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退火后硬铜绞线的残存应力若何评估和解除？

所属分类：电缆新闻颁布功夫：2025-08-09 08:28:33

退火后硬铜绞线的残存应力重要源于扰爪力（温度梯度）、相变应力（晶粒沉组）及机械约束（绞线结构），其评估与解除需结合无损检测、数值仿照及工艺优化。以下是具体步骤及案例分析：

一、残存应力的起源与影响

1. 重要起源

扰爪力：

退火过程中，铜绞线表表与中心、单丝与绞线层间因冷却快率差距产生温度梯度，导致收缩不均。
案例：大截面（≥100mm?）集中绞合线退火时，表层铜丝冷却快率比内层快 3~5倍，残存应力可达 50~80MPa。

相变应力：

冷加工硬化铜在退火时产生再结晶，晶粒尺寸变动（如从 0.001mm 粗化至 0.05mm）导致体积收缩，引发内应力。
案例：0.5mm单丝退火后晶粒尺寸增大 50倍，残存应力 20~30MPa。

机械约束：

绞线结构中单丝间的接触压力、钢芯与铜丝的热膨胀系数差距（铜：16.5×10??/℃，钢：12×10??/℃）会限度自由收缩。
案例：钢芯铜绞线（JL/G1A-240/30）退火后，铜丝与钢芯界面残存应力 30~50MPa，易导致运行中滑动失效。

2. 对机能的影响

机械机能：残存应力降低抗委顿寿命（如充电枪电缆弯曲寿命削减 30%~50%）；
导电机能：应力集中区域电阻率上升 2%~5%（如晶界处电子散射加强）；
尺寸不变性：残存应力导致绞线长度收缩 0.1%~0.5%，影响装置精度（如母线槽衔接间隙超差）。

二、残存应力的评估步骤

1. 无损检测技术

X射线衍射法（XRD）：

道理：通过丈量晶面间距变动推算残存应力（误差 ±5MPa）；
利用：检测铜绞线表表应力散布，合用于细单丝（≥0.1mm）或绞线表层；
案例：0.3mm束绞线退火后，XRD检测显示表表残存应力 15MPa，中心层 25MPa。

中子衍射法：

道理：穿透深度达 10mm，可检测绞线内部应力；
局限：设备昂贵，仅用于科研或高价值产品（如核电用缆）；
案例：19根集中绞合线（总截面积50mm?）中子衍射检测显示，内层单丝残存应力比表层高 40%。

超声波法：

道理：利用声快与应力的线性关系（Δv/v = -Kσ，K为资料常数）推算应力；
优势：急剧、便携，适合现场检测；
案例：钢芯铜绞线现场检测，超声波法与XRD了局误差 <10%。

钻孔法（盲孔法）：

道理：在绞线表表钻孔开释应力，通过应变片丈量变形推算残存应力；
局限：粉碎性检测，仅用于抽样验证；
案例：10mm?束绞线钻孔法检测显示，退火后残存应力 18MPa，与XRD了局一致。

2. 数值仿照技术

有限元分析（FEA）：

模型构建：成立铜绞线三维模型，输入热物性参数（导热系数、热膨胀系数）及天堑前提（温度场、张力）；
了局验证：仿照了局与XRD检测误差 <15%；
利用：优化退火工艺参数（如冷却快率、张力散布）；
案例：仿照显示，2.0mm单丝退火时，冷却快率从 100℃/s 降至 50℃/s，残存应力降低 30%。

三、残存应力的解除步骤

1. 工艺优化

分级冷却：

大截面集中绞合线选取 450℃→400℃（空冷5s）→300℃（油冷5s）→室温分级冷却，残存应力从 80MPa 降至 30MPa；
钢芯铜绞线选取铜丝水淬+钢芯空冷，界面残存应力降低 40%。
道理：通过多阶段冷却节造温度梯度，削减扰爪力；
案例：

低温退火：

道理：降低退火温度（如从 450℃ 降至 400℃），削减晶粒粗化引起的相变应力；
局限：需耽搁保温功夫（如从 10s 增至 15s）以确保再结晶齐全；
案例：0.5mm单丝低温退火后，晶粒尺寸 0.03mm（原 0.05mm），残存应力 15MPa（原 30MPa）。

张力节造：

7根束绞线在 2N/mm? 张力下退火，残存应力 10MPa（无张力时 25MPa）；
19根集中绞合线在 5N/mm? 张力下退火，层间滑动量削减 60%。
道理：退火时施加适倒嘏力（如 1~5N/mm?）平衡热收缩，削减机械约束应力；
案例：

2. 后处置技术

振动时效（VSR）：

道理：通过低频振动（10~100Hz）使残存应力松弛；
优势：非粉碎性，适合长尺寸绞线（如母线槽用缆）；
案例：120mm?集中绞合线振动时效后，残存应力降低 50%，弯曲委顿寿命提升 2倍。

热喷丸：

道理：用高快弹丸（如陶瓷珠）冲击绞线表表，引入压应力抵消残存拉应力；
局限：可能危险表表氧化膜，需后续涂层�；�；
案例：0.3mm束绞线热喷丸后，表表残存应力从 15MPa 变为 -10MPa（压应力），盐雾侵蚀寿命提升 50%。

深冷处置：

道理：在 -196℃ 液氮中冷却，使铜晶格收缩更均匀，削减应力集中；
案例：钢芯铜绞线深冷处置后，铜丝与钢芯界面残存应力降低 30%，结合力提升 20%。

四、行业案例与数据

案例1：新能源汽车充电枪电缆（7根0.3mm束绞线）

问题：

原退火工艺（400℃/3s/水淬）导致残存应力 25MPa，弯曲寿命 50,000次；
电阻率 1.75×10?? Ω·m（尺度要求 ≤1.72×10?? Ω·m）。

优化规划：

退火温度 380℃，功夫 5s，分级冷却（400℃→300℃空冷→室温水淬）；
施加 1.5N/mm? 张力。

成效：

残存应力 10MPa，弯曲寿命 80,000次；
电阻率 1.70×10?? Ω·m。

案例2：220kV钢芯铜绞线（JL/G1A-240/30）

问题：

统一退火工艺（450℃/水淬）导致钢芯脆化（屈服强度 400MPa），铜丝与钢芯界面残存应力 50MPa；
运行中易产生铜丝滑动，导致接触电阻上升 20%。

优化规划：

铜丝 430℃ 水淬，钢芯 430℃ 空冷；
施加 8N/mm? 张力。

成效：

钢芯屈服强度 450MPa，界面残存应力 30MPa；
结合力提升 30%，接触电阻不变 <5μΩ。

五、总结与趋向

评估步骤选择：

表表应力：优先选XRD或超声波法；
内部应力：中子衍射或FEA仿照；
现场检测：超声波法或钻孔法抽样验证。

解除战术：

预防为主：通过度级冷却、低温退火、张力节造削减应力天生；
后处置补充：对高残存应力产品（如核电用缆）选取振动时效或深冷处置。

行业趋向：

智能化节造：结合红表测温与张力反馈系统，实时调整冷却快率（如德国NIEHOFF陆续退火机）；
绿色工艺：选取氢气还原空气退火，削减氮氧化物排放，同时降低氧化膜应力；
超细单丝技术：0.05mm单丝退火需 320℃ 低温+超快冷却（预防熔断），残存应力节造 <10MPa。

通过系统评估与精准解除，退火后硬铜绞线的残存应力可节造在 <20MPa，满足高端场景（如新能源、智能电网）对靠得住性、寿命及导电性的严苛要求。

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