銅包鋁母排作為軌道車輛接地產品的應用分析

鮑偉兵 張 麗（南車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 220031）

銅包鋁母排作為軌道車輛接地產品的應用分析

鮑偉兵 張 麗
（南車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 220031）

本文對比了不同工藝生產的銅包鋁接地塊的相關實驗參數，綜合分析比較認為采用固液融合工藝生產的接地塊與采用爆炸焊工藝生產的接地塊性能非常類似，采用固液融合工藝生產的接地塊也可以用于軌道交通車輛的接地系統。

銅包鋁；接地塊；爆炸焊；固液融合

由于鋁合金技術的發展以及輕量化和環保等要求，目前軌道交通越來越多的車輛采用鋁合金車體。但也給車輛電氣設備的接地方案提出了新的要求，若采用鋁合金材料作為車體接地點，鋁合金表面易生成氧化層，影響導電性能，且接地端子多為銅端子，與鋁合金接地點之間易產生電化學腐蝕；若采用銅材料作為接地點，又存在銅材料如何和鋁合金車體連接的問題。在此背景下，銅包鋁復合材料接地塊作為接地材料被廣泛的應用在鋁合金車輛上，銅包鋁復合接地塊如圖1所示，接地塊外層為銅，銅在大氣中化學穩定性好，不易氧化，且與接地線端子材質相同，接地塊中間為鋁層，鋁層和鋁合金車體可直接焊接。

接地塊的生產過程是先通過適當的工藝生產不同規格的銅包鋁母排，然后將銅包鋁母排根據實際需求加工成接地塊。

1 銅包鋁母排的生產工藝及特點

1.1 靜液擠壓工藝

將銅管和鋁棒壓裝成組合坯料，然后放入靜液擠壓機，壓力通過坯料周圍的擠壓介質作用到坯料上從而實現銅鋁結合。

1.2 軋制壓接工藝

通過機械壓力將銅板壓接到鋁板上，但是該方案無法實現鋁塊的四周包覆銅材料，只能在鋁板的寬面復合銅板，鋁板的窄邊仍是裸露。

1.3 穿套軋制工藝

穿套軋制工藝是將鋁棒套入銅管，再進行拉伸或軋制，再熱處理。

以上幾種工藝都是將銅和鋁在固態下進行復合，稱為固相擴散結合，其復合機理為銅、鋁的表面層破裂，新鮮鋁質點擠入銅裂口中而相互接觸，在一定條件下，表面原子被激活，形成激活中心而使新鮮質點間產生原子鍵結合，經過熱處理后，通過擴散或結晶行為，使點結合轉變為面結合，共同的缺點是復合層很薄，結合強度低。

1.4 爆炸焊工藝

將鋁棒和銅管組裝好，埋入炸藥中，利用炸藥爆炸產生的能量，實現銅鋁異種材料的焊接。爆炸焊的結合區在微觀上融合了壓力焊（塑性變形）、熔化焊（熔化）和擴散焊（擴散）的特性，爆炸焊由于加載壓力和界面高溫持續時間極短，可避免脆性金屬間化合物的生產，復合材料的結合強度高。

1.5 固液融合工藝

該工藝是一種用于制備高熔點金屬包覆低熔點金屬的復合材料的工藝。將高溫鋁溶液注入銅管，銅管內壁在高溫下發生部分熔化，在一定的冷卻條件下，銅鋁之間發生熔合和界面銅鋁擴散，最終獲得穩定的銅鋁復合材料。該工藝工序少，同時可以實現無氧化界面復合，便于批量生產。

圖1 接地塊結構示意圖

圖2 固相擴散界面

2 現狀

目前采用爆炸焊工藝生產的接地塊在國內外的軌道交通行業都已廣泛的在使用，爆炸焊工藝可以生成高質量的銅鋁復合界面，并且采用爆炸焊制備的復合材料可以承受多次和多種形式的壓力加工，機械加工，以及焊接等后續加工，而不致分層和開裂，因此采用爆炸焊生產的接地塊已經得到認可。

但爆炸焊也存在著明顯的缺點和局限性，主要缺點如下所示：

（1）炸藥具有危險性，容易讓人產生恐懼感。

（2）對場地要求高，一般都選擇在荒山中。

（3）受氣候和天氣影響較大，無法實現機械化、自動化。

（4）由于炸藥的填埋等操作全靠人工來操作，因此質量檢查和控制存在一定難度。

由于這些缺陷的存在，造成目前爆炸焊生產出的接地塊產品成本還是偏高，那么能否找到一種更為經濟的方式？下文將從接地塊的使用需求開始分析，并通過不同產品的實驗數據對比，來判斷其他加工工藝生產的銅包鋁母排能否作為接地塊使用。

3 銅包鋁復合母排作為接地使用的特殊需求

電力行業很早之前就提出了“以鋁代銅”的思想，各種銅包鋁母排在電力行業已經有成熟的應用業績，但是電力行業中銅包鋁母排的使用需求和軌道交通行業作為接地塊使用的需求有一定的區別：

（1）電力行業推廣的原因側重于降低成本；而作為軌道交通行業接地塊使用時，更多的選擇原因是為了利用銅包鋁的結構來解決鋁合金車體的接地點問題。

（2）電力行業使用時，大部分情況下都是交流電，由于集膚效應，大部分電流都從銅包鋁排的表面通過。而軌道交通行業直流電的使用位置要多于交流電，因此集膚效應并非軌道交通行業考慮的重點。

（3）電力行業中銅包鋁作為導線使用時，電流路徑是從導線的一端到另外一端的水平傳播，且由于集膚效應，電流大多在銅層傳播，因此對銅鋁復合層的質量要求不是很苛刻，而作為軌道交通行業接地塊使用時，電流垂直傳播，電流路徑為“接地塊銅層→銅鋁過渡復合層→接地塊鋁層→車體”，因此對銅鋁復合界面的質量要求非常高。復合界面必須要實現穩定的原子間結合，才能順利的傳導接地電流，若復合界面無法實現原子間結合，則銅鋁之間反而產生電化學腐蝕，或者銅鋁之間產生間隙，則大大增加了銅鋁之間的接地電阻率。

（4）電力行業的銅包鋁母線作為導線使用時，大多采用冷連接的方式，而作為接地塊使用時，接地塊需承受焊接產生的短時高溫，以及車輛運行時產生的振動，承受電流通過時的溫升，而不發生分層，這就需要銅鋁之間具有一定的結合強度。

綜上所述，銅包鋁復合母排若作為接地塊使用，必須保證銅鋁之間存在著穩定的原子間結合，以便電流能從銅層順利過渡到鋁層，并且銅鋁之間必須有一定的結合強度，滿足長期使用要求。

圖3 固液融合界面

圖4 爆炸焊界面

4 銅鋁界面相圖

圖2～圖4分為固相擴散工藝（圖2）、固液融合工藝（圖3）、爆炸焊工藝（圖4）生產的銅包鋁母排的銅鋁界面電鏡掃描照片，從照片可見，固相擴散工藝（圖2）所生產的銅鋁界面凹凸不平，不連續，厚度僅有1μm左右。而采用固液融合工藝（圖3）和采用爆炸焊工藝（圖4）的產品，銅鋁復合界面呈現出連續整齊的形態。

從電鏡相圖來看，采用固相擴散的銅鋁界面存在不連續的現象，不符合接地塊的使用需求，由此可推斷，采用固相擴散工藝制造的銅鋁母排用作接地塊時還存在一定風險，因此先排除固相擴散工藝產品。

5 關鍵參數對比

由于目前大多工藝原始坯料都是先采用將銅管和鋁棒復合，然后再機械加工成型的方式，因此銅鋁界面除了必須要實現原子間結合，保證電流的順利傳導外，還需要具有一定的強度，才能滿足后續的成型、切削、沖孔等工藝，因此還需關注以下參數：

銅層和鋁層的分離強度及剪切強度。分離強度和剪切強度必須達到一定的數值，才能保證在后續機加工過程中不會發生分層現象。

高低溫循環實驗。接地塊在使用時需要承受焊接短時高溫以及電流通過產生的溫升。

90°彎曲實驗，若銅鋁層結合良好，則整個母排形成一個整體，在彎曲的過程中，整體發生壓縮和伸長，反正，若結合情況不好，則在彎曲的過程中很容易產生分層、裂紋、褶皺等現象。

表1為相同規格，分別采用爆炸焊工藝及固液融合工藝的產品的相關參數進行對比：

從表格數據可見，采用固液融合工藝生產的銅鋁復合母排與采用爆炸焊生產的產品參數較為接近，其中固液融合工藝生產的分離強度和剪切強度還要高于爆炸焊工藝生產的母排。

表1

結論

（1）采用爆炸焊生產的銅包鋁復合母排作為接地塊目前在國內外已經被廣泛使用，實際使用業績證明爆炸焊工藝生產的接地塊能很好的解決鋁合金車輛的接地問題，只是目前存在成本和生產控制等方面的問題，需要嘗試尋找新的產品。

（2）采用固相擴散工藝生產的銅包鋁復合母排，由于存在在分界面不平齊、不連續的現象，用于軌道車輛接地塊時，存在一定風險。

（3）采用固液融合工藝生產的復合母排參數與爆炸焊生產產品的參數非常接近，并且可以實現連續生產，成本較低，可以嘗試用于制作接地塊。

[1]鄭遠謀.爆炸焊接和爆炸復合材料的原理及應用[M].長沙：中南大學出版社，2007.

[2]張建宇，姚金金，曾祥勇，韓艷秋，吳春京，銅包鋁復合材料研究進展[J].中國有色金屬學報， 2014， 24（05）.

[3]網絡資料，銅鋁復合排生產技術及應用[Z].

TM24

A