銅包鋁母排作為軌道車輛接地產(chǎn)品的應(yīng)用分析

鮑偉兵 張 麗（南車南京浦鎮(zhèn)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(chǎn)品的應(yīng)用分析

鮑偉兵 張 麗
（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 220031）

本文對(duì)比了不同工藝生產(chǎn)的銅包鋁接地塊的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，綜合分析比較認(rèn)為采用固液融合工藝生產(chǎn)的接地塊與采用爆炸焊工藝生產(chǎn)的接地塊性能非常類似，采用固液融合工藝生產(chǎn)的接地塊也可以用于軌道交通車輛的接地系統(tǒng)。

銅包鋁；接地塊；爆炸焊；固液融合

由于鋁合金技術(shù)的發(fā)展以及輕量化和環(huán)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(shè)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(diǎn)，鋁合金表面易生成氧化層，影響導(dǎo)電性能，且接地端子多為銅端子，與鋁合金接地點(diǎn)之間易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；若采用銅材料作為接地點(diǎn)，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(fù)合材料接地塊作為接地材料被廣泛的應(yīng)用在鋁合金車輛上，銅包鋁復(fù)合接地塊如圖1所示，接地塊外層為銅，銅在大氣中化學(xué)穩(wěn)定性好，不易氧化，且與接地線端子材質(zhì)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(chǎn)過程是先通過適當(dāng)?shù)墓に嚿a(chǎn)不同規(guī)格的銅包鋁母排，然后將銅包鋁母排根據(jù)實(shí)際需求加工成接地塊。

1 銅包鋁母排的生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)

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(jī)，壓力通過坯料周圍的擠壓介質(zhì)作用到坯料上從而實(shí)現(xiàn)銅鋁結(jié)合。

1.2 軋制壓接工藝

通過機(jī)械壓力將銅板壓接到鋁板上，但是該方案無法實(shí)現(xiàn)鋁塊的四周包覆銅材料，只能在鋁板的寬面復(fù)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(jìn)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(tài)下進(jìn)行復(fù)合，稱為固相擴(kuò)散結(jié)合，其復(fù)合機(jī)理為銅、鋁的表面層破裂，新鮮鋁質(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生原子鍵結(jié)合，經(jīng)過熱處理后，通過擴(kuò)散或結(jié)晶行為，使點(diǎn)結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼Y(jié)合，共同的缺點(diǎn)是復(fù)合層很薄，結(jié)合強(qiáng)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(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)銅鋁異種材料的焊接。爆炸焊的結(jié)合區(qū)在微觀上融合了壓力焊（塑性變形）、熔化焊（熔化）和擴(kuò)散焊（擴(kuò)散）的特性，爆炸焊由于加載壓力和界面高溫持續(xù)時(shí)間極短，可避免脆性金屬間化合物的生產(chǎn)，復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度高。

1.5 固液融合工藝

該工藝是一種用于制備高熔點(diǎn)金屬包覆低熔點(diǎn)金屬的復(fù)合材料的工藝。將高溫鋁溶液注入銅管，銅管內(nèi)壁在高溫下發(fā)生部分熔化，在一定的冷卻條件下，銅鋁之間發(fā)生熔合和界面銅鋁擴(kuò)散，最終獲得穩(wěn)定的銅鋁復(fù)合材料。該工藝工序少，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無氧化界面復(fù)合，便于批量生產(chǎn)。

圖1 接地塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 固相擴(kuò)散界面

2 現(xiàn)狀

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

但爆炸焊也存在著明顯的缺點(diǎn)和局限性，主要缺點(diǎn)如下所示：

（1）炸藥具有危險(xiǎn)性，容易讓人產(chǎn)生恐懼感。

（2）對(duì)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化。

（4）由于炸藥的填埋等操作全靠人工來操作，因此質(zhì)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(chǎn)出的接地塊產(chǎn)品成本還是偏高，那么能否找到一種更為經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，來判斷其他加工工藝生產(chǎn)的銅包鋁母排能否作為接地塊使用。

3 銅包鋁復(fù)合母排作為接地使用的特殊需求

電力行業(yè)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(yè)已經(jīng)有成熟的應(yīng)用業(yè)績(jī)，但是電力行業(yè)中銅包鋁母排的使用需求和軌道交通行業(yè)作為接地塊使用的需求有一定的區(qū)別：

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

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

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

（4）電力行業(yè)的銅包鋁母線作為導(dǎo)線使用時(shí)，大多采用冷連接的方式，而作為接地塊使用時(shí)，接地塊需承受焊接產(chǎn)生的短時(shí)高溫，以及車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，承受電流通過時(shí)的溫升，而不發(fā)生分層，這就需要銅鋁之間具有一定的結(jié)合強(qiáng)度。

綜上所述，銅包鋁復(fù)合母排若作為接地塊使用，必須保證銅鋁之間存在著穩(wěn)定的原子間結(jié)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(jié)合強(qiáng)度，滿足長(zhǎng)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(kuò)散工藝（圖2）、固液融合工藝（圖3）、爆炸焊工藝（圖4）生產(chǎn)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(kuò)散工藝（圖2）所生產(chǎn)的銅鋁界面凹凸不平，不連續(xù)，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(chǎn)品，銅鋁復(fù)合界面呈現(xiàn)出連續(xù)整齊的形態(tài)。

從電鏡相圖來看，采用固相擴(kuò)散的銅鋁界面存在不連續(xù)的現(xiàn)象，不符合接地塊的使用需求，由此可推斷，采用固相擴(kuò)散工藝制造的銅鋁母排用作接地塊時(shí)還存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因此先排除固相擴(kuò)散工藝產(chǎn)品。

5 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(fù)合，然后再機(jī)械加工成型的方式，因此銅鋁界面除了必須要實(shí)現(xiàn)原子間結(jié)合，保證電流的順利傳導(dǎo)外，還需要具有一定的強(qiáng)度，才能滿足后續(xù)的成型、切削、沖孔等工藝，因此還需關(guān)注以下參數(shù)：

銅層和鋁層的分離強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度。分離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度必須達(dá)到一定的數(shù)值，才能保證在后續(xù)機(jī)加工過程中不會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象。

高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)。接地塊在使用時(shí)需要承受焊接短時(shí)高溫以及電流通過產(chǎn)生的溫升。

90°彎曲實(shí)驗(yàn)，若銅鋁層結(jié)合良好，則整個(gè)母排形成一個(gè)整體，在彎曲的過程中，整體發(fā)生壓縮和伸長(zhǎng)，反正，若結(jié)合情況不好，則在彎曲的過程中很容易產(chǎn)生分層、裂紋、褶皺等現(xiàn)象。

表1為相同規(guī)格，分別采用爆炸焊工藝及固液融合工藝的產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比：

從表格數(shù)據(jù)可見，采用固液融合工藝生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合母排與采用爆炸焊生產(chǎn)的產(chǎn)品參數(shù)較為接近，其中固液融合工藝生產(chǎn)的分離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度還要高于爆炸焊工藝生產(chǎn)的母排。

表1

結(jié)論

（1）采用爆炸焊生產(chǎn)的銅包鋁復(fù)合母排作為接地塊目前在國內(nèi)外已經(jīng)被廣泛使用，實(shí)際使用業(yè)績(jī)證明爆炸焊工藝生產(chǎn)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(chǎn)控制等方面的問題，需要嘗試尋找新的產(chǎn)品。

（2）采用固相擴(kuò)散工藝生產(chǎn)的銅包鋁復(fù)合母排，由于存在在分界面不平齊、不連續(xù)的現(xiàn)象，用于軌道車輛接地塊時(shí)，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用固液融合工藝生產(chǎn)的復(fù)合母排參數(shù)與爆炸焊生產(chǎn)產(chǎn)品的參數(shù)非常接近，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，成本較低，可以嘗試用于制作接地塊。

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[3]網(wǎng)絡(luò)資料，銅鋁復(fù)合排生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用[Z].

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