ลวดโลหะผสมอลูมิเนียม: เกรด คุณสมบัติ และการใช้งานทางอุตสาหกรรม

ชุดอะไร ลวดโลหะผสมอลูมิเนียม นอกจากลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์แล้ว

ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมผลิตขึ้นโดยการเติมธาตุผสมในปริมาณที่ควบคุมได้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแมกนีเซียม ซิลิคอน ทองแดง สังกะสี หรือแมงกานีส ลงในฐานอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ผลลัพธ์ที่ได้คือลวดที่มีสมรรถนะทางกลที่ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเปรียบเทียบกับอลูมิเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ (ซีรีส์ 1xxx) ในขณะที่ยังคงรักษาข้อได้เปรียบหลักของความหนาแน่นต่ำ ความต้านทานการกัดกร่อน และการนำไฟฟ้า ซึ่งทำให้อลูมิเนียมมีความน่าสนใจในการใช้งานทางอุตสาหกรรม

ลวดอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ (99.5–99.7% Al) มีความต้านทานแรงดึงประมาณ 60–100 เมกะปาสคาล ในสภาวะอบอ่อน ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานกับตัวนำไฟฟ้าบางอย่าง แต่ไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานเชิงโครงสร้าง สปริง หรือกลไกที่มีความเครียดสูง โลหะผสมช่วยเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้จากทุกที่ 150 MPa ถึงมากกว่า 500 MPa ขึ้นอยู่กับชุดโลหะผสมและอารมณ์โดยไม่มีการเพิ่มน้ำหนักตามสัดส่วน ข้อได้เปรียบด้านความแข็งแรงต่อน้ำหนักนี้เป็นเหตุผลหลักที่ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมได้เข้ามาแทนที่ลวดเหล็กและทองแดงในการใช้งานด้านการส่งผ่าน การบินและอวกาศ และการผลิตที่หลากหลาย

ข้อเสียคือโลหะผสมจะช่วยลดการนำไฟฟ้า อลูมิเนียมบริสุทธิ์มีค่าการนำไฟฟ้าประมาณ 61% IACS (มาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากล) ลวดโลหะผสมที่มีโครงสร้างส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง IACS 30–55% สำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงทางกล — การส่งผ่านพลังงานเหนือศีรษะเป็นตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุด — การเลือกใช้โลหะผสมและโครงสร้างลวดจะต้องมีความสมดุลอย่างระมัดระวัง

ซีรี่ส์โลหะผสมหลักและคุณลักษณะของพวกเขา

อลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกจำแนกออกเป็นชุดตามองค์ประกอบการผสมหลัก แต่ละซีรีส์มีโปรไฟล์คุณสมบัติที่แตกต่างกันซึ่งจะกำหนดความเหมาะสมสำหรับการวาดลวดและประสิทธิภาพการใช้งานขั้นสุดท้าย

ในจำนวนนี้ โลหะผสม 6201 (ซีรีส์ 6xxx) และ โลหะผสม 8030/8176 (ซีรีส์ 8xxx) เป็นประเภทที่ระบุไว้อย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับการใช้งานสายไฟ ในขณะที่สายไฟซีรีส์ 5xxx และ 7xxx มีอิทธิพลเหนือการใช้งานด้านโครงสร้าง การบินและอวกาศ และทางกล โดยที่การนำไฟฟ้ามีความสำคัญรองจากความแข็งแรงและความต้านทานความล้า

การใช้งานตัวนำไฟฟ้า

ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมเป็นพื้นฐานของโครงสร้างตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะที่ได้มาตรฐานหลายรายการ ซึ่งใช้ในโครงสร้างพื้นฐานการส่งและจ่ายพลังงานทั่วโลก

AAAC (ตัวนำอลูมิเนียมอัลลอยด์ทั้งหมด)

AAAC สร้างขึ้นจากเส้นลวดอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6201-T81 ทั้งหมด เมื่อเปรียบเทียบกับ ACSR (เสริมเหล็กตัวนำอะลูมิเนียม) ข้อเสนอ AAAC ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีขึ้น — โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมชายฝั่งและอุตสาหกรรมที่แกนเหล็กของ ACSR มีความเสี่ยง — และอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีกว่าสำหรับเส้นเหนือศีรษะที่มีช่วงยาว โดยทั่วไปค่าการนำไฟฟ้าจะอยู่ที่ 52.5% IACS และความต้านทานแรงดึงของตัวนำที่เสร็จแล้วจะอยู่ระหว่าง 295 ถึง 325 MPa ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าการพันเกลียว

ACAR (อะลูมิเนียม ตัวนำ โลหะผสม เสริมแรง)

ACAR ผสมผสานเส้นอลูมิเนียมบริสุทธิ์ซีรีส์ 1350 สำหรับการนำไฟฟ้าเข้ากับแกนกลางของเส้นโลหะผสม 6201 เพื่อความแข็งแรงเชิงกล อัตราส่วนของโลหะผสมต่อเส้นอลูมิเนียมบริสุทธิ์จะถูกปรับเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความทึบและความตึงเฉพาะสำหรับการออกแบบเส้นที่กำหนด โครงสร้างนี้ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบมากกว่า ACSR หรือ AAAC สำหรับการใช้งานเครือข่ายการกระจายสินค้า

ลวดอาคาร: โลหะผสมซีรีส์ 8000

หลังจากความล้มเหลวของลวดอะลูมิเนียมบริสุทธิ์รุ่นแรกๆ ในทศวรรษ 1960 และ 1970 ซึ่งสาเหตุหลักมาจากการคืบคลานที่จุดเชื่อมต่อภายใต้ภาระความร้อนแบบวงจร โลหะผสม 8030 และ 8176 ได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ โลหะผสมเหล่านี้ได้ ความต้านทานการคืบที่ดีขึ้น การยืดตัวที่ดีขึ้น และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อที่เสถียรยิ่งขึ้น เทียบกับอลูมิเนียม 1350 ขณะนี้รายการเหล่านี้อยู่ภายใต้ NEC Article 310 และ ASTM B800/B801 ว่าเป็นที่ยอมรับสำหรับการเดินสายวงจรสาขาในการก่อสร้างที่อยู่อาศัยและพาณิชยกรรม เมื่อใช้กับตัวเชื่อมต่อและอุปกรณ์ที่ได้รับการจัดอันดับ AA

การใช้งานลวดเครื่องกลและโครงสร้าง

นอกเหนือจากตัวนำไฟฟ้าแล้ว ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมยังทำหน้าที่รับน้ำหนักและบทบาททางกลเชิงหน้าที่ได้หลากหลาย โดยที่การรวมกันของความหนาแน่นต่ำ ความต้านทานการกัดกร่อน และความสามารถในการขึ้นรูปนั้นให้ข้อได้เปรียบเหนือเหล็กกล้า

• เชือกลวดและสายเคเบิล: ลวดโลหะผสมซีรีส์ 5xxx และ 7xxx ถูกดึงและพันเข้ากับโครงสร้างเชือกสำหรับงานเดินเรือ โครงสร้างแรงดึงทางสถาปัตยกรรม และระบบกันสะเทือน ลวดสลิงอะลูมิเนียมมีน้ำหนักประมาณหนึ่งในสามของเชือกเหล็กที่เทียบเท่ากัน ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญในการใช้งานที่คำนึงถึงน้ำหนัก เช่น เสื้อผ้าเรือใบและระบบการยกน้ำหนักเบา
• ลวดสปริง: ลวดโลหะผสม 7075 และ 7178 ถูกนำมาใช้ในการใช้งานสปริงอากาศยานและเครื่องมือวัดความแม่นยำ ซึ่งสปริงจะต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งจะทำให้เหล็กเสื่อมสภาพ โมดูลัสยืดหยุ่นของอะลูมิเนียม (ประมาณ 69 GPa) มีค่าประมาณหนึ่งในสามของเหล็ก ดังนั้นสปริงอะลูมิเนียมจึงต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้มีการโก่งตัวที่มากขึ้นเพื่อให้ได้แรงที่เท่ากัน
• ลวดเชื่อม: สายอลูมิเนียมอัลลอยด์ซีรีส์ 4xxx (ประกอบด้วยซิลิคอน) และซีรีส์ 5xxx เป็นวัสดุตัวเติมหลักสำหรับการเชื่อม MIG และ TIG ของโครงสร้างอลูมิเนียม การเลือกโลหะผสมสำหรับลวดเชื่อมจะต้องตรงกับองค์ประกอบของโลหะฐานเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวจากความร้อนและให้ข้อต่อมีความแข็งแรงเพียงพอ
• การหุ้มเกราะและการคัดกรอง: ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมถูกใช้เป็นเกราะเกลียวบนสายไฟและสายสื่อสารเพื่อให้การป้องกันทางกล และในโครงสร้างบางอย่าง ก็มีการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คุณสมบัติที่ไม่ใช่แม่เหล็กของอลูมิเนียมมีคุณค่าอย่างยิ่งในการหุ้มสายเคเบิล AC โดยที่เกราะเหล็กจะทำให้เกิดการสูญเสีย
• ผลิตภัณฑ์ตาข่ายและผ้าทอ: ลวดโลหะผสมแบบละเอียดถูกถักทอเป็นตาข่ายกรอง ด้านหน้าของตาข่ายทางสถาปัตยกรรม และการคัดกรองแมลง โลหะผสมในซีรีส์ 5xxx เป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานตาข่ายกลางแจ้ง เนื่องจากมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนโดยไม่ต้องมีการเคลือบพื้นผิว

กระบวนการวาดลวดและการกำหนดอุณหภูมิ

ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมผลิตโดยการหล่อแบบรีดร้อนจนถึงเส้นผ่านศูนย์กลางกลาง จากนั้นจึงดึงเย็นผ่านแม่พิมพ์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ไปจนถึงขนาดเส้นลวดขั้นสุดท้าย การผ่านการวาดแต่ละครั้งจะทำให้วัสดุแข็งตัว เพิ่มความต้านทานแรงดึง และลดความเหนียว คุณสมบัติทางกลขั้นสุดท้ายขึ้นอยู่กับทั้งองค์ประกอบของโลหะผสมและอุณหภูมิที่ได้จากการผสมผสานระหว่างงานเย็นและการบำบัดความร้อนที่ตามมา

การกำหนดอุณหภูมิเป็นไปตามระบบ Aluminium Association:

• -O (อบอ่อน): อ่อนตัวลงอย่างเต็มที่ด้วยการบำบัดความร้อนหลังการวาด ความเหนียวสูงสุด ความแข็งแรงขั้นต่ำ ใช้โดยคำนึงถึงความสามารถในการขึ้นรูปและอายุการดัดงอมากกว่าความสามารถในการรับแรงดึง
• -H1x (แข็งตัวด้วยความเครียด): ความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้นโดยการทำงานด้วยความเย็นเพียงอย่างเดียว โดยไม่ต้องผ่านการบำบัดด้วยความร้อนในภายหลัง ตัวเลขตัวที่สองแสดงถึงระดับการชุบแข็ง: H11 (เบา) ถึง H18 (แข็งเต็มที่) ใช้สำหรับโลหะผสมที่ไม่ผ่านการบำบัดความร้อน เช่น ซีรีส์ 1xxx และ 5xxx
• -T6 (สารละลายที่ได้รับการบำบัดด้วยความร้อนและบ่มแบบเทียม): นำไปใช้กับโลหะผสมที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน (6xxx, 7xxx) บรรลุความแข็งแรงเกือบสูงสุดสำหรับโลหะผสมผ่านการชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 6201-T81 — อุณหภูมิมาตรฐานสำหรับลวดตัวนำ AAAC — คือ สารละลายที่ได้รับการบำบัดด้วยความร้อน เย็นเล็กน้อย จากนั้นจึงบ่มเทียม
• -T9 (สารละลายได้รับการบำบัดด้วยความร้อน บ่มเทียม แล้วจึงทำงานเย็น): ใช้เมื่อต้องการความแข็งแรงสูงสุด และลดความเหนียวลงได้บ้าง พบได้น้อยกว่าในสายไฟมากกว่ารุ่น T6/T8

สำหรับการจัดซื้อจัดจ้างให้ระบุทั้งการกำหนดโลหะผสมและอารมณ์เสมอ สายไฟสองเส้นที่มีหมายเลขโลหะผสมเท่ากันแต่มีอุณหภูมิต่างกันได้ ค่าความต้านทานแรงดึงที่แตกต่างกัน 50% ขึ้นไป และการระบุเฉพาะหมายเลขโลหะผสมที่ไม่มีการปรับอุณหภูมิ ทำให้ประสิทธิภาพทางกลไม่ได้ถูกกำหนดไว้

มาตรฐานสำคัญและการรับรองสำหรับการอ้างอิง

ลวดโลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับการใช้งานทั้งทางไฟฟ้าและทางกลอยู่ภายใต้ชุดมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับในระดับสากลซึ่งกำหนดองค์ประกอบ ข้อกำหนดคุณสมบัติทางกล ความคลาดเคลื่อนของขนาด และวิธีการทดสอบ การอ้างอิงมาตรฐานที่เกี่ยวข้องเมื่อระบุหรือจัดซื้อสายไฟช่วยให้แน่ใจว่าข้อมูลซัพพลายเออร์ได้รับการรายงานบนพื้นฐานที่สอดคล้องกันและตรวจสอบได้

• มาตรฐาน ASTM B398 / B399: ครอบคลุมลวดอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6201 และโครงสร้างตัวนำ AAAC มาตรฐานอ้างอิงอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับสายตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะในตลาดอเมริกาเหนือ
• มาตรฐาน ASTM B800 / B801: ครอบคลุมสายไฟตัวนำโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 8000 และตัวนำตีเกลียวสำหรับการใช้งานสายไฟในอาคาร
• IEC 60104: มาตรฐานสากลสำหรับลวดโลหะผสมอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม-ซิลิคอนสำหรับตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะ เทียบเท่ากับ ASTM B398 อย่างกว้างๆ และใช้เป็นมาตรฐานอ้างอิงในตลาดยุโรป เอเชีย และตะวันออกกลาง
• ห้องน้ำในตัว 13602: มาตรฐานยุโรปสำหรับลวดทองแดงดึง — อ้างอิงถึงที่นี่ เนื่องจากมักใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการเปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าของลวดโลหะผสมอะลูมิเนียมและสมรรถนะทางกลกับทองแดงในการอภิปรายเรื่องการเปลี่ยนลวดในอาคาร
• AWS A5.10: ข้อกำหนดของ American Welding Society สำหรับลวดและแท่งเชื่อมอลูมิเนียมและโลหะผสมอะลูมิเนียมเปลือย ครอบคลุมองค์ประกอบของโลหะผสมตัวเติมและข้อกำหนดด้านคุณสมบัติทางกล

เมื่อจัดหาลวดโลหะผสมอะลูมิเนียมสำหรับการใช้งานที่สำคัญ โปรดขอรายงานการทดสอบของโรงงาน (MTR) ที่บันทึกค่าที่วัดได้จริงสำหรับความต้านทานแรงดึง การยืดตัว และสภาพนำไฟฟ้า (หากเกี่ยวข้อง) ตามมาตรฐานที่กำหนด — ไม่ใช่แค่การประกาศการปฏิบัติตามข้อกำหนดเท่านั้น