铝合金电缆制造工艺简介

铝合金电缆由于使用特性、敷设场合、工作条件的要求不同，其产品的结构组成也是多种形式的。其基本结构一般由导电线芯、绝缘层和护层三部分组成。为了完成三部分的组合，涉及的制造工艺有：铝合金熔炼工艺、铝合金杆轧制工艺、铝合金导体型线挤制工艺、铝合金导体型线拉制工艺、铝合金导体型线轧制工艺、铝合金导体型线绞合工艺、铝合金绞合导体退火工艺、绝缘挤出工艺、绝缘交联工艺、金属屏蔽工艺、成缆工艺、金属铠装工艺和护套挤出工艺。

1.铝合金熔炼及铝合金杆轧制工艺

铝合金导体材料是在电工用铝材中加入合金成分，以改善纯铝导体的机械性能，提高其作为电缆导体的电气安全性。

铝合金熔炼及铝合金杆轧制工艺是将电工用重熔铝锭进行熔融，根据生产工艺和产品配方要求添加必要的元素，通过冶炼、精炼、轧制形成合金铝杆的过程。配料时要进行精确细致的计算，要保证铝料的纯度，以及合金材料的纯度，确保铝合金材质的电阻率和机械性能。铝合金熔炼及铝合金杆轧制工艺过程如图1-6-3所示。

图1-6-3 铝合金熔炼及铝合金杆轧制工艺流程

铝合金熔炼及铝合金杆轧制工艺直接影响铝合金导体材料的质量，工艺要求如下：

（1）原材料的选择 为了保证铝合金单线满足成品标准的要求，铝锭应选用符合《重熔用铝锭》（GB/T 1196—2008）标准要求的优质电工铝锭。

合金锭要选择主元素含量高，成分均匀的材料，选择的每批中间合金锭要采用先进的光谱分析仪和化学分析方法进行成分检测，每次试验所用中间合金锭应为同一厂家同一批次的，确保投料的中间合金锭合格率为100%。

（2）合适的化学成分 对于铝合金导体，化学成分的配置最为重要。铁等合金元素是形成铝合金的关键成分，精确计算出合金元素的最佳含量，确保铝合金导体的电气和机械性能均符合标准要求。加强炉前化学分析，为铝合金杆化学成分准确性提供保证，同时合理的配方为铝合金杆提供稳定的金相结构。

（3）合金熔液精炼处理、扒渣、静置 采用高效精炼剂，除去熔体内部的气体、氧化膜及内部的非金属氧化物，同时除去浮渣，再通过静置，保证合金熔体洁净。精炼效果主要受精炼剂的质量、用量和精炼时间及精炼时铝液温度的影响。精炼过程需伴以均匀、适度的搅拌，才能充分发挥精炼效果。

精炼后的铝合金液需要在保温炉中保温一段时间，保温温度一般控制在760℃左右（根据浇注温度和流槽温降来设定）。保温温度过高，会造成铝液过烧；温度过低，会影响浇注结晶温度。

（4）在线除气处理 采用玻璃丝布进行初级过滤，然后经流槽进入除气精炼装置中，用氮气或氩气等惰性气体作为精炼介质，通过高速旋转的石墨转子将定量的惰性气体带入铝合金液中，该气体可形成大量的细小气泡，从而吸附铝合金液中的氢及夹杂物上浮到铝合金液表面，使铝合金中的氢气被较彻底清除至允许含量，改善了铝合金性能。

（5）过滤与浇注 在浇注过程中采取泡沫陶瓷微孔过滤除渣，采用水平浇注，尽量避免吸气，浇注温度应控制在一个合适的范围，温度不宜过高，低温对铸锭的晶粒有一定的细化作用，实际生产要根据设备特点控制好合适的浇注温度。

（6）恒温连轧 在轧机前采用预加热措施，保证铝合金杆轧制时温度恒定，同时通过调整连轧机的冷却润滑液的量，使铝合金杆的终轧温度也保持一致，这样才能确保铝合金杆的轧制质量。控制铝合金杆的最终出杆温度，对提高铝合金杆质量的均匀性有重要作用。

2.铝合金导体型线挤制工艺

铝合金导体型线挤制是将铝合金杆经连续挤压机加工后，实现梯形线结构，同时要控制梯形铝合金单线的强度、伸长率以及电阻率等指标。铝合金导体型线挤制工艺流程如图1-6-4所示。

图1-6-4 铝合金导体型线挤制工艺流程

铝合金导体型线挤制工艺操作规程要求如下：

1）将模具装进模腔放入电阻炉加热至500～520℃，并保温30min左右。

2）安装模具后调整模腔堵头处与挤压轮间隙。

3）开启毛刷，设置水清洗温度并加热，启动吹干装置。

4）打开冷却水，控制出水阀流量，使水槽水位至水位线。

5）将铝合金杆依次穿过放线架、校直装置、毛刷机、热水清洗箱、吹干至挤压轮前。

6）根据轮子上包覆层的厚度，调整模腔下的垫片，以保证轮子周围的间隙。

7）铝杆表面有严重缺陷时，按下操作台或手操箱上的剪切按钮；刮刀刀口距离挤压轮外圆间隙控制在（0.3±0.1）mm范围内。

8）调节主机上方螺栓垫铁来调整合适的压缩比。

9）加料时转速控制在3～4r/min，短料不溢出轮槽。间断加入长度为30mm左右的铝合金杆预热，送料时注意对正轮槽，短料至少连续放入6根。

10）待挤压出线正常后，将校直、清洗、吹干的铝合金杆送入挤压机内。

11）待挤压正常出线后，用长尾钳剪断废线头，夹持成品型线端头，经水槽冷却、计米、张力轮、储线轮，上盘。

3.铝合金导体型线拉制与轧制工艺

铝合金导体型线拉制和轧制工艺目的与铝合金导体型线挤制相同，只是加工方式不同。拉制和轧制工艺均属于金属冷加工，而挤制工艺属于金属热加工。金属冷加工后都会让金属的强度增加、断裂伸长率降低，称之为加工硬化过程。而热加工则能在保持金属机械性能不变的前提下完成变形。相比而言，铝合金杆经拉制和轧制工艺生产型线后，绞合导体需进行退火来获得标准所需强度、断裂伸长率，而挤制工艺则不需要退火，所以挤制工艺更具有效率。

4.铝合金导体型线绞合工艺

型线绞合是以型线单丝绕绞线轴线等角速度旋转和绞线匀速前进的工艺过程。型线同心绞合采用的是非规则绞合工艺，型线单丝以绞线中心为轴线，分层有序地绞合在其周围，相邻绞层方向相反，中心层可以由单根圆形或几根型线构成，而且每层型单线都以一个相同角度绞合而成外圆圆整的绞合体。

型线绞合结构具有紧压系数高、导体外径小、导体圆整且光滑、电场均匀、导体单丝机械性能优异等优点。铝合金型线绞合导体示意图和产品样图如图1-6-5、图1-6-6所示。

图1-6-5 铝合金型线绞合导体示意图(www.xing528.com)

图1-6-6 铝合金型线绞合导体产品样图

（1）导体绞合直径 铝合金型线绞合直径是铝合金型线绞合工艺中最重要的一个工艺参数。导体绞合直径主要与基圆直径、节圆直径、绞合直径和紧压直径有关。导体绞合前的直径称为基圆直径，绞合导体轴心到该层型线的中心距离的两倍称为节圆直径，基圆直径加两倍型线高称为绞合直径，紧压模具的定径直径称为紧压直径。

（2）导体绞合节径比 节径比是绞线节距长度与绞线直径之比。节径比是衡量不同直径绞线绞合程度的重要指标，是绞线工艺中最重要的工艺参数之一。节径比的大小对绞线的柔软性和紧密程度有很大关系，节径比越小，绞线柔软性越好，绞线越紧密，同样长度绞线所使用的单线长度越长。

5.铝合金电缆绝缘、护套挤出工艺

由于挤出机具有连续挤出的特点，所以绝缘和护套的生产过程也是连续的。绝缘、护套挤出过程分为原材料处理→挤出→冷却→牵引4个阶段。对于交联聚乙烯绝缘，则生产过程由原材料处理→挤出→交联→冷却→牵引5个阶段完成，其中交联按照工艺又分为化学交联和物理交联。

铝合金电缆绝缘、护套挤出工艺要求如下：

（1）挤出温度 在绝缘、护套材料挤出过程中，物料聚集态的转变以及物料流动的黏度都取决于温度，因此温度是挤出工艺中最重要的工艺参数。铝合金电缆绝缘挤出温度参考值见表1-6-1。

表1-6-1 铝合金电缆绝缘挤出温度参考值 （单位：℃）

（2）挤出螺杆转速 由于调节方便，螺杆转速是挤出过程中的重要操作变量。由挤出机固体输送段和均化段的流率分析可知，流率和螺杆转速成正比，因此，在一般情况下，提高螺杆转速是现代挤出机提高生产能力的重要手段。同时，通过挤出螺杆转速和电缆牵引速度的配合，可调节绝缘、护套的挤出厚度。

（3）挤出模具 铝合金电缆绝缘、护套的挤出外径一般与挤出模具孔径、牵引速度、冷却收缩等有关，同时还与挤出压力和挤出温度有关。所以模具的具体孔径，可根据经验公式来确定。以低压铝合金电缆为例，绝缘、护套挤出模具尺寸计算方法如下：d=d_c+e，d为模芯孔径，d_c为绝缘/护套前外径，e为模芯孔径放大值；D=d+2h+2Δ+c，其中D为模套孔径，d为模芯孔径，h为模芯嘴壁厚，Δ为绝缘/护套的厚度，c为模套孔放大值。模具按照不同工艺要求可分为挤管式、挤压式和半挤管式三种类型，低压铝合金电缆绝缘、护套挤出模具一般采用挤管式。

（4）牵引速度 挤包制品是在牵引装置拖动下通过机头的，为保证产品的质量，要求牵引速度均匀稳定。如牵引速度适当高于挤出速度，可以消除制品离模引起的膨胀，并使制品分子链产生一定程度的轴向取向。

6.绝缘交联工艺

聚乙烯的分子结构是线型大分子结构，常温下为固态，当温度升高到软化点时，分子间可以产生相对位移，所以它的使用温度受到了限制。为了提高聚乙烯的耐温等级，通过一定的方法把线型聚乙烯分子变成网状立体空间结构，这个过程叫作交联。

（1）交联温度 交联温度在交联剂的分解温度以上至聚乙烯分解温度之间。随着温度的增加，交联速度增加。

（2）交联时间 交联时间取决于交联剂的分解速度，一般饱和蒸汽交联时间为6～8h，而干式化学交联时间为10～30min，具体与电压等级及硫化管长度等因素有关。

（3）交联压力 在交联过程中对制品需要施加一定压力，因为交联过程中，制品材料中的水分、低分子挥发物会以气体形式在绝缘中出现，如无外界压力的抑制作用，气体汇集就会形成气泡或夹层。一般10kV电压等级电缆施加压力不小于0.6MPa，35kV电压等级电缆施加压力不小于1.0MPa。

（4）交联冷却 由交联管出来的电缆需经冷却才能卷绕到收线盘上。冷却的目的是固化和定型，防止绝缘在卷绕中变形。冷却介质可以是水，也可以是惰性气体。

7.绝缘线芯成缆工艺

成缆是将多根绝缘线芯按一定的规则绞合成电缆的工艺过程。实际生产中，成缆包括两道工序，即线芯（填充）绞合和绕包带层。因铝合金电缆为圆形线芯成缆，故采用退扭成缆工艺。

（1）成缆节距 成缆节距以节径比的形式予以限定，大小根据电缆的使用条件、绝缘线芯的柔软程度以及成缆后电缆的稳定性等因素加以选定。选择合适的成缆节径比，可以使电缆具有良好的结构稳定性和弯曲性，减少施工过程中电缆的变形和皱折。

（2）填充 绝缘线芯成缆时，其线芯与线芯之间均有一些间隙，特别是两芯、三芯、四芯和五芯圆形线芯成缆时，其内部和侧面的空隙均较大，一般会采用填充材料加以填充。填充材料应适合电缆的运行温度并和电缆绝缘材料相兼容。

（3）包带 包带层主要起到扎紧作用，以防止缆芯松散。对于铠装电缆，除上述作用外，包带还起到保护绝缘层免受损伤的作用。包带层绕包采用间隙绕包或重叠绕包形式，采用的材料为非吸湿性材料，且与电缆耐温等级相当。

8.金属铠装工艺

铠装层的主要作用是防止电缆在敷设或运行过程中遭受机械损伤，以确保内部结构的完整性。根据使用材料和工艺不同，分为扁金属丝铠装、圆金属丝铠装、双金属带铠装、铝合金带联锁铠装。扁金属丝铠装、圆金属丝铠装、双金属带铠装与铜芯电缆的铠装工艺相同，在此不再赘述，下面重点介绍一下铝合金带联锁铠装。

铝合金带联锁铠装应具有专门的铠装设备及工艺，通过金属带预成形、成形技术，利用无级变速箱完成进给量任意可调或固定转速比的传动系统完成分级调整，最终实现金属带的联锁铠装工艺。整个铠装过程可分为旋转运动和直线运动，铝合金带通过导轮传到机头，通过轧轮成形后输出经过成形模具随机头作旋转运动，铝合金带绕在芯线上，同时由牵引机带动成形后的电缆作直线运动，这样不断重复整个铠装过程达到连续生产。

铝合金带要求采用5000系列的铝合金材料，要求其抗张强度为276～303MPa，断裂伸长率不小于5%。如果抗张强度太小，那么轧制的螺旋状联锁铠装带外观不好，铝合金的抗压强度也达不到要求；若抗张强度太大，则铝合金不易弯曲，弹性大，加工困难。

联锁铠装的主要关键控制点是模具的安装、导板的角度调整、轧轮的调节、管径及节距的设定。

（1）模具的安装 首先，模具中心必须保证与联锁铠装带水平且保持一致。如果不一致，联锁铠装带在模具口处所受阻力增大，当出现拉力超过联锁铠装带的抗张强度时，联锁铠装带被拉断，影响产品质量和生产效率。其次，模具必须在电缆的中心位置，否则电缆处于被拉或者被推的状态，在高速运行下，螺旋联锁铠装带受力不一致，导致联锁铠装带螺旋变形，在达到联锁铠装带的弯曲应力状态下，联锁铠装带出现裂纹，最后裂开，严重情况下，联锁铠装带断开。

（2）导板的角度调整 导板的角度需按要求严格控制。导板角度过大将会出现螺旋角度过大，联锁铠装带重叠宽度减小，在电缆弯曲时，出现联锁铠装带分离，弯曲恢复后，联锁铠装带无法恢复，带之间产生间隙，失去原先的保护作用。

（3）轧轮的调节 首先要确定轧轮位置，轧轮位置的确定原则是保证内护层与模具有一定间隙，使得联锁铠装带可以通过，但间隙亦不能过大，间隙过大则联锁铠装带受力不一致，易发生断裂现象。其次，在运转过程中，要注意联锁铠装带与模具之间的距离，因为刚开始联锁铠装带受外力较小，联锁铠装带与模具之间的空间很小。伴随着联锁铠装带的受力增大，联锁铠装带与模具的空间增大，联锁铠装带变形增大。当联锁铠装带变形到一定程度时，将产生裂纹，最后致使联锁铠装带断裂。因此，在运转过程中需要随时注意调整压轮的位置和模具的位置。

（4）管径的设定 管径一般要比模具小1～2mm。如果设定超过此值，铝合金带成形时将产生松套的铝合金管，电缆容易从螺旋管中抽出来，紧密度测试不合格；如果设定过小，则应力集中，容易造成断带。

（5）节距的设定 节距不能设置过大，过大则易造成脱节现象，不能轧成螺旋形。设定值也不能过小，过小则会出现联锁铠装带弯曲角度减小，当超过其所承受的应力时，联锁铠装带将会发生断裂现象。铝合金电缆联锁铠装节距参考值见表1-6-2。

表1-6-2 铝合金电缆联锁铠装节距参考值