一、引言 

銅導(dǎo)線一直以來(lái)是汽車電氣系統(tǒng)中傳輸動(dòng)力與信號(hào)電流的主要載體。隨著各國(guó)法規(guī)對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高, 以及行業(yè)內(nèi)成本壓力的持續(xù)上升, 尋找輕量化和低成本導(dǎo)體替代銅導(dǎo)線已成為行業(yè)的趨勢(shì)。

而鋁的導(dǎo)電率僅次于銅, 其比重僅為銅的30.13% , 且價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定, 僅為銅的30% 左右。因此它不失為銅導(dǎo)線的理想替代品而受到行業(yè)內(nèi)的青睞。特別是應(yīng)用在長(zhǎng)度較長(zhǎng)的大線徑動(dòng)力電纜上具有非常好的降低重量和降低成本的效果。目前已有不少主機(jī)廠在嘗試將鋁導(dǎo)線批量應(yīng)用在整車線束上。考慮到鋁材料的強(qiáng)度問(wèn)題, 鋁導(dǎo)線在應(yīng)用時(shí)兩端仍通過(guò)銅端子與其他電氣設(shè)備相連接。而大線徑鋁導(dǎo)線與銅端子之間的連接目前主要有以下3種形式: 

1.超聲波焊連接

2.摩擦焊連接

3.等離子體錫焊連接

二、正文

1.銅端子與鋁導(dǎo)線連接的技術(shù)難點(diǎn)

1.1 鋁導(dǎo)體表面存在氧化膜

鋁導(dǎo)體和氧之間具有很強(qiáng)的親和力。即便在常溫下, 與空氣接觸的瞬間其表面就會(huì)形成致密的三氧化二鋁 (Al2O3 )。 這層氧化膜僅為 2nm 厚, 卻緊密地與鋁基材表面相結(jié)合。與銅導(dǎo)體相比, 雖然鋁導(dǎo)體上的氧化膜阻止了氧向其內(nèi)部擴(kuò)散, 并在大氣中起到了良好的抗腐蝕保護(hù)作用。但是其良好的絕緣效果, 阻止了電子從一個(gè)鋁基材導(dǎo)體向另一個(gè)鋁基材導(dǎo)體移動(dòng), 即電子只能在鋁基材本體內(nèi)移動(dòng)。

正因?yàn)檫@一特點(diǎn), 鋁導(dǎo)線端部在去除絕緣護(hù)套后, 接觸空氣的鋁導(dǎo)體表面形成了氧化膜。 如圖1所示, 鋁導(dǎo)體中的電子只能在單根鋁絲中移動(dòng), 而無(wú)法在鋁絲與鋁絲之間移動(dòng)。 如果在一束鋁芯線中存在部分?jǐn)嘟z現(xiàn)象, 那么這些斷絲中的電子運(yùn)動(dòng)就被阻斷, 相比于斷絲前的鋁導(dǎo)線, 其電阻值將會(huì)增加, 導(dǎo)電性能將會(huì)降低。

與之相比, 銅基材導(dǎo)體表面在空氣中不會(huì)迅速形成致密的氧化膜, 因而即便是出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象, 斷絲中的電子仍可以借道其他銅絲向前運(yùn)動(dòng)。因此從定性的角度講, 銅導(dǎo)線在出現(xiàn)一定比例的斷絲時(shí), 雖然導(dǎo)電性能有所下降, 但仍能滿足使用的要求。

1.2 銅鋁導(dǎo)體接觸部位存在電化學(xué)腐蝕

圖 2 為不同金屬材料在海水中的電化學(xué)勢(shì)排序, 可以看到銅金屬和鋁金屬在海水中存在化學(xué)電位差。當(dāng)這兩種金屬同時(shí)存在于一種電解液中時(shí)就會(huì)形成原電池, 進(jìn)而產(chǎn)生電化學(xué)反 應(yīng)。處于低電勢(shì)的鋁材質(zhì)中的鋁原子將會(huì)離開晶格并失去電子, 從而形成水合離子。長(zhǎng)期處于這種環(huán)境中的鋁導(dǎo)體將會(huì)被逐步蠶食殆盡, 這種現(xiàn)象被稱作電化學(xué)腐蝕。

當(dāng)空氣中的濕度較大或含有鹽化的雜質(zhì)時(shí), 就會(huì)形成理想的電解液環(huán)境, 銅端子與鋁導(dǎo)線直接接觸的部位就形成了以鋁 為負(fù)極、 銅為正極的原電池。如圖 3 所示, 如果連接部位處理不當(dāng), 將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕, 從而失去銅鋁連接的電氣性能和機(jī)械性能。

1.3鋁導(dǎo)線電氣性能與機(jī)械強(qiáng)度弱于銅導(dǎo)線

在相同線徑條件下的鋁導(dǎo)線導(dǎo)電率要弱于銅導(dǎo)線, 因此必須使用比銅導(dǎo)線線徑更大的鋁導(dǎo)線, 以降低其阻值達(dá)到與銅導(dǎo)線等效的電氣性能。

此外, 鋁導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能都要弱于銅導(dǎo)體, 因此不適合加工成鋁端子與車上的其他部件連接, 只能考慮采用銅端子與鋁導(dǎo)線連接, 但是連接部位容易出現(xiàn)機(jī)械損傷或疲勞損傷, 因此在應(yīng)用時(shí)必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2 鋁導(dǎo)線與銅端子焊接的評(píng)判依據(jù)

2. 1 確保焊接部位良好的電氣性能

2.1.1確保選擇的鋁導(dǎo)線規(guī)格與銅導(dǎo)線等效

目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的銅導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)為 ISO6722 - 1 [1] , 鋁導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 6722 - 2 [2] 。鋁導(dǎo)線等效替代必須考慮與被替代的銅導(dǎo)線有相類似的導(dǎo)電率、載流能力、降額曲線等特性, 由此做到替換導(dǎo)體材質(zhì)而保持原有的電路保護(hù)策略。

表 1 列舉了可考慮等效替代的鋁導(dǎo)線和銅導(dǎo)線規(guī)格的對(duì)照表。該表可作為銅 - 鋁導(dǎo)線等效替代的參考, 在具體應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)一步驗(yàn)證確認(rèn)。

2.1.2通過(guò)超聲波焊實(shí)現(xiàn)鋁絲間的電子自由移動(dòng)

超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面, 在施加壓力的情況下, 使兩個(gè)物體表面相互摩擦, 從而形成分子層之間的熔合 (見圖4)。

通過(guò)該方法, 可以有效地破壞鋁絲表面的氧化膜, 實(shí)現(xiàn)電子在不同鋁絲導(dǎo)體之間的自由移動(dòng) (見圖 5)。

通過(guò)同樣的方法, 也可以使端子的銅基材與導(dǎo)線的鋁基材之間實(shí)現(xiàn)分子層面的熔合, 從而達(dá)到良好的電氣性能。汽車線束領(lǐng)域?qū)Τ暡ê附有阅艿脑u(píng)價(jià)普遍使用USCar38—2016標(biāo)準(zhǔn)[3] 。在此版標(biāo)準(zhǔn)中已給出了銅端子與鋁導(dǎo)線焊接 的評(píng)判準(zhǔn)則, 對(duì)導(dǎo)電性能的評(píng)判方法和準(zhǔn)則與銅端子對(duì)銅導(dǎo)線焊接相同。

2.2 確保焊接部位良好的機(jī)械性能

 電纜組件在使用過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自外力拉扯的風(fēng)險(xiǎn), 特別是大截面的電瓶線, 外力往往會(huì)直接作用在單根電纜上。對(duì)于應(yīng)用鋁導(dǎo)線的電氣回路, 其機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)薄弱的部位在焊接連接區(qū)域附近。例如在電瓶線裝配的過(guò)程中, 當(dāng)出現(xiàn)不便于安裝的情況時(shí), 操作人員會(huì)拉拽導(dǎo)線從而產(chǎn)生沿導(dǎo)線方向的直拉力, 或?qū)?dǎo)線施加垂直于焊接面的撕裂力。因而在設(shè)計(jì)端子結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮足夠的保護(hù)措施以對(duì)抗直拉力和撕裂力。

在 USCar38 標(biāo)準(zhǔn)[3]中已規(guī)定了不同規(guī)格鋁導(dǎo)線與銅端子連接時(shí)必須達(dá)到的直拉力 (pullstrength) 下限值。對(duì)于大線徑的 鋁導(dǎo)線 (≥10 mm 2 ) 在 USCar38 標(biāo)準(zhǔn)[3]中沒有明確規(guī)定撕裂力 (peel strength) 下限值, 通常由整車廠工程師給出推薦的下限值。

2. 3確保焊接部位良好的抗電化學(xué)腐蝕性能

要防止銅端子和鋁導(dǎo)線焊接部位的電化學(xué)腐蝕, 關(guān)鍵是連接部位要與潮濕或鹽化的環(huán)境之間做好隔絕措施。常用的超聲波焊接密封方式有兩種: 雙壁熱縮管密封 (圖 6) 和熱熔膠密封 (圖 7)。這兩種方式在***后的環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)中都能達(dá)到規(guī)范的要求, 但是考慮到熱熔膠工藝過(guò)程中膠水在注塑腔體內(nèi)的流動(dòng)性要求, 熱熔膠的壁厚必須保持至少2.5 ~ 3mm, 以致密封處理后端子連接部位體積較大,無(wú)法應(yīng)用在裝車環(huán)境狹小的空間內(nèi)。而雙壁熱縮管在熱縮處理后的壁厚在1 ~ 1.5 mm,因此雙壁熱縮管密封具有更廣泛的適用范圍。

雙壁熱縮管俗稱帶膠熱縮管, 它是通過(guò)高溫加熱后外壁收縮, 內(nèi)壁固態(tài)膠水融化成液態(tài)膠, 

雙壁熱縮管俗稱帶膠熱縮管, 它是通過(guò)高溫加熱后外壁收縮, 內(nèi)壁固態(tài)膠水融化成液態(tài)膠, 經(jīng)充分流動(dòng)后覆蓋在端子連 接部位和導(dǎo)線絕緣皮表面, 在冷卻固化后達(dá)到密封效果。連接部位的密封效果可以通過(guò)鹽霧測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)。其評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考 GMW3191 [4] 。

2. 4 確保焊接部位良好的可制造性

超聲波焊接是通過(guò)兩個(gè)材料表面在一定壓力和頻率下高速往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng), 通過(guò)摩擦運(yùn)動(dòng)使兩者表面產(chǎn)生高溫熔化, 并形成分子層的熔合。通常端子被固定在焊接設(shè)備上, 而導(dǎo)線則相對(duì)于固定的端子做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此端子需要有可靠的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行固定。焊接效果的好壞同樣可以通過(guò) USCar38 標(biāo)準(zhǔn)[1] 規(guī) 定的直拉力要求和客戶推薦的撕裂力要求進(jìn)行測(cè)試評(píng)判。

來(lái)源：線束中國(guó)