鋁合金電纜導體制造技術與質量控制探究

何自鵬

（上海新啟電纜科技有限公司，上海 200000）

0 引 言

與銅芯電纜相比，鋁合金電纜有很大的價格優勢。與普通鋁電纜相比，鋁合金電纜解決了鋁的抗蠕變性能差，使用時間長導體溫度變化、接頭松動的問題，減少了接觸不良或電阻增大導致電纜表面過熱而產生的故障問題。鋁合金電纜的品質關鍵在于鋁合金導體，而AA8000系列鋁合金導體能解決普通鋁芯電纜接頭松動的問題。保證鋁合金電纜導體質量主要在于檢測元素成分、機械性能、電氣性能和緊壓系數。本文就AA8000系列鋁合金導體的制造技術與質量控制展開探究。

1 鋁合金電纜導體制造技術

1.1 鋁合金拉線工藝

鋁合金桿材向鋁合金單絲進行加工的過程中，拉線是比較重要的工藝，關鍵因素是拉拔工藝所用的裝備、模具和潤滑等。其中，關鍵設備是拉絲機。它可以通過與模具的配合，控制鋁合金線材的截面積、長度和形狀，如圖1所示。

圖1 鋁合金導線拉拔過程

1.1.1 拉絲機選擇

目前，比較常用的拉絲機主要包括非滑動式鼓輪拉線機、滑動式拉線機和拉軋式拉線機（等徑輪型）三種。現階段，使用比較廣泛的是滑動式拉線機（高速鋁拉機）。它由放線裝置、拉線主機、儲線裝置、拉線潤滑油系統、齒輪潤滑油系統、扎頭穿模機、電氣控制系統以及傳動系統組成[1]，優點有以下三方面：（1）可實現快速換模、全自動雙盤收線、整機性能先進，電氣自動化控制程度高；（2）主機由拉線鼓輪等組成，滑動式高速拉線機具有剛性好、易操作等優點；（3）齒輪箱由直流電機經聯軸器驅動，可實現無級變速。

1.1.2 鋁合金導體拉絲工藝控制

選材不同，拉絲工藝控制要求也不同。拉絲工藝參數由拉絲機、鋁合金桿材型號和單絲直徑決定。配模參數、注意事項及控制要求如表1所示。

注意事項及控制要求：

（1）表1以Φ9.5 mm進線為例，僅供參考；

（2）過道機械延伸系數設置為1.176 47，出口延伸系數為1.111 1（僅供技術參考）；

（3）鋁單線表面應光潔，不得有潤滑液、毛刺及任何不良缺陷；

（4）測量采用千分尺，控制尺寸在公差范圍內；

（5）若出現斷絲，建議采用冷焊接；注意2號接頭不能小于300 mm，且斷頭需引出出線模后才可接絲。

1.2 鋁合金導體絞絲工藝控制

為了增加電線電纜的柔軟性，提高線路連通的可靠性，通常采用多根單線扭在一起的絞線。將若干根同直徑的單線按照一定方向和一定規則膠合在一起成為一個整體，稱為絞絲[2-3]。

1.2.1 絞絲機選擇

絞絲機根據結構特點分可分為籠絞機（搖籃式、叉絞式、筒式和框式）、管絞機（管式和弓式）和束線機（橫盤式和直盤式）。鋁合金導體一般為正規絞合，選擇管絞機和框式籠絞機比較合適。管絞機適合19根及以下單絲絞合，特點是一般為一個筒體即一段式，放盤數目有6盤和12盤兩種；管體重量輕，線盤不旋轉（在設備中心），慣性小，轉速較高，但工作時噪音大。框式籠絞機適合18根及以上單絲絞合，特點是籠體為框式結構件，放線盤安裝在框形架上，各組間一字排列，便于操作，節省操作時間，有利于實現上下盤的機械化和自動化；可以實現正規絞合，通常由不同盤數的幾段絞籠組成，每段的轉動方向相同可以相同，以便絞制出多層絞向不同的絞線。

表1 LHD-450/13型高速鋁拉線機配模參數

1.2.2 鋁合金導體絞絲工藝控制

絞絲工藝按照絞線截面的大小設計。當中心為1根單線時，絞線結構可由7、19、37、61或91根等徑線材構成，由內至外每層遞增6根單線，相鄰層的絞向可相同或者相反。若中心線大于1根時，排列方式如表2所示，其中m表示單線層數。

表2 絞絲排列方式

注意事項及控制要求：

（1）絞合后的整股導體不得焊接，單線可以焊接，任何導體0.3 m內不得超過1根接頭；（2）絞合后處理表面鋁屑，導體表面應光潔、圓整。

1.3 鋁合金導體退火工藝控制

線材拉制過程中，由于線材經過拉線模受到冷加工變形，導致線材變硬、變脆，強度、硬度增加，塑性降低[4]。為了消除硬化，提高塑性，許多導體除了具有良好的導電性能外，還應具有較好的力學性能。因此，需要將線材進行退火處理。

1.3.1 退火設備的選擇

退火設備包括地坑罐式退火爐、鐘罩式電熱退火爐、熱風循環式退火爐和水封式電熱退火爐。鋁合金導體一般選用熱風循環式退火爐，優點是加熱快、溫度均勻、線材退火合格率高。

1.3.2 鋁合金導體退火工藝控制

根據鋁合金導體的型號不同，要求也不同。美國標準UL 44-2018《熱固性絕緣電線與電纜》中，關于8000系列導體標準抗張強度為98～159 MPa，伸長率不小于10%。為了使電纜有更好的柔軟性和導電性能，抗張強度符合標準下限即可，溫度一般選擇280±5 ℃。為了保證整盤導體退火的均勻性，必須保證退火保溫時間。退火時間的計算表達式為：

工藝控制事項：

（1）盤底徑應是導體所占直徑，不包括盤具筒體直徑和外側空余部分；

（2）退火（保溫）時間結束后，電熱已不工作，風機延遲1 h后出爐，放在空氣中繼續冷卻。

2 鋁合金導體質量控制措施

標準ASTM B800-05《電氣用退火及中溫回火8000系列鋁合金導線標準規范》中，規定了導體化學成分要求（如表3所示），明確了導體是AA8000系列鋁合金，合金狀態代號為0、HIX或H2X。參照國家推薦性標準GB/T16475-2008《變形鋁及鋁合金狀態代號》的定義，0為退火狀態，適用于完全退火后得知最后硬度的產品；H為硬狀態，適用于通過加工硬化提高強度的產品。0、HIX或H2X合金導體中，單線的機械性能和20 ℃時的電阻率要求，分別如表4、表5所示。

表4 AA8000系列鋁合金導線拉伸性能限值

表5 20 ℃時電阻率要求

GB/T 30552-2014《電纜導體用鋁合金線》中，鋁合金狀態只有兩種，即軟態（R）和硬態（Y）。單線機械性能和電阻率如表6所示。

2.1 導體質量控制

鋁合金導體主要考核指標有化學成分分析、機械性能和電氣性能。本文以美國UL 44-2018《熱固性絕緣電線與電纜》標準中AA8000系列鋁合金導線材料為例，取一批AA8176鋁合金導體進行試驗，化學成分如表7所示，單線機械和電氣性能如表8所示，以抽檢鋁合金單線的機械性能和電阻率是否符合標準要求。

表3 AA8000系列鋁合金導線材料的化學成分及成分最大值或范圍、質量百分比

表6 電纜導體用鋁合金線的機械性能和電阻率

表7 合金AA8176樣品化學成分檢測結果

由表7可知，樣品化學成分符合標準要求。

由表8可知，抗拉強度符合標準要求，伸長率和電阻率不能滿足標準要求。

導體的質量性能除了與材料的合金成分有關外，還與生產工藝有關[5]。以表8中的1號樣品所在批次為例，放在不同溫度的退火爐退火，熱處理后的性能測試結果如表9所示。

由表9可知，退火可以降低導體抗張強度，增加伸長率，減小電阻率，不合格的項目經退火后可以變為合格。

鋁合金導體的抗張強度與伸長率、電阻率成反比，抗張強度越低，伸長率和電阻率越好，電纜柔軟性越好，可以降低鋁合金材料的用量。以美國標準UL 44-2018《熱固性絕緣電線與電纜》為例，確定了不考核導線公稱橫截面積，只考核導體直流電阻。根據AA8176鋁合金導體的實際生產情況，退火工藝應按照抗張強度下限設置溫度，280±5 ℃為宜，電纜柔軟性較好，直流電阻更優。

表8 鋁合金單線機械和電氣試驗數據

表9 熱處理后的AA8176鋁合金導體單線機械性能和電阻率測試結果

2.2 控制緊壓系數

對常規絞制工藝來說，需要控制緊壓系數為0.75，以確保有1/4的空隙面積且適當減小絞合導體的外徑，節省導體外的包覆材料。如果需要同時進行外徑壓縮，則需要將緊壓系數控制在0.9左右，可以選用框式絞線機配合緊壓模具，以確保緊壓效果。

3 結 論

鋁合金電纜的關鍵部件是鋁合金導體。只有制造出性能穩定、質量優良的鋁合金導體，才能確保電纜的長期安全運行。本文結合國內外有關鋁合金電纜的標準，分析了生產設備選擇、工藝設計、抗張強度、伸長率、電阻率以及緊壓系數等注意事項。工藝決定了產品的質量和品質，也可實現節能降耗，降低產品的不合格率。