淺談鋁導(dǎo)線在汽車線束輕量化中的應(yīng)用

毛建偉，王武軍，李厚琨，杜金奎，尚亞強(qiáng)，王振中，陳 磊

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

燃油經(jīng)濟(jì)性和CO2減排成為汽車性能的關(guān)鍵衡量指標(biāo)，而汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化這一指標(biāo)的重要手段，相關(guān)報(bào)告表明車輛減重10%，油耗降低近3.8%，同時(shí)排出的CO2的百分比也會(huì)相應(yīng)減少［1］。為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的要求，一些新型的輕質(zhì)材料已經(jīng)在車身、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件上得到廣泛應(yīng)用［2-3］。線束作為汽車的重要零部件，占整車總質(zhì)量的2%～3%，而且隨著汽車電氣系統(tǒng)的比例增高，作為電器連接系統(tǒng)的線束也越來越復(fù)雜，其質(zhì)量也持續(xù)增加［4］。目前汽車線束使用的電線都是銅導(dǎo)線，近年來隨著銅價(jià)連年上漲，以及為了滿足汽車輕量化的要求，所以尋求新的方法和材料來替代銅導(dǎo)線勢(shì)在必行。鋁導(dǎo)線與銅導(dǎo)線相比具有質(zhì)量輕、價(jià)格廉的優(yōu)點(diǎn)，因此鋁導(dǎo)線被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)汽車線束輕量化最適合的材料之一。

1 銅、鋁導(dǎo)體性能對(duì)比

銅、鋁導(dǎo)體的性能對(duì)比見表1［5-6］。

表1 銅、鋁導(dǎo)體的性能對(duì)比 （20℃）

雖然鋁導(dǎo)體具有質(zhì)輕價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也是顯而易見的，汽車線束使用鋁導(dǎo)線取代銅導(dǎo)線存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：①鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率約為銅導(dǎo)線的60%，鋁導(dǎo)線的載流量低；②鋁導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度低，影響端子壓接拉脫力；③鋁導(dǎo)線表面極易生成氧化膜，造成壓接電阻升高；④銅鋁間的電極電位差約2V，如果銅端子壓接鋁導(dǎo)線，當(dāng)銅和鋁的連接處在潮濕的環(huán)境中，同時(shí)有化學(xué)介質(zhì)溶解于水汽中形成電解液時(shí)，從而形成以鋁為負(fù)極、銅為正極的原電池，使電位較負(fù)的鋁腐蝕溶解，即電化學(xué)腐蝕。

2 實(shí)現(xiàn)汽車線束鋁化的方案探討

針對(duì)鋁導(dǎo)線在汽車線束的應(yīng)用中存在的技術(shù)難點(diǎn)，經(jīng)過研究人員持續(xù)的探索，近年來這些技術(shù)難點(diǎn)不斷被攻克，從而推動(dòng)了實(shí)現(xiàn)汽車線束輕量化的進(jìn)程。

2.1 鋁導(dǎo)線載流量低的解決方案

作為導(dǎo)線最關(guān)鍵的功能是承載電流，鋁導(dǎo)線導(dǎo)電率比銅導(dǎo)線低，這是鋁導(dǎo)線的固有特性，要想達(dá)到與銅導(dǎo)線同等的載流能力，唯有增加鋁導(dǎo)線的截面積。同等橫截面的鋁導(dǎo)線載流量比銅導(dǎo)線低25%。同等橫截面鋁導(dǎo)線與德標(biāo)銅導(dǎo)線載流量對(duì)比見表2。銅、鋁導(dǎo)線具有同樣載流能力時(shí)，雖然鋁導(dǎo)線的橫截面增大，但是其質(zhì)量仍然比銅導(dǎo)線低約50%。

2.2 端子壓接鋁導(dǎo)線拉脫力低的解決方案

在QC／T 29106《汽車電線束技術(shù)條件》中規(guī)定了端子與電線壓接應(yīng)牢固，在規(guī)定的拉力下不應(yīng)損傷和脫開。而鋁導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度較低影響端子壓接拉脫力。要想抑制鋁導(dǎo)線導(dǎo)電性下降的同時(shí)還要提升其強(qiáng)度，最有效的方案是開發(fā)全新鋁合金導(dǎo)線。住友電裝株式會(huì)社開發(fā)出了Al-Fe-Mg為主元素的鋁合金導(dǎo)線［7］，其具有110MPa以上的抗拉強(qiáng)度、15%以上的斷裂伸長率和58%IACS以上的導(dǎo)電率。這種全新的鋁合金電線在實(shí)現(xiàn)線束輕量化和確保導(dǎo)電性的同時(shí)，使導(dǎo)線具有了優(yōu)異的強(qiáng)度、加工性和耐沖擊性。河南天海電器有限公司開發(fā)了一種含有Al、Fe、Cu、Mg元素的汽車鋁合金蓄電池線，銅元素可增加合金的電阻穩(wěn)定性；鐵元素提高合金的抗蠕變性，避免由于蠕變引起的松弛問題；鎂元素在同樣的界面壓力下，能夠提高接觸點(diǎn)而具有更高的抗拉強(qiáng)度［8-9］。

表2 同等橫截面鋁導(dǎo)線與德標(biāo)銅導(dǎo)線載流量對(duì)比

2.3 鋁導(dǎo)線表面氧化膜影響端子壓接電阻的解決方案

鋁在空氣中極易形成致密的氧化層，在保護(hù)不受腐蝕的情況下具有很強(qiáng)的絕緣性，為較好地電氣連接，需要在端子壓接時(shí)破壞氧化層。此時(shí)的關(guān)鍵突破口是將端子壓接部的原始凹槽型壓筋改進(jìn)為“鋸齒狀”或“錐形凸點(diǎn)”的壓筋，該結(jié)構(gòu)在壓接時(shí)可刺破鋁導(dǎo)線表面的氧化層，將下面的金屬鋁與端子表面建立起良好的金屬接觸，從而實(shí)現(xiàn)可靠性連接，同時(shí)“鋸齒狀”或“錐形凸點(diǎn)”的壓筋結(jié)構(gòu)增大了壓接接觸面積，提升了端子壓接拉脫力［10-11］。

2.4 銅鋁壓接形成電化學(xué)腐蝕的解決方案

銅端子與鋁導(dǎo)線壓接時(shí)由于銅鋁之間存在電位差，其連接處出現(xiàn)水汽，同時(shí)有化學(xué)介質(zhì)溶解于水汽中時(shí)，銅鋁連接處就會(huì)形成電化學(xué)腐蝕。銅鋁壓接形成電化學(xué)腐蝕的條件為電位差和電解質(zhì)。此時(shí)的關(guān)鍵突破口是消除電位差和密封隔離電解質(zhì)。消除電位差的方法有銅鋁過渡端子的設(shè)計(jì)等；隔離電解質(zhì)的方式有直接密封隔離、中間物密封隔離、防腐處理等。

2.4.1 消除銅鋁壓接電位差

不同的金屬材料具有不同的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，要想使相互接觸的金屬之間的電位差為零，那么接觸的金屬必須為同一種材料。針對(duì)大線徑鋁導(dǎo)線的壓接開發(fā)了銅鋁過渡端子［12］，見圖1。銅鋁過渡端子包括銅鼻子和鋁連接管，銅鼻子由銅棒在沖床上經(jīng)過擠壓、沖孔、裁切而成，鋁連接管由鋁棒機(jī)加工而成，銅鼻子和鋁連接管經(jīng)過摩擦焊接工藝實(shí)現(xiàn)無縫連接。銅鋁摩擦焊接工藝是銅鋁棒高速旋轉(zhuǎn)摩擦對(duì)壓，通過高速摩擦產(chǎn)生熱能，溶化銅鋁棒，實(shí)現(xiàn)銅鋁端面100%冶金結(jié)合。銅鋁過渡端子在使用時(shí)將鋁導(dǎo)線插入鋁連接管中，采用特殊的壓接方式保證壓接性能。使用銅鋁過渡端子壓接鋁導(dǎo)線消除了電位差，避免了銅鋁電化學(xué)腐蝕。針對(duì)小線徑的端子產(chǎn)品，銅鋁過渡端子無法滿足產(chǎn)品的多樣化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)要求，所以在保持現(xiàn)有小線徑端子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的情況下，只有通過隔離電解質(zhì)的方式來解決銅端子與鋁導(dǎo)線壓接的電化學(xué)腐蝕。

圖1 銅鋁過渡端子

2.4.2 直接密封隔離電解質(zhì)

為了達(dá)到端子壓接部隔離電解質(zhì)的效果，古河電氣工業(yè)株式會(huì)社開發(fā)出了氣密性高、具有防腐蝕結(jié)構(gòu)的端子［13］，我們暫且稱為焊接筒端子，其生產(chǎn)和壓接示意圖見圖2。與現(xiàn)有一般端子相比，焊接筒端子同樣使用高速?zèng)_床成型，壓接部卷圓筒，采用在線激光焊接技術(shù)將成型后的端子壓接部制成相對(duì)密封的管結(jié)構(gòu)，將鋁導(dǎo)線插入此管結(jié)構(gòu)中，采用特殊的壓接方式使鋁導(dǎo)線在管結(jié)構(gòu)中處于機(jī)械密封狀態(tài)，從而直接隔離了電解質(zhì)，極大程度抑制了銅端子與鋁導(dǎo)線壓接的電化學(xué)腐蝕。

圖2 焊接筒端子生產(chǎn)及壓接示意圖

圖3 鋁導(dǎo)線與端子連接結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.3 中間物密封隔離電解質(zhì)

為了達(dá)到端子壓接部隔離電解質(zhì)的效果，矢崎總業(yè)株式會(huì)社提出了帶有中間帽的鋁導(dǎo)線與銅端子連接的結(jié)構(gòu)［14］，見圖3。此結(jié)構(gòu)包括端子、中間帽和鋁導(dǎo)線。端子與現(xiàn)有傳統(tǒng)端子相同，并且端子材料為銅合金；中間帽具有導(dǎo)通性，并且由金屬材料制成，該金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)介于鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)和銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)之間。在壓接過程中，通過選擇不同規(guī)格的中間帽來適配不同線徑的鋁導(dǎo)線，將鋁導(dǎo)線插入中間帽中，采用特殊的壓接方式使端子壓接部、中間帽和鋁導(dǎo)線三者實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，此時(shí)鋁導(dǎo)線在中間帽中處于機(jī)械密封狀態(tài)。中間帽的使用不僅降低了銅鋁之間的電位差，而且也隔離了電解質(zhì)，抑制了銅端子與鋁導(dǎo)線壓接的電化學(xué)腐蝕。

2.4.4 防腐處理

銅端子壓接鋁導(dǎo)線后進(jìn)行防腐處理也可以解決銅鋁之間的電化學(xué)腐蝕，防腐處理的方式有樹脂模壓法和噴涂法等。

樹脂模壓法［15］是在傳統(tǒng)銅端子壓接鋁導(dǎo)線后，采用注塑模具，使熱塑性樹脂對(duì)端子壓接部與鋁導(dǎo)線的連接處進(jìn)行整體密封，從而使端子壓接部和鋁導(dǎo)線整體與外界隔離。樹脂模壓法使用的防腐蝕材料有：聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、聚烯烴樹脂等有機(jī)樹脂。

噴涂法［16-17］是在傳統(tǒng)銅端子壓接鋁導(dǎo)線后，采用專用噴涂裝置，將液態(tài)或糊狀的防腐蝕劑噴涂在未被端子壓接部覆蓋而裸露在外部的鋁導(dǎo)線處，從而使鋁導(dǎo)線與外界隔離，阻擋了水份和電解質(zhì)進(jìn)入銅端子與鋁導(dǎo)線接觸處，抑制了銅鋁電化學(xué)腐蝕。噴涂法使用的防腐蝕材料有：①中間電位金屬防蝕膜；②光敏樹脂 （乙氧基化苯基丙烯酸酯、苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯等）；③疏水性防蝕劑 （帶有疏水基團(tuán)的苯并三氮唑等）。

3 結(jié)束語

目前雖然鋁導(dǎo)線在汽車線束中應(yīng)用有了很多解決方案，但是這些解決方案仍然存在諸多的不足，例如工藝復(fù)雜、技術(shù)成熟度不夠、產(chǎn)品品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)有待持續(xù)驗(yàn)證等。在未來的時(shí)間里仍需要不斷推進(jìn)鋁線束應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新和突破，相信未來鋁導(dǎo)線的應(yīng)用前景將更加廣闊，為實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。