高导电铜合金绞合导体制造工艺对耐弯折性能的影响

张永甲

(上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室,上海 200093)

0 引言

机器人通信数据缆是工业机器人血脉和神经,Profinet 基于工业以太网技术的自动化总线标准,为工业领域的自动化通信提供了一个完整的网络解决方案,具有广泛的应用,根据应用环境可细分为固定布线(Type-A)、偶尔移动(Type-B)、频繁拖链运动(Type-C)及Type-R(机器人);根据PI(Profinet 国际组织)协会标准中的定义,Type-R 经运动(拖链、扭转、反复弯折)后传输性能仍须满足IEC 61156-6:2020 的相关要求[1]。然而,目前国内厂商生产的线缆普遍难以通过反复弯折(90°反复弯曲)100 万次后的线缆传输性能测试,该技术只有少数国外企业如德国莱尼等具备。

耐弯折性能考察的是线缆(绞合导体、绝缘、编织导体、护套等)传输性能不被反复弯折运动影响的能力,其中影响较大的是绞合导体,目前对绞合导体的评价方式主要参照标准ASTM B470-02(2017)中提及的耐弯折性能试验(Flex-Life)。目前,国内外对该类导体及线缆的耐弯折性能的研究集中在:①导体结构。选择更细的单线尺寸进行管绞或选择尺寸不变情况下的复绞,在铜线绞合时添加芳纶丝、防弹丝等加强单元[2-7],以达到更高的耐弯折性能,但该类研究涉及数据缆的极少;②导体原材料与加工工艺。美国FiskAlloy、德国Leoni 等研发的铜合金绞合导体的强度、延伸率及绞合导体股数会显著影响耐弯折性能,而绞合方式、绞合节距等对耐弯折性能影响较小,但其铜合金集中在75% IACS～85%IACS 导电率,且并不明确具体制造工艺;③反复弯曲断裂机理研究[8-12]。此类研究不针对导体材料,故一方面导电率偏低,难以满足传输类线缆高导电率的要求,另一方面忽略了绞合工艺的影响,特别是近年来随着终端竞争加剧,数据缆常用的导体加工管绞及复绞的成本过高,束绞则因加工效率高,部分生产商开始考虑此工艺。当线缆单线尺寸下降至0.1 mm 以下时,采用铜合金束绞的综合成本与铜管绞、复绞的成本相当,但束绞相对管绞等存在更为严重的扭转变形。

综上所述,目前缺少针对90% IACS～95% IACS的机器人通信数据缆用高导电铜合金导体性能及制造工艺对耐弯折性能影响的研究,导致生产厂商难以通过Type-R 型机器人数据缆反复弯折100 万次的要求。因此,本工作将结合拉力、反复弯折、电缆传输性能等试验,研究绞合导体制造工艺对自主开发的高导电率铜合金对机器人数据缆耐弯折性能的影响规律。

1 样品制备

1.1 机器人用数据缆的结构

Type-R 型机器人用数据缆的结构示意图见图1,按图1 所示线缆结构将4 根相同的绞合导体进行单线挤塑、星绞成缆、内护套挤塑、编织、绕包、外护套挤塑,最终得到Type-R 型机器人数据缆的成品。

图1 Type-R 型机器人用数据缆结构示意图

本工作对比的是绞合导体的差异,故绞合导体之后的挤塑、星绞等工序的工艺参数保持一致,下面简述绞合导体制造工艺的差异。

1.2 绞合导体制备工艺

原材料选用外购的上引连铸制备的ϕ8 mmTU1铜杆坯和通过真空水平连铸自制的ϕ8 mmTUAg0.3 铜合金杆坯,其性能情况见表1。

表1 1#～4# 工艺绞合导体8 mm 铸坯性能

绞合导体工艺流程见图2。

图2 1#～4#铜及铜合金绞合导体制备工艺流程图

由图2 可知,杆坯通过大拉、中间退火制得ϕ3 mm 的铜及铜合金线坯,之后经过中、小、微拉制得不同直径的铜及铜合金单线,再经过连续退火镀锡工艺得到镀锡铜及铜合金单线(镀锡铜 400 ℃×300 m·min-1退火,镀锡铜合金 490 ℃×150 m·min-1退火),最后通过束绞得到外径和截面相同(ϕ0.75 mm、22 AWG)的绞合导体。1#～4#样品的绞合工艺中1#、2#和4#样品为一次束绞,束绞节距8.2 mm,3#为二次束绞(19+42),两次绞向相反,内层节距为17.5 mm,外层节距8.2 mm,每种工艺均制备了3 组平行样品并制备为成品线缆,以验证试验结果的稳定性。其中真空水平连铸设备为自主开发设备,大拉采用单模单道次大拉机,中间退火采用周期式气氛退火炉,中拉采用17 模多道次中拉机,小拉采用24 模多道次小拉机,微拉采用24 模多道次微拉机,连续退火镀锡采用水封退火镀锡一体机,束绞采用400 型、500 型双节距束线机。

2 试验方法

2.1 单线及绞合导体试验

采用螺旋测微器测试单线及绞合导体的尺寸,试验按照 GB/T 4909.2—2009 执行;采用 mts cmt-4000 型电子式万能试验机进行拉力试验测试单线的抗拉强度和延伸率,按照GB/T 4909.3—2009 进行试验,其中标距为200 mm;采用QJ-36 型数字电桥及配套支架测试单线的体积电阻率(导电率),按照GB/T 3048.7—2008 进行试验。每种工艺的3 组平行样品分别测试后取平均值为最终结果。

2.2 成品线缆反复弯折试验

反复弯折试验示意图见图3。

图3 反复弯折试验示意图

采用TH-8506 型电线弯折试验机进行成品线缆反复弯折试验,按照EN 50396:2005+A1:2011(E)进行试验,电缆传输性能要求参照IEC 61156-5:2020,相关试验条件和要求参照PI 协会发布的执行[2],反复弯曲半径为线缆外径的7 倍,挂重300 g,传输性能在反复弯折试验达到设定次数时在线进行测试,以最后一次通过传输性能的弯折次数为试验结果。每种工艺的3 组平行样品分别测试后取最低值为最终结果。

3 试验结果及讨论

3.1 绞合导体在反复弯折试验中的失效行为分析

耐弯折性能测试中对缆绞合导体典型的拆解情况见图4。

图4 反复弯折试验中绞合导体的典型拆解情况

由图4 可以看出,反复弯折试验最开始的典型破坏情况是部分单线的断裂,进而发生了严重的塑性变形,原有稳定的绞合结构出现拱起、扭折等无法恢复的现象。

绞线是由多股单线绕轴线旋转而成。绞线弯曲情况示意图见图5。

图5 绞线弯曲情况

由图5 可以看出,绞线弯曲时,每根股线同时承受张力和压力,张力和压力通过每根线的移动、扭转和弯曲而消除,即可实现相对于平行股线更小的弯曲应力,同时这一行为需要额外克服单线间的摩擦阻力。反复弯曲时300 g 的负载低于绞合导体计算拉断力的0.66%,远低于屈服强度,故试验可以认为绞合导体在远低于屈服强度的循环弯曲应力下工作直至断裂且循环次数在1×105以上。将绞合导体看成整体,则这一行为可简化为绞合导体在循环弯曲应力下的高周弯曲疲劳行为,而考虑绞合导体后,该行为即导体单线在摩擦应力、弯曲应力、扭转应力下的高周弯曲疲劳行为。

高周疲劳断裂是一种低应力脆断破坏现象,是损伤积累过程的结果,一般需要经历裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂3 个过程。裂纹扩展一般又分为两个阶段,裂纹一旦萌生后,微观裂纹沿最大切应力方向最一致的滑移面向内部扩展,这个阶段一般称为裂纹扩展的第一阶段,当第一阶段扩张到一定长度后,由于裂纹尖端主应力的作用而偏离其滑移路线,并沿大致与正应力方向相垂直的方向扩张,即进入宏观裂纹扩展的第二阶段,整体疲劳寿命以裂纹萌生和微观裂纹扩展的第一阶段为主导,可达80% 以上[13]。1#～4#样品绞合导体在高周循环应力作用下,因绞线的结构导致应力分层[14],部分股线开始疲劳断裂,导致其余股线在绞线弯曲时承受的张力和压力开始不平衡,当不平衡达到一定程度后,局部产生了平行线束弯曲的现象,见图6,承受张力的单线会压入线束之中,而承受压力的单线则因单线移动所受阻力急剧增大而导致塑性变形发生曲折,绞合导体随之发生拱起和扭折,此时线缆因绞合结构不稳定导致传输性能急剧下降,无法通过传输性能的测试,最终造成线缆失效。故绞合导体的单线在复杂循环应力下的抗疲劳断裂的能力极大的影响线缆最终的耐弯折性能。

图6 平行线束弯曲情况

3.2 铜合金对线缆耐弯折性能的影响

1#和2#样品绞前、绞后的性能及线缆耐弯折性能见表2。

由表2 可知,2#镀锡铜合金和1#镀锡铜在延伸率相似情况下(15%),铜合金的单线导电率下降2.1%IACS,抗拉强度上升44.7 MPa,两者在单线尺寸、绞合结构均相同的情况下,两者的最低耐弯折性能分别为58 万次和275 万次,相差4.74 倍。

表2 1#和2#样品绞前绞后平均性能及线缆耐弯折性能

在束绞过程中会发生扭转和弯曲,但因为单线属于极易变形的软态,大部分扭转及弯曲通过塑性变形得以稳定,导致应力集中并不激烈,所以主要考察疲劳裂纹的萌生和裂纹的扩展第一阶段对疲劳寿命的影响。裂纹的萌生主要依靠局部切应力,在其他条件相似的情况下,强度越高可启动的滑移带数量越少,进而裂纹萌生的优先区域更少,自然更难产生疲劳裂纹源;另一方面铜基材料属于低层错能金属,交滑移等滑移机制难以发挥作用,裂纹扩展只能在滑移面上通过滑移进行,当碰到铜合金分布更广的固溶原子和第二相,因需要更大的应力推动,减缓了裂纹扩展速率甚至停止扩展,所以2#样品的抗疲劳能力会显著高于1#样品,最终导致2#铜合金线缆耐弯折性能的提升。

3.3 导体制造工艺对线缆耐弯折性能的影响

2#、3#和4#样品绞前、绞后的性能及对应线缆耐弯折性能见表3。2#、3#和4#样品绞后性能较为接近,绞前性能有一定差异,2#、3#样品的最低耐弯折性能是275 万次,4#样品是365 万次。

表3 2#、3#和4#样品绞前绞后平均性能及线缆耐弯折性能

3.3.1 导体制造工艺对性能的影响

2#、3#和4#样品绞前与绞后的性能变化图见图7。

图7 2#、3#和4#样品绞前与绞后的性能变化图

由图7 可知,2#、3#和4#样品的绞后单线抗拉强度分别为306.7,308.5,310.4 MPa,相较绞前分别上升21.7,29.5,17.4 MPa;2#、3#和4#的绞后延伸率分别为15.6%,15.2%,13.9%,相较绞前分别下降3.9%,7.3%,4.6%。绞合导体的制造工艺影响单线性能,包括束绞前单线的制造工艺(拉制总变形量、退火工艺)和束绞制造工艺两部分,下面分别讨论拉制变形量和束绞制造工艺对其性能的影响。

(1)拉制总变形量对镀锡铜合金单线绞前性能的影响。从单线绞前的状态可知样品的延伸率分布是3#>2#>4#,抗拉强度正好相反。结合图2 的工艺流程可知,2#、3#、4#样品的加工工艺仅拉制总变形量有所差异,其余的加工工艺完全相同。再结晶驱动力为冷加工的储能,相同退火条件下,冷加工储能越大,再结晶程度越完全。根据2#、3#、4#样品的拉制总变形量情况,单线的冷加工储能情况由大到小的顺序为3#>2#>4#,而在退火镀锡工艺相同条件下,2#、3#、4#样品的再结晶程度呈现3#>2#>4#的趋势。再结晶程度越完全,单线整体的位错密度就越低,导致其在后续束绞时发生的位错增值也更容易,故束绞单线状态对抗拉强度增加和延伸率降低程度影响排序应为3#>2#>4#。

(2)束绞加工对镀锡铜合金单线绞后性能的影响。束绞加工时,单线绕着轴线旋转的同时前进,主要造成了单线的扭转和弯曲。单线的弯曲半径越大,造成的弯曲变形越大,该参数由工艺设定的螺旋升角α所决定,单线的曲率半径ρ符合公式ρ=D′/cos2α,其中,D′为理论节径比;而扭转方面,束绞因为退扭装置的缺失相对于管绞等设备,在常用节径比范围内束绞造成的单线的扭转角度相对更大,产生的扭转变形也越多,该参数则由螺旋升角和所选绞合设备共同决定,扭转挠度Th符合公式Th=2πsinα。2#、3#、4#样品的绞合节距相同,外径相同,理论上2#、3#、4#样品的螺旋升角随直径的降低略微上升。

3#、4#样品根据节距和外径计算的绞合导体束绞参数见表4。

表4 3#、4#样品绞合导体束绞参数

由表4 可知,单线的扭转程度3#样品略大于4#样品,弯曲程度为4#样品略大于3#样品。42 根的2#样品因实际绞合略微呈椭圆形,整体均匀度与紧密度低于3#、4#样品,因塑性变形总是沿最小阻力方向发生的,故2#样品实际的综合变形最少,故束绞加工对抗拉强度增加和延伸率降低程度影响排序应为3#≈4#>2#。

综合上述两方面,导致束绞加工的抗拉强度增加和延伸率降低程度排序为3#>2#≈4#,与实际测试结果相符。

3.3.2 束绞工艺与结构对耐弯折性能的影响

由于反复弯折试验的负载条件不变,2#、3#和4#样品镀锡单线绞后性能相近,这意味着在高周循环弯曲行为中3 个导体的单线抗疲劳性能基本相同,所以影响耐弯折性能的主要因素是束绞工艺与结构引起的循环应力分布情况。

在绞线整体相同负载和曲率的情况下,根数越多则每根移动的距离越短,意味着扭转和弯曲的程度越小,且单线克服摩擦做功也越小,所以为改善导体弯曲,最常见的措施就是增加根数。但本工作中的2#、3#样品存在一定的特殊情况,2#样品的根数虽然比4#样品多了5 根,但因绞合的结构限制,相同尺寸的单线每层相差6 根,故42 根中心层可设置为2 根,设置为2 根时,因两中心层间隙很大外层股线极易发生侵入;而设置1 根时,最外层不可避免多出5 根,所以不管中心层根数,42 根最终形成的绞合导体呈现周期性的椭圆旋转结构,在弯曲时单线存在受力最大点;3#样品虽然是61 根正规排列,与4#样品一样较为圆整,但其进行了正向、反向的两次束绞,导致其在弯曲时19 根的内层和42 根的外层的移动方向相反,在内层与外层的结合面上,会增大摩擦应力。

2#样品由于圆整度导致应力分布不均匀,3#样品由于正反绞合弯曲时产生附加的摩擦应力,均导致应力分布不均,两者均引起了不同程度的应力集中,导致实际循环应力水平的增加。在高周疲劳断裂行为中循环应力水平越高,越易发生局部滑移,从而更有利于裂纹的产生,此外,根据PARIS 关于裂纹的扩展速率的论述[15],循环应力大小正比与裂纹扩展速率,故2#、3#样品的弯折寿命低于4#样品,与试验结果基本吻合。

4 结论

(1)数据缆反复弯折断裂符合高周期循环复杂应力的疲劳行为,失效总是从部分单线断裂开始,说明单线的性能极大的影响数据缆耐弯折的行为。

(2)高导电率的镀锡铜合金绞合导体在单线体积电阻率仅下降2%IACS～3%IACS 的情况下,耐弯折性能最低次数由传统镀锡铜绞合导体的58～85 万次提升至275～365 万次,这是因为铜合金导体的抗拉强度提高使得其抗疲劳性能也随着提高。

(3)相同成分、高导电率的镀锡铜合金单线性能与绞合导体的制造工艺息息相关,在单线性能相近的情况下,束绞工艺与结构不同,耐弯折性能不同,单纯增加根数,忽略单线性能和绞合导体的工艺和结构是不可取的,生产中要根据实际情况综合考虑。