铜包铝线在高频信号传输中的应用

铜包铝线在高频信号传输中的应用

0铜包铝复合金属线的研究由于铜资源匮乏，高频信号传输的回波效应，结合铜的良好导电性和重量轻，研究了铜层覆盖在铝芯线周围，开发了铜包铝复合金属线，具有良好的导电性、低密度、软质地、耐腐蚀性、易加工和低价格。1铜包铝线的特性和高频梯度1.1度：在情况下,各单位与纯铜相比,铜包铝线具有如下特点:(1)节约了铜,降低了生产成本。铜与铝的质量比约3.3∶1,铜包铝线的密度仅为纯铜线密度的37.3%～40.8%。在直径相同的条件下,1t铜包铝线的长度是相同重量纯铜线长度的1.7～2.45倍。(2)提高了同轴电缆使用的稳定性和可靠性。同轴电缆常用铝管作外导体的屏蔽层,因铜包铝线的膨胀系数相对纯铜线而言与铝材更为接近,从而减小了因温度变化使电缆内、外导体膨胀不匹配而产生的连接故障。(3)铜包铝线电缆重量轻,便于运输,可减小网络施工中的劳动强度。1.2高频电流的趋充效应一般认为,纯铜线的电阻率小,传输信号的能量损耗就小,这种观点在传输直流电或者低频交流电的时候是正确的,但在传输高频信号时有所不同。高频信号在导体上传输时,大部分电流都集中在导体的表面,而内部很少甚至没有电流经过,这就是高频电流的“趋肤效应”。理论上将导体内部电流减少到表面值的1/e=36.8%(e=2.71828)时的深度称为透入深度δ。对于铜导体,其透入深度δ=67/f1/2(1)式中f——信号的频率,Hz。f值越大,透入深度δ越小。通过常用铜包铝线的最薄允许铜层厚度与信号透入深度的关系(数据略)可见,常用铜包铝线的允许最薄铜层厚度比透入深度δ要大得多,因此使用相同尺寸的铜包铝线与纯铜线在信号传输质量上没有任何差别,铜包铝线完全可以满足射频信号传输的质量要求。2扩散热处理界面的建立铜包铝线的制备工艺必须确保两金属结合面接近到原子距离,而后经扩散热处理,最终形成界面的牢固结合。目前采用的工艺方法主要有:轧制压接法、静液挤压法、充芯连铸法、包覆层连续浇铸法和包覆焊接法等。2.1热处理铜带的制备轧制压接法就是将经过清洗并加热的2根铜带分别从上下2个方向包覆铝芯线,利用轧辊施加的压力将铜带与铝芯线压接在一起,然后将铜带接缝的2个凸耳切除形成线坯。将制成的线坯进行拉拔获得所需直径的线材,再通过热处理赋予线材所需性能。这种方法具有产品质量好、生产效率高及环保好等优点,但工艺复杂,工序较多,轧压设备投资大,因而生产成本较高。2.2静液挤压适用特点静液挤压法是一种特殊的挤压工艺。其基本思路是以大直径紫铜管坯和纯铝棒坯套装成挤压坯锭,经静液挤压一次成线坯,通过大等静水压力和大加工变形率作用达到铜、铝间的冶金结合。其工艺特点为:在静液挤压中,坯料周围充满介质;压力通过介质作用到坯料上,坯料受到均匀的等静水压力,坯料在挤压过程中没有镦粗变形,与挤压筒、挤压轴没有接触,变形区与挤压模之间的摩擦控制在最小范围内,因此从表层到芯部都能保持较均匀的变形。该方法的关键技术是保证铜和铝层在变形过程中流动的一致性。这是因为静液挤压虽然具备利于复合的大等静水压力,但铜与铝的力学性能差距较大,静液挤压的挤压比大,变形速度相对较快,在变形初始,铜和铝就必须保证充分结合,否则在后续快速延伸阶段很容易分层流动而导致挤压失败。为此工艺设计必须保证铜管、铝锭具备合适的套装间隙和接触面之间的良好清洁性。2.3金属液在中的安定铸作充芯连铸法就是首先制造铜包铝棒,然后经过拉拔和热处理,从而获得所需的铜包铝线。北京科技大学的吴春京教授在该方面作了大量的研究。充芯连铸工艺的基本原理是采用上下2个坩埚,使心部金属与外层金属分别在上下2个坩埚中熔化;由导流管和结晶器共同构成连铸铸管的铸型,外层金属液在其中凝固形成铸管;下拉外层金属铸管的同时,心部金属液随之充入铸管中,在一定的拉速和温度下,实现心部金属的凝固及其与外层金属的复合。该方法适合于生产铜包铝等心部金属熔点低、外层金属熔点高的双金属复合材料,可以得到包覆层厚度均匀,心部形状规整的复合金属材料棒材的情况,而且易于实现生产的连续化和自动化,但是该方法的工艺参数(如金属熔化温度、拉坯速度以及引锭杆、结晶器和导流管三者的位置关系等)控制难度较大。2.4cpc工艺及热压法铸造目包覆层连续浇铸法是将轧辊辊芯垂直放于水冷铸型中,将金属液浇注到配置在铸型上的耐火材料框架和辊芯之间,使外层金属液和辊芯熔合,并顺序向上凝固,将凝固部分连续向下拉拔,实现连续铸造外层。CPC法对于解决外层金属复合的完整性及控制复合效果方面有着独到的优势,在生产中其产品的品质也得到了保证,但其设备能力和厂房条件要求比较高,对操作者要求有较高的能力和操作水平。20世纪末日本开始CPC的研究,现在已经用于工业化生产高速钢轧辊。后来我国冶金部钢铁研究总院、邢台机械轧辊(集团)有限公司和北京科技大学合作,在国家863计划的资助下,在包覆层连续浇铸工艺的基础上开始该方面的开发研究,并取得了较好的成果。2.5包覆焊接装置包覆焊接法的工艺原理是采用包覆焊接装置,将经过清洗的铜带逐步形成圆管状,包覆在清洗过的铝芯线周围,采用氩弧焊将铜管的纵缝焊接起来形成线坯,然后通过拉拔和热处理获得所需的线材直径和性能。这种工艺模式相对较为简单,设备不太复杂,所生产的铜包铝线质量较好。国内某线缆光电企业以厚度为0.4mm、宽度为44mm的精轧紫铜带和直径为13mm铝杆采用包覆焊生产直径为14mm的铜包铝线坯。其包覆焊接装置结构如图1所示。为了使铜层和铝芯在拉拔过程中能形成冶金结合,首先要对原材料(铜带和铝芯)进行彻底的焊前处理,可采用机械法或化学法除去表面的油脂和氧化层。其次将铜带和铝芯线同时送入复合箱,并处于惰性气体保护中,以防止清洗后的铜带和铝芯线再次氧化。然后在包覆焊接装置中,铜带在多对垂直成形滚轮和水平成形滚轮的作用下,沿纵向逐步形成圆管状并将铝芯线包覆其中。继而进入焊接区用高速氩弧焊方法将圆管的纵缝连续不断地焊接起来,形成铜包铝线坯并缠绕在圆形卷盘上。随后,将线坯送入拉丝机中,进行多道次的拉拔,达到规定直径的线材,同时使铜、铝界面实现固相冶金结合。最后,通过适当的扩散热处理赋予铜包铝线所需的力学性能。该技术创新点是:(1)铜包铝线的包覆焊接装置,在惰性气体保护下,使铜带逐步形成圆管包覆在铝芯线周围,并将铜管纵缝连续不断地焊接起来。这种设备比国外使用的轧辊压接设备或静液挤压设备造价低,并且操作简便,易实现规模化生产,因而大大降低了铜包铝线的生产成本。(2)包覆焊接