高導(dǎo)電銅合金絞合導(dǎo)體制造工藝對耐彎折性能的影響

張永甲

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)

0 引言

機(jī)器人通信數(shù)據(jù)纜是工業(yè)機(jī)器人血脈和神經(jīng),Profinet 基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn),為工業(yè)領(lǐng)域的自動化通信提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案,具有廣泛的應(yīng)用,根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可細(xì)分為固定布線(Type-A)、偶爾移動(Type-B)、頻繁拖鏈運(yùn)動(Type-C)及Type-R(機(jī)器人);根據(jù)PI(Profinet 國際組織)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中的定義,Type-R 經(jīng)運(yùn)動(拖鏈、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎折)后傳輸性能仍須滿足IEC 61156-6:2020 的相關(guān)要求[1]。然而,目前國內(nèi)廠商生產(chǎn)的線纜普遍難以通過反復(fù)彎折(90°反復(fù)彎曲)100 萬次后的線纜傳輸性能測試,該技術(shù)只有少數(shù)國外企業(yè)如德國萊尼等具備。

耐彎折性能考察的是線纜(絞合導(dǎo)體、絕緣、編織導(dǎo)體、護(hù)套等)傳輸性能不被反復(fù)彎折運(yùn)動影響的能力,其中影響較大的是絞合導(dǎo)體,目前對絞合導(dǎo)體的評價方式主要參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM B470-02(2017)中提及的耐彎折性能試驗(yàn)(Flex-Life)。目前,國內(nèi)外對該類導(dǎo)體及線纜的耐彎折性能的研究集中在:①導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。選擇更細(xì)的單線尺寸進(jìn)行管絞或選擇尺寸不變情況下的復(fù)絞,在銅線絞合時添加芳綸絲、防彈絲等加強(qiáng)單元[2-7],以達(dá)到更高的耐彎折性能,但該類研究涉及數(shù)據(jù)纜的極少;②導(dǎo)體原材料與加工工藝。美國FiskAlloy、德國Leoni 等研發(fā)的銅合金絞合導(dǎo)體的強(qiáng)度、延伸率及絞合導(dǎo)體股數(shù)會顯著影響耐彎折性能,而絞合方式、絞合節(jié)距等對耐彎折性能影響較小,但其銅合金集中在75% IACS～85%IACS 導(dǎo)電率,且并不明確具體制造工藝;③反復(fù)彎曲斷裂機(jī)理研究[8-12]。此類研究不針對導(dǎo)體材料,故一方面導(dǎo)電率偏低,難以滿足傳輸類線纜高導(dǎo)電率的要求,另一方面忽略了絞合工藝的影響,特別是近年來隨著終端競爭加劇,數(shù)據(jù)纜常用的導(dǎo)體加工管絞及復(fù)絞的成本過高,束絞則因加工效率高,部分生產(chǎn)商開始考慮此工藝。當(dāng)線纜單線尺寸下降至0.1 mm 以下時,采用銅合金束絞的綜合成本與銅管絞、復(fù)絞的成本相當(dāng),但束絞相對管絞等存在更為嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形。

綜上所述,目前缺少針對90% IACS～95% IACS的機(jī)器人通信數(shù)據(jù)纜用高導(dǎo)電銅合金導(dǎo)體性能及制造工藝對耐彎折性能影響的研究,導(dǎo)致生產(chǎn)廠商難以通過Type-R 型機(jī)器人數(shù)據(jù)纜反復(fù)彎折100 萬次的要求。因此,本工作將結(jié)合拉力、反復(fù)彎折、電纜傳輸性能等試驗(yàn),研究絞合導(dǎo)體制造工藝對自主開發(fā)的高導(dǎo)電率銅合金對機(jī)器人數(shù)據(jù)纜耐彎折性能的影響規(guī)律。

1 樣品制備

1.1 機(jī)器人用數(shù)據(jù)纜的結(jié)構(gòu)

Type-R 型機(jī)器人用數(shù)據(jù)纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,按圖1 所示線纜結(jié)構(gòu)將4 根相同的絞合導(dǎo)體進(jìn)行單線擠塑、星絞成纜、內(nèi)護(hù)套擠塑、編織、繞包、外護(hù)套擠塑,最終得到Type-R 型機(jī)器人數(shù)據(jù)纜的成品。

圖1 Type-R 型機(jī)器人用數(shù)據(jù)纜結(jié)構(gòu)示意圖

本工作對比的是絞合導(dǎo)體的差異,故絞合導(dǎo)體之后的擠塑、星絞等工序的工藝參數(shù)保持一致,下面簡述絞合導(dǎo)體制造工藝的差異。

1.2 絞合導(dǎo)體制備工藝

原材料選用外購的上引連鑄制備的?8 mmTU1銅桿坯和通過真空水平連鑄自制的?8 mmTUAg0.3 銅合金桿坯,其性能情況見表1。

表1 1#～4# 工藝絞合導(dǎo)體8 mm 鑄坯性能

絞合導(dǎo)體工藝流程見圖2。

圖2 1#～4#銅及銅合金絞合導(dǎo)體制備工藝流程圖

由圖2 可知,桿坯通過大拉、中間退火制得?3 mm 的銅及銅合金線坯,之后經(jīng)過中、小、微拉制得不同直徑的銅及銅合金單線,再經(jīng)過連續(xù)退火鍍錫工藝得到鍍錫銅及銅合金單線(鍍錫銅 400 ℃×300 m·min-1退火,鍍錫銅合金 490 ℃×150 m·min-1退火),最后通過束絞得到外徑和截面相同(?0.75 mm、22 AWG)的絞合導(dǎo)體。1#～4#樣品的絞合工藝中1#、2#和4#樣品為一次束絞,束絞節(jié)距8.2 mm,3#為二次束絞(19+42),兩次絞向相反,內(nèi)層節(jié)距為17.5 mm,外層節(jié)距8.2 mm,每種工藝均制備了3 組平行樣品并制備為成品線纜,以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。其中真空水平連鑄設(shè)備為自主開發(fā)設(shè)備,大拉采用單模單道次大拉機(jī),中間退火采用周期式氣氛退火爐,中拉采用17 模多道次中拉機(jī),小拉采用24 模多道次小拉機(jī),微拉采用24 模多道次微拉機(jī),連續(xù)退火鍍錫采用水封退火鍍錫一體機(jī),束絞采用400 型、500 型雙節(jié)距束線機(jī)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 單線及絞合導(dǎo)體試驗(yàn)

采用螺旋測微器測試單線及絞合導(dǎo)體的尺寸,試驗(yàn)按照 GB/T 4909.2—2009 執(zhí)行;采用 mts cmt-4000 型電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉力試驗(yàn)測試單線的抗拉強(qiáng)度和延伸率,按照GB/T 4909.3—2009 進(jìn)行試驗(yàn),其中標(biāo)距為200 mm;采用QJ-36 型數(shù)字電橋及配套支架測試單線的體積電阻率(導(dǎo)電率),按照GB/T 3048.7—2008 進(jìn)行試驗(yàn)。每種工藝的3 組平行樣品分別測試后取平均值為最終結(jié)果。

2.2 成品線纜反復(fù)彎折試驗(yàn)

反復(fù)彎折試驗(yàn)示意圖見圖3。

圖3 反復(fù)彎折試驗(yàn)示意圖

采用TH-8506 型電線彎折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行成品線纜反復(fù)彎折試驗(yàn),按照EN 50396:2005+A1:2011(E)進(jìn)行試驗(yàn),電纜傳輸性能要求參照IEC 61156-5:2020,相關(guān)試驗(yàn)條件和要求參照PI 協(xié)會發(fā)布的執(zhí)行[2],反復(fù)彎曲半徑為線纜外徑的7 倍,掛重300 g,傳輸性能在反復(fù)彎折試驗(yàn)達(dá)到設(shè)定次數(shù)時在線進(jìn)行測試,以最后一次通過傳輸性能的彎折次數(shù)為試驗(yàn)結(jié)果。每種工藝的3 組平行樣品分別測試后取最低值為最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 絞合導(dǎo)體在反復(fù)彎折試驗(yàn)中的失效行為分析

耐彎折性能測試中對纜絞合導(dǎo)體典型的拆解情況見圖4。

圖4 反復(fù)彎折試驗(yàn)中絞合導(dǎo)體的典型拆解情況

由圖4 可以看出,反復(fù)彎折試驗(yàn)最開始的典型破壞情況是部分單線的斷裂,進(jìn)而發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形,原有穩(wěn)定的絞合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拱起、扭折等無法恢復(fù)的現(xiàn)象。

絞線是由多股單線繞軸線旋轉(zhuǎn)而成。絞線彎曲情況示意圖見圖5。

圖5 絞線彎曲情況

由圖5 可以看出,絞線彎曲時,每根股線同時承受張力和壓力,張力和壓力通過每根線的移動、扭轉(zhuǎn)和彎曲而消除,即可實(shí)現(xiàn)相對于平行股線更小的彎曲應(yīng)力,同時這一行為需要額外克服單線間的摩擦阻力。反復(fù)彎曲時300 g 的負(fù)載低于絞合導(dǎo)體計(jì)算拉斷力的0.66%,遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度,故試驗(yàn)可以認(rèn)為絞合導(dǎo)體在遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的循環(huán)彎曲應(yīng)力下工作直至斷裂且循環(huán)次數(shù)在1×105以上。將絞合導(dǎo)體看成整體,則這一行為可簡化為絞合導(dǎo)體在循環(huán)彎曲應(yīng)力下的高周彎曲疲勞行為,而考慮絞合導(dǎo)體后,該行為即導(dǎo)體單線在摩擦應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下的高周彎曲疲勞行為。

高周疲勞斷裂是一種低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象,是損傷積累過程的結(jié)果,一般需要經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂3 個過程。裂紋擴(kuò)展一般又分為兩個階段,裂紋一旦萌生后,微觀裂紋沿最大切應(yīng)力方向最一致的滑移面向內(nèi)部擴(kuò)展,這個階段一般稱為裂紋擴(kuò)展的第一階段,當(dāng)?shù)谝浑A段擴(kuò)張到一定長度后,由于裂紋尖端主應(yīng)力的作用而偏離其滑移路線,并沿大致與正應(yīng)力方向相垂直的方向擴(kuò)張,即進(jìn)入宏觀裂紋擴(kuò)展的第二階段,整體疲勞壽命以裂紋萌生和微觀裂紋擴(kuò)展的第一階段為主導(dǎo),可達(dá)80% 以上[13]。1#～4#樣品絞合導(dǎo)體在高周循環(huán)應(yīng)力作用下,因絞線的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致應(yīng)力分層[14],部分股線開始疲勞斷裂,導(dǎo)致其余股線在絞線彎曲時承受的張力和壓力開始不平衡,當(dāng)不平衡達(dá)到一定程度后,局部產(chǎn)生了平行線束彎曲的現(xiàn)象,見圖6,承受張力的單線會壓入線束之中,而承受壓力的單線則因單線移動所受阻力急劇增大而導(dǎo)致塑性變形發(fā)生曲折,絞合導(dǎo)體隨之發(fā)生拱起和扭折,此時線纜因絞合結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致傳輸性能急劇下降,無法通過傳輸性能的測試,最終造成線纜失效。故絞合導(dǎo)體的單線在復(fù)雜循環(huán)應(yīng)力下的抗疲勞斷裂的能力極大的影響線纜最終的耐彎折性能。

圖6 平行線束彎曲情況

3.2 銅合金對線纜耐彎折性能的影響

1#和2#樣品絞前、絞后的性能及線纜耐彎折性能見表2。

由表2 可知,2#鍍錫銅合金和1#鍍錫銅在延伸率相似情況下(15%),銅合金的單線導(dǎo)電率下降2.1%IACS,抗拉強(qiáng)度上升44.7 MPa,兩者在單線尺寸、絞合結(jié)構(gòu)均相同的情況下,兩者的最低耐彎折性能分別為58 萬次和275 萬次,相差4.74 倍。

表2 1#和2#樣品絞前絞后平均性能及線纜耐彎折性能

在束絞過程中會發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲,但因?yàn)閱尉€屬于極易變形的軟態(tài),大部分扭轉(zhuǎn)及彎曲通過塑性變形得以穩(wěn)定,導(dǎo)致應(yīng)力集中并不激烈,所以主要考察疲勞裂紋的萌生和裂紋的擴(kuò)展第一階段對疲勞壽命的影響。裂紋的萌生主要依靠局部切應(yīng)力,在其他條件相似的情況下,強(qiáng)度越高可啟動的滑移帶數(shù)量越少,進(jìn)而裂紋萌生的優(yōu)先區(qū)域更少,自然更難產(chǎn)生疲勞裂紋源;另一方面銅基材料屬于低層錯能金屬,交滑移等滑移機(jī)制難以發(fā)揮作用,裂紋擴(kuò)展只能在滑移面上通過滑移進(jìn)行,當(dāng)碰到銅合金分布更廣的固溶原子和第二相,因需要更大的應(yīng)力推動,減緩了裂紋擴(kuò)展速率甚至停止擴(kuò)展,所以2#樣品的抗疲勞能力會顯著高于1#樣品,最終導(dǎo)致2#銅合金線纜耐彎折性能的提升。

3.3 導(dǎo)體制造工藝對線纜耐彎折性能的影響

2#、3#和4#樣品絞前、絞后的性能及對應(yīng)線纜耐彎折性能見表3。2#、3#和4#樣品絞后性能較為接近,絞前性能有一定差異,2#、3#樣品的最低耐彎折性能是275 萬次,4#樣品是365 萬次。

表3 2#、3#和4#樣品絞前絞后平均性能及線纜耐彎折性能

3.3.1 導(dǎo)體制造工藝對性能的影響

2#、3#和4#樣品絞前與絞后的性能變化圖見圖7。

圖7 2#、3#和4#樣品絞前與絞后的性能變化圖

由圖7 可知,2#、3#和4#樣品的絞后單線抗拉強(qiáng)度分別為306.7,308.5,310.4 MPa,相較絞前分別上升21.7,29.5,17.4 MPa;2#、3#和4#的絞后延伸率分別為15.6%,15.2%,13.9%,相較絞前分別下降3.9%,7.3%,4.6%。絞合導(dǎo)體的制造工藝影響單線性能,包括束絞前單線的制造工藝(拉制總變形量、退火工藝)和束絞制造工藝兩部分,下面分別討論拉制變形量和束絞制造工藝對其性能的影響。

(1)拉制總變形量對鍍錫銅合金單線絞前性能的影響。從單線絞前的狀態(tài)可知樣品的延伸率分布是3#>2#>4#,抗拉強(qiáng)度正好相反。結(jié)合圖2 的工藝流程可知,2#、3#、4#樣品的加工工藝僅拉制總變形量有所差異,其余的加工工藝完全相同。再結(jié)晶驅(qū)動力為冷加工的儲能,相同退火條件下,冷加工儲能越大,再結(jié)晶程度越完全。根據(jù)2#、3#、4#樣品的拉制總變形量情況,單線的冷加工儲能情況由大到小的順序?yàn)?#>2#>4#,而在退火鍍錫工藝相同條件下,2#、3#、4#樣品的再結(jié)晶程度呈現(xiàn)3#>2#>4#的趨勢。再結(jié)晶程度越完全,單線整體的位錯密度就越低,導(dǎo)致其在后續(xù)束絞時發(fā)生的位錯增值也更容易,故束絞單線狀態(tài)對抗拉強(qiáng)度增加和延伸率降低程度影響排序應(yīng)為3#>2#>4#。

(2)束絞加工對鍍錫銅合金單線絞后性能的影響。束絞加工時,單線繞著軸線旋轉(zhuǎn)的同時前進(jìn),主要造成了單線的扭轉(zhuǎn)和彎曲。單線的彎曲半徑越大,造成的彎曲變形越大,該參數(shù)由工藝設(shè)定的螺旋升角α所決定,單線的曲率半徑ρ符合公式ρ=D′/cos2α,其中,D′為理論節(jié)徑比;而扭轉(zhuǎn)方面,束絞因?yàn)橥伺ぱb置的缺失相對于管絞等設(shè)備,在常用節(jié)徑比范圍內(nèi)束絞造成的單線的扭轉(zhuǎn)角度相對更大,產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形也越多,該參數(shù)則由螺旋升角和所選絞合設(shè)備共同決定,扭轉(zhuǎn)撓度Th符合公式Th=2πsinα。2#、3#、4#樣品的絞合節(jié)距相同,外徑相同,理論上2#、3#、4#樣品的螺旋升角隨直徑的降低略微上升。

3#、4#樣品根據(jù)節(jié)距和外徑計(jì)算的絞合導(dǎo)體束絞參數(shù)見表4。

表4 3#、4#樣品絞合導(dǎo)體束絞參數(shù)

由表4 可知,單線的扭轉(zhuǎn)程度3#樣品略大于4#樣品,彎曲程度為4#樣品略大于3#樣品。42 根的2#樣品因?qū)嶋H絞合略微呈橢圓形,整體均勻度與緊密度低于3#、4#樣品,因塑性變形總是沿最小阻力方向發(fā)生的,故2#樣品實(shí)際的綜合變形最少,故束絞加工對抗拉強(qiáng)度增加和延伸率降低程度影響排序應(yīng)為3#≈4#>2#。

綜合上述兩方面,導(dǎo)致束絞加工的抗拉強(qiáng)度增加和延伸率降低程度排序?yàn)?#>2#≈4#,與實(shí)際測試結(jié)果相符。

3.3.2 束絞工藝與結(jié)構(gòu)對耐彎折性能的影響

由于反復(fù)彎折試驗(yàn)的負(fù)載條件不變,2#、3#和4#樣品鍍錫單線絞后性能相近,這意味著在高周循環(huán)彎曲行為中3 個導(dǎo)體的單線抗疲勞性能基本相同,所以影響耐彎折性能的主要因素是束絞工藝與結(jié)構(gòu)引起的循環(huán)應(yīng)力分布情況。

在絞線整體相同負(fù)載和曲率的情況下,根數(shù)越多則每根移動的距離越短,意味著扭轉(zhuǎn)和彎曲的程度越小,且單線克服摩擦做功也越小,所以為改善導(dǎo)體彎曲,最常見的措施就是增加根數(shù)。但本工作中的2#、3#樣品存在一定的特殊情況,2#樣品的根數(shù)雖然比4#樣品多了5 根,但因絞合的結(jié)構(gòu)限制,相同尺寸的單線每層相差6 根,故42 根中心層可設(shè)置為2 根,設(shè)置為2 根時,因兩中心層間隙很大外層股線極易發(fā)生侵入;而設(shè)置1 根時,最外層不可避免多出5 根,所以不管中心層根數(shù),42 根最終形成的絞合導(dǎo)體呈現(xiàn)周期性的橢圓旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在彎曲時單線存在受力最大點(diǎn);3#樣品雖然是61 根正規(guī)排列,與4#樣品一樣較為圓整,但其進(jìn)行了正向、反向的兩次束絞,導(dǎo)致其在彎曲時19 根的內(nèi)層和42 根的外層的移動方向相反,在內(nèi)層與外層的結(jié)合面上,會增大摩擦應(yīng)力。

2#樣品由于圓整度導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻,3#樣品由于正反絞合彎曲時產(chǎn)生附加的摩擦應(yīng)力,均導(dǎo)致應(yīng)力分布不均,兩者均引起了不同程度的應(yīng)力集中,導(dǎo)致實(shí)際循環(huán)應(yīng)力水平的增加。在高周疲勞斷裂行為中循環(huán)應(yīng)力水平越高,越易發(fā)生局部滑移,從而更有利于裂紋的產(chǎn)生,此外,根據(jù)PARIS 關(guān)于裂紋的擴(kuò)展速率的論述[15],循環(huán)應(yīng)力大小正比與裂紋擴(kuò)展速率,故2#、3#樣品的彎折壽命低于4#樣品,與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

(1)數(shù)據(jù)纜反復(fù)彎折斷裂符合高周期循環(huán)復(fù)雜應(yīng)力的疲勞行為,失效總是從部分單線斷裂開始,說明單線的性能極大的影響數(shù)據(jù)纜耐彎折的行為。

(2)高導(dǎo)電率的鍍錫銅合金絞合導(dǎo)體在單線體積電阻率僅下降2%IACS～3%IACS 的情況下,耐彎折性能最低次數(shù)由傳統(tǒng)鍍錫銅絞合導(dǎo)體的58～85 萬次提升至275～365 萬次,這是因?yàn)殂~合金導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度提高使得其抗疲勞性能也隨著提高。

(3)相同成分、高導(dǎo)電率的鍍錫銅合金單線性能與絞合導(dǎo)體的制造工藝息息相關(guān),在單線性能相近的情況下,束絞工藝與結(jié)構(gòu)不同,耐彎折性能不同,單純增加根數(shù),忽略單線性能和絞合導(dǎo)體的工藝和結(jié)構(gòu)是不可取的,生產(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。