一种铜铝双面复合板的轧制方法及轧制设备

摘要

一种铜铝双面复合板轧制方法及轧制设备，轧制方法主要由预备热处理、清理、轧制复合、终点热处理及矫直步骤组成；铜带和铝板要在不同温度、时间条件下预备热处理；然后对铜带酸洗，对铝板碱洗去除表面油渍和氧化物；再用电动钢刷进行刷拭，彻底去除表面氧化物，并形成金属表面硬化层；在张紧轮和放带轮的轴上都设有定位孔，使放带轮和张紧轮根据需要移动或定位；在轧制初期将铜带固定在张紧轮上，并由电动机带动张紧轮和放带轮配合使之张紧；由初步压实辊进一步将铜铝置于上凹辊、下凸辊的一对轧辊之间，在高压等辊速下轧制；要控制金属轧制时延展方向，轧制复合方向和铜铝双面复合板的板形；复合轧制后要在惰性气体下退火，之后对复合板矫直。

说明书

技术领域

本发明属于轧制多层金属板的方法及设备技术领域，特别涉及到一种铜铝双面复合板的轧制方法及轧制设备。

背景技术

现今，随着电力事业的发展以及电气工业的进步，大功率大电流的用电设备越来越多，为之配套的电控设备也不断增大。目前的大型用电设备中的电导线有很多是纯铝母线排而与其配套的电控设备的电导线却大部分为纯铜母线排。它们之间的材质差异很容易造成接头处发生熔断事故。要对现有的状况进行改造，可将纯铝母线排换成纯铜母线排，会消除接头处发生的熔断事故。但这样改造投资将会是很大的，由轧制铜铝复合板工艺制得的铜铝复合板母线排在性能上可以和纯铜母线排相媲美，其成本却比纯铜母线排低得多，而且可以减少铜的消耗量，这对铜资源本来就很缺乏的国家而言达到了开源的目的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种铜铝双面复合板的轧制方法及轧制设备，来制备铜铝双面复合板。

1、制备铜铝双面复合板的方法：

本发明由预备热处理、清理、放带、刷拭、轧制复合、剪切、终点热处理，矫直步骤组成；

(1)预备热处理

使用的原材料为：纯度Cu≥99.9％的工业纯铜带和纯度Al≥99.7％的工业纯铝板，两种材料的厚度比δ_Cu/δ_Al可以根据用途不同而不同，在一般情况下 $>>>>\delta >Cu>>>\delta >Al>>>=>0.02>~>0.1>,>$>铜铝复合材料、复合开轧前的总厚度为≤40mm，复合材料的宽厚比为：1∶0.1～1∶0.3。

首先要对铜带、铝板进行不同技术条件的预备热处理，在退火炉中将工业纯铜带320～350℃温度，保温1～3个小时；铝板则是在280～320℃温度下保温2～4个小时，经过的这样的热处理后，铜带铝板的内应力可得以消除，使铜铝的加工硬化程度降得最低。

(2)对铜带进行酸洗，对铝板进行碱性，都是在常温下浸泡30分钟。酸溶液可以是多种浓酸与水配制成的复合酸溶液，也可以是某种单一浓酸溶液。如果是复合酸溶液其配比为：酸溶液是按一升水中加入H₂SO₄≥93％浓硫酸110～120克，HCl≥30％浓盐酸95～110克，HF≥24％氢氟酸10～20克，HNO₃≥90％浓硝酸104～120克比例配成。

如果是使用浓酸，可以直接用HCl≥30％浓盐酸来浸泡。

碱洗液是按一升水中分别加入固体的氢氧化钠98～110克、碳酸钠100～115克、碳酸氢钠100～120克的比例配成。随后取出铜带、铝板，用清水除去板带材上残留的酸、碱液，这样的酸碱溶液可以较完全的去除掉铜铝表面的油渍和氧化物。

(3)铜带、铝板放带、刷拭

从这一步骤开始，铜带、铝板就要安放在专门设计的轧机上，进行以下制备步骤：

放带，是把二个铜带卷分别放置轧机的上下两个放带轮上。在轧制初期由两个张紧轮上的狭缝夹住铜带，张紧轮为主动轮，由电机带动。放带轮是从带动轮，转动时有一定的摩擦力，使铜带在张紧的状态下传送。铝板放置在水平传送装置的托辊上，推入上下两个铜带中间。

铜带和铝板在传动过程中，由三组成对配置高速旋转的电动钢刷，分别对上下两个金属表面刷拭，钢刷直径Φ200～300mm，转速为960～1450r/min，钢刷转动时与金属表面接触处的切线速度方向与铜带、铝板前进速度相反，将铜带和铝板上下两个表面的氧化物彻底除掉。

(4)铜带与铝板双面轧制复合

本发明采用一个道次的，不可逆等辊速冷轧工艺，在高压下把有新鲜金属表面的铜、铝轧制复合在一起。

轧制部分包括初轧辊和轧辊两部分组成，初轧辊主要是控制铜带铝板的定位，这一步骤没有压下率，铜带和铝板经过初步压实辊进行初步压实后进行再轧制复合，初步压实两辊配合可起到定位的作用，这样使铝板上、下面的铜带不会发生跑偏。

初步压实后的铜带、铝板进入轧辊，轧辊是由上凹辊和下凸辊配合，可以控制铜铝复合板的延展方向，定位和复合板的板型。

(5)轧制复合后的终点热处理、矫直步骤：

轧制复合完成后的铜铝复合板由上下对应、左右对应各一组圆辊组成的成品传送装置送出，这样可辅助控制复合板的板形。由斜刀剪切机将铝板与铝板交接处的铜带剪掉，之后送入终点热处理炉进行扩散退火处理，以加强铜铝板的结合强度，热处理是在300～350℃范围内，在惰性气体保护下保温1～2小时以达到最佳交接面金属相互扩散的效果，保护气体是氮气或氩气，其压力为0.01～0.05MPa。

经检测，轧制后的铜铝双面复合板的结合强度可以达到2.5～6MPa。

2、制备铜、铝双面复合板专门设计的轧制设备

为了实现上述铜、铝双面复合板轧制方法，本发明专门设计制造了一种冷轧机。本发明轧机整体结构如附图1所示：由安装在机架上的上凹轧辊1-1，和下凸轧辊1-2，上下两个放带轮2；对铜带表面刷拭成对配置的二组电动铜刷3；对铝板表面刷拭成对配置的一组电动钢刷4；在轧制初期张紧铜带的上下两上张紧轮5，两个初步压实辊6，成品传送装置7，铝板水平传送装置8组成，其结构的主要特点是：

(1)张紧轮结构如附图4、5所示，在每个张紧轮5上都有一条宽度为1～1.5mm的狭缝，在张紧轮横截面圆上，该狭缝与截面圆直径呈60°角。在轧制初期上下两个铜带放在两个放带轮上，将铜带牵引穿过刷拭电动钢刷3、初步压实辊6，轧辊1-1，1-2之间分别夹紧在上下两个张紧轮5的狭缝中。张紧轮5为主动轮，由电机带动；放带轮2是从动轮，转动时有一定摩擦力，使铜带在张紧的状况下传送。

放带轮2轴上设有定位孔，这样放带轮2既可根据需要在轴线方向上移动，又能在不同的位置上固定，同样与之配合的张紧轮5也是如此设计，用来调整放带轮3和张紧轮5的位置，使铜带和铝板能在前进方向的轴线上很好重合成一条直线。轧制初期张紧轮5和放带轮2将两个铜带拉紧，既便于铜带的刷拭，又防止了铜带和铝板错位、跑偏，有利于铜铝双面都能很好的轧制复合。

(2)三组电动钢刷的每组都是成对配置的，把被刷拭的金属压在上下对称的电动钢刷中间，对铜带刷拭的二组电动钢刷3分成上下两处布置在上下两个铜带上，每个电动钢刷直径都为Φ200～300mm，以960～1450r/min转速在电机的带动下高速旋转，钢刷转动时与金属表面接触处的切向速度方向与铜带前进速度方向相反，刷拭每个铜带的上下两个表面，彻底去掉其表面的氧化物。对铝板刷拭的一组电动钢刷4，位置在铝板水平传送装置8的中部处，也是分上下一对钢刷将铝板压在中间，每个钢刷直径同样为Φ200～300mm，以960～1450r/min转速在电机的带动下高速旋转，钢刷转动时与金属表面接触处的切向速度方向与铝板前进速度方向相反，高速旋转钢刷将铝板上下两表面氧化物去除干净。

(3)铜带、铝板经过初步压实辊6初步压实后进行轧制复合。初步压实辊6结构如附图6、7所示。为上下两个如附图7所示的断面结构对称的两个压实辊，两辊相互配合可起到定位作用，没有压下率。这样设计为了保证上下两个铜带与中间的铝板很好重合，在轧制中不会发生跑偏。

(4)初步压实后的铜铝复合板进入上轧辊1-1，下轧辊1-2中间，上轧辊1-1为凹形截面，下轧辊1-2为凸形截面。两个对称配合，安装在轧机架上，其结构如附图2所示，是为了使铜铝复合板在轧制中延着水平传送铝板装置的主轴线上延伸，控制其在轧制中的横向延伸。两个轧辊的凹凸面组成了如附图3的孔型，其主要参数是：上轧辊1-1中部凹槽宽度L，上轧辊1-1轧制表面凹进的深度h₁，下轧辊凸起的轧制表面凸起高度h₂，在凹槽两边各有一个宽度为L₁，圆角R的环型槽，两边环型槽起到容纳在轧制过程中横向挤出来的少量金属的作用，确保了铜铝复合板的轧制质量。

以上参数之间的关系是：

$>>>>h>1>>L>>=>0.4>~>0.9>$>

$>>>>h>2>>L>>=>0.2>~>0.6>$>

$>>>>L>1>>L>>=>0.05>~>0.07>$>

$>>>R>L>>=>0.06>~>0.08>$>

轧机为等辊速、不可逆的冷轧机，每一次复合轧制都为一个道次，其许用压力2000～3000KN，最大轧制力矩控制在80～150KN·M；轧制速度0.5～0.9m/s，压下率55～70％，轧制润滑剂选用目前现有铜材冷轧使用的油质或乳化质的润滑剂。

(5)轧制复合完成后的铜铝复合板由成品传送装置7送出，其结构如附图8所示，是由上下对应、左右对应各一组圆辊组成，铜铝复合板从中间穿过，可以辅助控制复合板的板形。

(6)铝板水平传送装置轮有许多排托辊把铝板托起，水平移动与上下两道铜带一起进入初步压实辊6之中。

附图说明

图1：为本发明轧机整体结构图；

图2：为上下轧辊结构示意图；

图3：为凹形上轧辊与凸形下轧辊组成的轧制孔型图；

图4：铜带张紧轮结构主视图；

图5：铜带张紧轮结构侧视图；

图6：初步压实辊放大结构示意图；

图7：初步压实辊放大结构侧视图；

图8：成品传送装置的结构示意图。

具体实施方式

首先，将厚0.8mm、长1000mm的Cu：99.9％铜带及厚18mm，宽80mm、长1000mm的Al：99.8％铝板进行预备热处理。铜在330℃下保温1.5小时，铝则是在300℃温度下保温1.5小时。预备热处理之后铜带经酸洗，酸溶液的配方为按一升水中加入H₂SO₄≥93％浓硫酸115克，HCl≥30％浓盐酸100克，HF≥24％氢氟酸15克，HNO₃≥90％浓硝酸110克，铜带常温浸泡30分钟之后再用水清洗，去除残留的酸液。

铝板经碱洗，碱溶液的配方为按一升水中分别加入固体氢氧化钠100克、碳酸钠105克、碳酸氢钠110克，铝板常温浸泡30分钟之后用清水冲洗，去除表面残留的碱溶液。通过酸、碱洗去掉铜带、铝板表面的油渍和氧化物。刷拭清理后进入下一工序，即轧制复合阶段是在如附图1描述的轧制铜铝双面复合板的轧机上进行的。铝板在传送装置8上，下部安装的托辊托起铝板。给铝板施加推力，让铝板与上下铜带一起进入初步压实轧辊中间。两个铜带放在上下两个放带轮2上，放带轮2位于中间传送铝板装置的上下两侧，在轧制初时将铜带卡在张紧轮5狭缝中。其主要目的是在轧制复合前将铜带拉紧以便于刷拭，也有利于铜铝的轧制复合。上下两个放带轮上张紧的铜带，分别经过各自设置的一组电动钢刷进入初步压实辊，电动钢刷对铜带表面刷拭，彻底去除铜带表面氧化物，并使其表面形成硬化层。位于铝板传送装置上的一组电动钢刷4对铝板上下表面刷拭，彻底去除铝板表面的氧化物并且使其表面形成硬化层。铜带、铝板由电动钢刷刷拭后，进入轧制复合步骤。

轧制复合中，铜带和铝板经过初步压实辊6进行初步压实后进行轧制复合，初步压实后的铜带、铝板进入上凹辊和下凸辊组成的轧辊中间，进行一个道次的等辊速、不可逆的冷轧制。上下轧辊组成的孔型如图3所示，对应的参数为 $>>>>h>1>>L>>=>0.4>,>>>h>2>>L>>=>0.27>,>>>L>1>>L>>=>0.06>,>>R>L>>=>0.07>.>$>轧机的许用压力3000KN，其轧制力控制在100KN·M，轧制速度为0.8m/s，压下率为60％；使用常用的矿物油润滑剂。复合后的铜铝复合板由成品的传送装置7送出，之后由斜刀剪切机将铝板与铝板交接处的铜带剪掉。轧制后的复合板厚度为11mm，宽度为88mm，长度为1500mm。最后将复合板在压力为0.03MPa的氮气气氛下进行退火处理，退火温度为330℃，保温时间为1.5小时。

退火后的复合板在矫直机上精整，制备出铜铝双面复合板。经测试该铜铝复合板的结合强度达到4MPa。