一、引言 

銅導線一直以來是汽車電氣系統(tǒng)中傳輸動力與信號電流的主要載體。隨著各國法規(guī)對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高, 以及行業(yè)內成本壓力的持續(xù)上升, 尋找輕量化和低成本導體替代銅導線已成為行業(yè)的趨勢。

而鋁的導電率僅次于銅, 其比重僅為銅的30.13% , 且價格相對穩(wěn)定, 僅為銅的30% 左右。因此它不失為銅導線的理想替代品而受到行業(yè)內的青睞。特別是應用在長度較長的大線徑動力電纜上具有非常好的降低重量和降低成本的效果。目前已有不少主機廠在嘗試將鋁導線批量應用在整車線束上。考慮到鋁材料的強度問題, 鋁導線在應用時兩端仍通過銅端子與其他電氣設備相連接。而大線徑鋁導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.銅端子與鋁導線連接的技術難點

1.1 鋁導體表面存在氧化膜

鋁導體和氧之間具有很強的親和力。即便在常溫下, 與空氣接觸的瞬間其表面就會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合。與銅導體相比, 雖然鋁導體上的氧化膜阻止了氧向其內部擴散, 并在大氣中起到了良好的抗腐蝕保護作用。但是其良好的絕緣效果, 阻止了電子從一個鋁基材導體向另一個鋁基材導體移動, 即電子只能在鋁基材本體內移動。

正因為這一特點, 鋁導線端部在去除絕緣護套后, 接觸空氣的鋁導體表面形成了氧化膜。 如圖1所示, 鋁導體中的電子只能在單根鋁絲中移動, 而無法在鋁絲與鋁絲之間移動。 如果在一束鋁芯線中存在部分斷絲現(xiàn)象, 那么這些斷絲中的電子運動就被阻斷, 相比于斷絲前的鋁導線, 其電阻值將會增加, 導電性能將會降低。

與之相比, 銅基材導體表面在空氣中不會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動。因此從定性的角度講, 銅導線在出現(xiàn)一定比例的斷絲時, 雖然導電性能有所下降, 但仍能滿足使用的要求。

1.2 銅鋁導體接觸部位存在電化學腐蝕

圖 2 為不同金屬材料在海水中的電化學勢排序, 可以看到銅金屬和鋁金屬在海水中存在化學電位差。當這兩種金屬同時存在于一種電解液中時就會形成原電池, 進而產(chǎn)生電化學反 應。處于低電勢的鋁材質中的鋁原子將會離開晶格并失去電子, 從而形成水合離子。長期處于這種環(huán)境中的鋁導體將會被逐步蠶食殆盡, 這種現(xiàn)象被稱作電化學腐蝕。

當空氣中的濕度較大或含有鹽化的雜質時, 就會形成理想的電解液環(huán)境, 銅端子與鋁導線直接接觸的部位就形成了以鋁 為負極、 銅為正極的原電池。如圖 3 所示, 如果連接部位處理不當, 將會產(chǎn)生嚴重的電化學腐蝕, 從而失去銅鋁連接的電氣性能和機械性能。

1.3鋁導線電氣性能與機械強度弱于銅導線

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

此外, 鋁導體的抗拉強度、硬度等機械性能都要弱于銅導體, 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線連接, 但是連接部位容易出現(xiàn)機械損傷或疲勞損傷, 因此在應用時必須采取相應的保護措施。

2 鋁導線與銅端子焊接的評判依據(jù)

2. 1 確保焊接部位良好的電氣性能

2.1.1確保選擇的鋁導線規(guī)格與銅導線等效

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

表 1 列舉了可考慮等效替代的鋁導線和銅導線規(guī)格的對照表。該表可作為銅 - 鋁導線等效替代的參考, 在具體應用時需要進一步驗證確認。

2.1.2通過超聲波焊實現(xiàn)鋁絲間的電子自由移動

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

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

通過同樣的方法, 也可以使端子的銅基材與導線的鋁基材之間實現(xiàn)分子層面的熔合, 從而達到良好的電氣性能。汽車線束領域對超聲波焊接性能的評價普遍使用USCar38—2016標準[3] 。在此版標準中已給出了銅端子與鋁導線焊接 的評判準則, 對導電性能的評判方法和準則與銅端子對銅導線焊接相同。

2.2 確保焊接部位良好的機械性能

 電纜組件在使用過程中會受到來自外力拉扯的風險, 特別是大截面的電瓶線, 外力往往會直接作用在單根電纜上。對于應用鋁導線的電氣回路, 其機械強度相對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程中, 當出現(xiàn)不便于安裝的情況時, 操作人員會拉拽導線從而產(chǎn)生沿導線方向的直拉力, 或對導線施加垂直于焊接面的撕裂力。因而在設計端子結構時需要考慮足夠的保護措施以對抗直拉力和撕裂力。

在 USCar38 標準[3]中已規(guī)定了不同規(guī)格鋁導線與銅端子連接時必須達到的直拉力 (pullstrength) 下限值。對于大線徑的 鋁導線 (≥10 mm 2 ) 在 USCar38 標準[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腐蝕性能

要防止銅端子和鋁導線焊接部位的電化學腐蝕, 關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)境驗證試驗中都能達到規(guī)范的要求, 但是考慮到熱熔膠工藝過程中膠水在注塑腔體內的流動性要求, 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,無法應用在裝車環(huán)境狹小的空間內。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, 它是通過高溫加熱后外壁收縮, 內壁固態(tài)膠水融化成液態(tài)膠, 

雙壁熱縮管俗稱帶膠熱縮管, 它是通過高溫加熱后外壁收縮, 內壁固態(tài)膠水融化成液態(tài)膠, 經(jīng)充分流動后覆蓋在端子連 接部位和導線絕緣皮表面, 在冷卻固化后達到密封效果。連接部位的密封效果可以通過鹽霧測試來評價。其評價的標準可以參考 GMW3191 [4] 。

2. 4 確保焊接部位良好的可制造性

超聲波焊接是通過兩個材料表面在一定壓力和頻率下高速往復相對運動, 通過摩擦運動使兩者表面產(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備上, 而導線則相對于固定的端子做高頻往復運動。因此端子需要有可靠的結構來進行固定。焊接效果的好壞同樣可以通過 USCar38 標準[1] 規(guī) 定的直拉力要求和客戶推薦的撕裂力要求進行測試評判。

來源：線束中國

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