铜包铝母排作为轨道车辆接地产品的应用分析

鲍伟兵 张 丽（南车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 220031）

铜包铝母排作为轨道车辆接地产品的应用分析

鲍伟兵 张 丽
（南车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 220031）

本文对比了不同工艺生产的铜包铝接地块的相关实验参数，综合分析比较认为采用固液融合工艺生产的接地块与采用爆炸焊工艺生产的接地块性能非常类似，采用固液融合工艺生产的接地块也可以用于轨道交通车辆的接地系统。

铜包铝；接地块；爆炸焊；固液融合

由于铝合金技术的发展以及轻量化和环保等要求，目前轨道交通越来越多的车辆采用铝合金车体。但也给车辆电气设备的接地方案提出了新的要求，若采用铝合金材料作为车体接地点，铝合金表面易生成氧化层，影响导电性能，且接地端子多为铜端子，与铝合金接地点之间易产生电化学腐蚀；若采用铜材料作为接地点，又存在铜材料如何和铝合金车体连接的问题。在此背景下，铜包铝复合材料接地块作为接地材料被广泛的应用在铝合金车辆上，铜包铝复合接地块如图1所示，接地块外层为铜，铜在大气中化学稳定性好，不易氧化，且与接地线端子材质相同，接地块中间为铝层，铝层和铝合金车体可直接焊接。

接地块的生产过程是先通过适当的工艺生产不同规格的铜包铝母排，然后将铜包铝母排根据实际需求加工成接地块。

1 铜包铝母排的生产工艺及特点

1.1 静液挤压工艺

将铜管和铝棒压装成组合坯料，然后放入静液挤压机，压力通过坯料周围的挤压介质作用到坯料上从而实现铜铝结合。

1.2 轧制压接工艺

通过机械压力将铜板压接到铝板上，但是该方案无法实现铝块的四周包覆铜材料，只能在铝板的宽面复合铜板，铝板的窄边仍是裸露。

1.3 穿套轧制工艺

穿套轧制工艺是将铝棒套入铜管，再进行拉伸或轧制，再热处理。

以上几种工艺都是将铜和铝在固态下进行复合，称为固相扩散结合，其复合机理为铜、铝的表面层破裂，新鲜铝质点挤入铜裂口中而相互接触，在一定条件下，表面原子被激活，形成激活中心而使新鲜质点间产生原子键结合，经过热处理后，通过扩散或结晶行为，使点结合转变为面结合，共同的缺点是复合层很薄，结合强度低。

1.4 爆炸焊工艺

将铝棒和铜管组装好，埋入炸药中，利用炸药爆炸产生的能量，实现铜铝异种材料的焊接。爆炸焊的结合区在微观上融合了压力焊（塑性变形）、熔化焊（熔化）和扩散焊（扩散）的特性，爆炸焊由于加载压力和界面高温持续时间极短，可避免脆性金属间化合物的生产，复合材料的结合强度高。

1.5 固液融合工艺

该工艺是一种用于制备高熔点金属包覆低熔点金属的复合材料的工艺。将高温铝溶液注入铜管，铜管内壁在高温下发生部分熔化，在一定的冷却条件下，铜铝之间发生熔合和界面铜铝扩散，最终获得稳定的铜铝复合材料。该工艺工序少，同时可以实现无氧化界面复合，便于批量生产。

图1 接地块结构示意图

图2 固相扩散界面

2 现状

目前采用爆炸焊工艺生产的接地块在国内外的轨道交通行业都已广泛的在使用，爆炸焊工艺可以生成高质量的铜铝复合界面，并且采用爆炸焊制备的复合材料可以承受多次和多种形式的压力加工，机械加工，以及焊接等后续加工，而不致分层和开裂，因此采用爆炸焊生产的接地块已经得到认可。

但爆炸焊也存在着明显的缺点和局限性，主要缺点如下所示：

（1）炸药具有危险性，容易让人产生恐惧感。

（2）对场地要求高，一般都选择在荒山中。

（3）受气候和天气影响较大，无法实现机械化、自动化。

（4）由于炸药的填埋等操作全靠人工来操作，因此质量检查和控制存在一定难度。

由于这些缺陷的存在，造成目前爆炸焊生产出的接地块产品成本还是偏高，那么能否找到一种更为经济的方式？下文将从接地块的使用需求开始分析，并通过不同产品的实验数据对比，来判断其他加工工艺生产的铜包铝母排能否作为接地块使用。

3 铜包铝复合母排作为接地使用的特殊需求

电力行业很早之前就提出了“以铝代铜”的思想，各种铜包铝母排在电力行业已经有成熟的应用业绩，但是电力行业中铜包铝母排的使用需求和轨道交通行业作为接地块使用的需求有一定的区别：

（1）电力行业推广的原因侧重于降低成本；而作为轨道交通行业接地块使用时，更多的选择原因是为了利用铜包铝的结构来解决铝合金车体的接地点问题。

（2）电力行业使用时，大部分情况下都是交流电，由于集肤效应，大部分电流都从铜包铝排的表面通过。而轨道交通行业直流电的使用位置要多于交流电，因此集肤效应并非轨道交通行业考虑的重点。

（3）电力行业中铜包铝作为导线使用时，电流路径是从导线的一端到另外一端的水平传播，且由于集肤效应，电流大多在铜层传播，因此对铜铝复合层的质量要求不是很苛刻，而作为轨道交通行业接地块使用时，电流垂直传播，电流路径为“接地块铜层→铜铝过渡复合层→接地块铝层→车体”，因此对铜铝复合界面的质量要求非常高。复合界面必须要实现稳定的原子间结合，才能顺利的传导接地电流，若复合界面无法实现原子间结合，则铜铝之间反而产生电化学腐蚀，或者铜铝之间产生间隙，则大大增加了铜铝之间的接地电阻率。

（4）电力行业的铜包铝母线作为导线使用时，大多采用冷连接的方式，而作为接地块使用时，接地块需承受焊接产生的短时高温，以及车辆运行时产生的振动，承受电流通过时的温升，而不发生分层，这就需要铜铝之间具有一定的结合强度。

综上所述，铜包铝复合母排若作为接地块使用，必须保证铜铝之间存在着稳定的原子间结合，以便电流能从铜层顺利过渡到铝层，并且铜铝之间必须有一定的结合强度，满足长期使用要求。

图3 固液融合界面

图4 爆炸焊界面

4 铜铝界面相图

图2～图4分为固相扩散工艺（图2）、固液融合工艺（图3）、爆炸焊工艺（图4）生产的铜包铝母排的铜铝界面电镜扫描照片，从照片可见，固相扩散工艺（图2）所生产的铜铝界面凹凸不平，不连续，厚度仅有1μm左右。而采用固液融合工艺（图3）和采用爆炸焊工艺（图4）的产品，铜铝复合界面呈现出连续整齐的形态。

从电镜相图来看，采用固相扩散的铜铝界面存在不连续的现象，不符合接地块的使用需求，由此可推断，采用固相扩散工艺制造的铜铝母排用作接地块时还存在一定风险，因此先排除固相扩散工艺产品。

5 关键参数对比

由于目前大多工艺原始坯料都是先采用将铜管和铝棒复合，然后再机械加工成型的方式，因此铜铝界面除了必须要实现原子间结合，保证电流的顺利传导外，还需要具有一定的强度，才能满足后续的成型、切削、冲孔等工艺，因此还需关注以下参数：

铜层和铝层的分离强度及剪切强度。分离强度和剪切强度必须达到一定的数值，才能保证在后续机加工过程中不会发生分层现象。

高低温循环实验。接地块在使用时需要承受焊接短时高温以及电流通过产生的温升。

90°弯曲实验，若铜铝层结合良好，则整个母排形成一个整体，在弯曲的过程中，整体发生压缩和伸长，反正，若结合情况不好，则在弯曲的过程中很容易产生分层、裂纹、褶皱等现象。

表1为相同规格，分别采用爆炸焊工艺及固液融合工艺的产品的相关参数进行对比：

从表格数据可见，采用固液融合工艺生产的铜铝复合母排与采用爆炸焊生产的产品参数较为接近，其中固液融合工艺生产的分离强度和剪切强度还要高于爆炸焊工艺生产的母排。

表1

结论

（1）采用爆炸焊生产的铜包铝复合母排作为接地块目前在国内外已经被广泛使用，实际使用业绩证明爆炸焊工艺生产的接地块能很好的解决铝合金车辆的接地问题，只是目前存在成本和生产控制等方面的问题，需要尝试寻找新的产品。

（2）采用固相扩散工艺生产的铜包铝复合母排，由于存在在分界面不平齐、不连续的现象，用于轨道车辆接地块时，存在一定风险。

（3）采用固液融合工艺生产的复合母排参数与爆炸焊生产产品的参数非常接近，并且可以实现连续生产，成本较低，可以尝试用于制作接地块。

[1]郑远谋.爆炸焊接和爆炸复合材料的原理及应用[M].长沙：中南大学出版社，2007.

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[3]网络资料，铜铝复合排生产技术及应用[Z].

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