身两个方面。轧辊方面轧辊的弹性变形、轧辊热膨胀和轧辊磨损是主要原因；铜板带自身的主要原因一般为来料凸度。

1.1.1 轧辊弹性变形

Von Karman T[3]提出了传统冷轧理论，但是忽略了轧辊的弹性变形。Orowan E[4]认为冷轧时轧辊会发生均匀的弹性变形，变形后的轮廓还是圆形。后续的研究发现冷轧过程中轧辊的变形并非是均匀的，轧辊在轧制压力和轧件回弹的共同作用下发生弹性变形，变形区接触弧长增大，变形后的轮廓并非圆形。轧辊的弹性变形包括轧辊压扁和轧辊弯曲。轧辊弹性变形指的是轧件和工作辊之间接触压扁变形、辊间相互压扁变形以及轧辊弯曲变形三个变形量叠加对有载辊缝的改变程度[5]。成品铜板带的断面形状取决于有载辊缝的形状，轧辊弯曲和压扁都会改变有载辊缝的形状，导致铜板带塑性变形不均。

1.1.2 轧辊磨损

冷轧过程中轧辊的磨损也是一个引起铜板带残余应力的主要原因，并且这种磨损沿辊身长度方向上表现出不均匀，一般中部磨损较大。所以轧辊的磨损会渐渐改变有载辊缝的形状，使铜板带塑性变形不均。冷轧铜板带过程中轧辊的主要磨损形式有以下两种，第一，轧辊在咬入铜带后，在板带轧制变形区，轧辊和板带产生复杂的相互作用，会在接触表面产生磨粒，一部分磨粒随着冷却液被带走，剩余磨粒残留在轧辊和带材表面，并由于摩擦作用对轧辊产生磨粒磨损；Mekicha[6]开发了一个基于物理的多尺度磨损模型，可以预测边界润滑状态下在冷轧过程中磨粒形成的严重程度，为在冷轧过程中及时控制轧辊磨粒磨损提供了可能。第二，铜合金材料质软，冷轧铜板带时，铜板带和轧辊在高压环境下作业，铜板带和轧辊接触表面会产生黏着磨损；罗胜江[7]研究了冷轧薄板带过程，指出了冷轧过程中轧辊磨损会使板带单边产生残余应力或1/4处产生残余应力。

1.1.3 轧辊热膨胀

轧机工作时，工作辊与支承辊以及工作辊与铜板带之间因为摩擦产生的热量、铜板带在变形区内产生的热量以及铜板带和工作辊发生相对滑动产生的热量，再加之冷却液带走热量时不均匀等因素造成轧辊沿辊身长度方向上温度分布不均使轧辊产生热膨胀，改变有载辊缝形状，使铜板带产生不均匀变形。Yang[8]等人以冷轧时变形区的变形热和摩擦热作为热源，建立了辊缝热源模型模拟轧辊横向温度分布变化，可以实时发现轧辊的热膨胀并及时作出调整，使我们能更清晰地了解到轧辊热膨胀，为生产过程中控制轧辊热膨胀使板带更均匀塑性变形做了一个很好的铺垫。赵永和[9]对冷轧板带温度场以及轧辊热变形进行了研究，提出了轧辊和冷却液换热系数的计算方法，为后来研究轧辊热膨胀对板形影响提供了指导方法。轧制时由于轧辊和轧件产生的摩擦热，曹建刚[10]等研究了轧制过程中轧辊的温度场，发现工作辊中间温度高，两端温度低，横断面中心和表层温差30℃，轧辊产生了热膨胀。可见，轧辊热膨胀对冷轧铜板带塑性变形的影响非常大，造成变形不均，引起板带残余应力。

1.1.4 来料凸度

铜板带作业环境是动态的，因此残余应力除了受外部因素的影响，铜带的自身因素也有很大影响。来料的断面形状不良也会引起铜板带在轧制过程中塑性变形不均，即来料凸度也是引起铜板带残余应力的原因。袁光前[11]研究了冷轧铜板带时来料凸度对板带塑性变形的影响，发现来料有一定的正凸度，轧制后板带板形良好，来料凸度降低，轧制后板带边部会出现明显的残余应力。施慕超[12]根据上海铝加工厂多年的加工经验，总结出了不同来料断面形状不良导致冷轧板带产生不均匀变形的情况。

1.2 晶粒各向异性和晶粒内外变形不均

铜合金是多晶体，晶粒呈各向异性。随着变形条件的不同，多晶体在塑性变形时会发生晶间变形和晶内变形。冷轧铜板带时，在相同轧制力的作用下，因为晶粒的各向异性，晶粒沿滑移系变形时每个滑移系获得的分切应力也不同，导致晶粒进入塑性变形的时间不同步，软取向的晶粒更容易达到滑移的分切应力而先于硬取向的晶粒发生塑性变形，硬取向晶粒对软取向晶粒滑移产生了阻碍作用，从而导致塑性变形不均匀，产生应力。晶界也影响塑性变形，晶界一般会集聚一些不固溶的杂质或第二相粒子。塑性变形时由于晶界的阻碍，大量位错停止在晶界形成钉扎，使晶界强度和硬度增大，比晶粒更难发生塑性变形，常常会发生应力集中，轧后这些应力不会消除，就形成了残余应力。Sachtleber[13]等对再结晶后金属塑性变形进行研究发现，在塑性变形的前期，晶粒内部的变形是不均匀的，且晶粒各向异性会随着塑性变形程度的增大继续增大。CHEN[14]等通过研究晶粒取向对冷轧薄铜板带变形不均匀性影响发现，因为晶粒的初始取向不同和相邻晶粒的错配，多晶体不仅在晶内塑性变形不均，在晶间变形也不均匀。陈守东[15]等人采用晶体塑性有限元法模拟了只有一层晶粒的铜板带轧制过程。发现轧制过程中，晶粒的取向、变形以及滑移是局部性的，且这种局部性是由晶粒取向和晶界的取向导致的。由于相邻晶粒的作用，使晶粒转为硬取向阻碍滑移进行，导致晶粒内部出现局部非滑移区，出现塑性变形不均。

1.3 其他影响因素

以上所述为冷轧铜板带过程中直接引起冷塑性变形不均，进而导致残余应力的原因。还有一些影响因素，例如轧制速度、摩擦条件等，这些因素并不会直接导致冷轧铜板带不均匀变形产生残余应力，而是会影响轧制压力和轧辊变形，造成轧辊变形等缺陷，最终引起板带产生残余应力。

2 残余应力的消除措施

残余应力会导致铜板带产品应力腐蚀开裂、疲劳、板形不良等缺陷，会严重影响板铜板带的质量，使后续铜板带的加工无法进行。随着电子生产线的日渐繁荣，对高精度铜板带的需求日益增大，如何控制和消除铜板带残余应力成为国内外铜板带领域的重点和难点。消除残余应力的方法从上个世纪就开始了，其主要原理是从外界向板带施加能量，使位错开动，使板带内部残留的弹性应变转为永久的非弹性应变[16]。经过长时间的摸索，已经确定了几种有效的消除残余应力方法，包括施加热载荷、施加额外塑性变形、深冷处理和施加交变载荷等。

2.1 去应力退火

热处理是一种古老且有效的消除残余应力方法。到目前为止，去应力退火还是大多数高精度铜板带企业消除铜板带残余应力的利剑。K.E. Amin[17]等对轧后铜板带进行了低温退火处理，使冷轧过程中产生的残余应力消减了一部分。吴小香[18]对低温轧制后的铜合金进行了真空退火处理，消减了材料内部的残余应力，并且指出了最佳的退火温度。

2.2 拉伸弯曲矫直

矫直也是消除铜板带残余应力的一种常用手段，传统的矫直方法有辊式矫直和张力矫直。这两种矫直方法在消除板带残余应力方面局限性比较大，效果也不好。连续拉伸弯曲矫直机将这两种方法结合起来，在消除板带残余应力中得到了广泛应用。板带在张力和弯曲应力的共同作用下发生塑性变形，使板带内部残余应力循环加载与卸载，断面纤维长度保持一致， 这个过程称之为拉伸弯曲矫直。刘研[19]对板带拉伸弯曲矫直的机理和过程进行了详细的阐述，对矫直过程中的矫直参数定量分析并通过仿真定量说明了各矫直参数对拉伸弯曲矫直后板带残余应力分布的影响。岳照涵[20]利用有限元软件对薄板带中浪的拉伸弯曲矫直过程进行了模拟， 发现拉伸弯曲矫直可以改善板形，但必须是多道次矫直，单道次矫直效果不好。

2.3 深冷处理

作为传统热处理的一种附加工艺，深冷处理金属材料消除残余应力也是一种绿色有效的手段。深冷处理的机理是利用不同阶段材料内外的应力状态不同来互相抵消应力作用效果。李敬民[21]等人对铝铜系合金加以不同的深冷处理工艺，发现深冷处理比传统的时效处理去除残余应力的效果要好。吴纪洲[22]对拉拔后纯铜材料进行了深冷处理，显著改变了材料的应力状态。王磊[23]对比研究了深冷处理金属材料残余应力和去应力退火处理金属材料残余应力的状态，发现深冷处理比去应力退火处理对材料的影响更均衡，深冷处理在降低残余应力的同时使残余应力状态发生了改变。

2.4 振动时效

振动时效消除残余应力是一种绿色环保的新工艺，由美国人J W Stratt发现并提出的。M.Shalvandi[24]等人用超声波振动薄工件的残余应力，研究发经现振动时效处理的工件残余应力与经热处理的工件残余应力几乎相差无几，换言之，振动时效处理对残余应力的消除效果是显著的。Claudiu Nicola[25]等也对金属工件进行了振动时效处理，明显消除了残余应力。孙春芽[26]以不同的振动参数对板带进行振动时效处理，发现不同参数对残余应力的消除程度不同，但都能有效消减板带的残余应力。

2.5 张力退火

低温张力退火是企业在高精度板带箔材生产过程中消除残余应力的一种热门有效的方法，在退火过程中加以张力配合更大程度的消除板带内部的残余应力，例如气垫炉的使用。R. Wang[27]等人综合考虑了连续退火过程中张力对带材偏差、屈曲和宽度变窄等因素的影响，优化张力改善板形并开发了一个冷轧板带连续退火过程中张力设置优化软件，表现出良好的效果。麻永林[28]采用张力退火炉对冷轧后的板带进行低温张力退火，在控制退火温度不变而改变3种不同张力的条件下实验发现，控制合适的参数，低温张力退火可以同时改善板带横向和纵向的残余应力。

3 结语

(1)冷轧铜板带残余应力的产生原因是复杂的，有机械作用和热作用的耦合，也有单一因素的影响。目前我们对冷轧铜板带残余应力的产生原因探究还是很浅显的，多方位、深层次的探究残余应力的产生原因是高精度铜板带企业的技术方向之一。

(2)随着5G技术的成熟和广泛应用，引线框架用铜带的需求量会日益增大，同时，对铜板带残余应力的要求也将更为严格。因此研究消除高精度铜带箔残余应力的工艺方法，并在生产中进行产业化应用成为迫在眉睫的问题。

(3)目前，高精度铜板带企业均认识到板形及残余应力控制的重要性，但由于对冷轧铜带残余应力产生原因的认识不够深入，残余应力控制的技术措施还显得较为单一、不太系统，仅仅依靠在成品阶段消除残余应力的方法，不能通过源头控制，致使国内高精度铜板带在残余应力方面与国外产品还有较大差距。

Analysis on Cause and Elimination Method of Residual Stress in Cold Rolled Copper Strip

Han Lei1, Liang Hongyu2, Wang Shaohua3, Zhang Wenqin3, Jing Jie3

(1. North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China; 3. Taiyuan Jinxi Chunlei Copper Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

Abstract: This paper reviews the research status of residual stress in cold rolled copper alloy strip from the aspects of the cause and elimination methods. It is pointed out that it is urgent to understand the cause of residual stress of cold rolled copper alloy strip and to study the control and elimination process of residual stress of high precision copper strip foil and apply it in industrial production.

Keywords: cold rolling; copper alloy strip; residual stress; causes; elimination method;