汽車鋁線專利技術(shù)

【摘" 要】文章依據(jù)國(guó)內(nèi)鋁線專利情況介紹汽車鋁線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，期望能幫助研究人員掌握鋁電線束的應(yīng)用技術(shù)，從而助力鋁線技術(shù)的推廣。

【關(guān)鍵詞】汽車；鋁線；摩擦焊接；超聲波焊接

中圖分類號(hào)：U463.62" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）02-0077-04

The Technology of the Aluminum Harness Patent of the Automobile

ZHAO Pingtang

（Tianhai Automobile Electric Group Co.，Ltd.，Hebi 458030；The Henan Province Research Center of the Engineering and Technology of the Automobile Electric Parts，Hebi 458030，China）

【Abstract】This paper introduces the development trend of automobile aluminum wire technology based on domestic aluminum wire patents，and hopes to help researchers master the application technology of aluminum wire harness，so as to help the promotion of aluminum wire technology.

【Key words】automobile；aluminum harness；friction welding；ultrasonic welding

電動(dòng)化、輕量化和智能網(wǎng)聯(lián)化的相互融合推動(dòng)著汽車技術(shù)的發(fā)展。隨著汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)的不斷降低，輕量化成為汽車節(jié)能減排的重要手段之一，輕量化也有利于增加電動(dòng)車的續(xù)航里程。汽車功能的增加，電子控制技術(shù)的普遍應(yīng)用，連接各個(gè)電器件的線束越來(lái)越復(fù)雜，汽車線束也變得越粗越重[1]，汽車電線的輕量化成為行業(yè)熱點(diǎn)[2]。電線束由連接器、電線及附件組成。電線束中70%以上為銅電線，鋁導(dǎo)線是銅導(dǎo)線的最佳代替品，鋁的比重輕，只有銅的1/3（鋁為2.7t/m3，銅為8.89t/m3），導(dǎo)電率為銅的60%。對(duì)于目前高漲的銅價(jià)而言，鋁的市價(jià)卻只有銅的20%左右。鋁線在汽車上電線束的應(yīng)用研究成為汽車電線束的熱點(diǎn)之一[3-4]。本文以國(guó)內(nèi)專利為基礎(chǔ)，分析鋁線技術(shù)的發(fā)展，期望能幫助研究人員掌握鋁電線束的應(yīng)用技術(shù)，從而助力鋁線技術(shù)的推廣。

1" 汽車鋁電線束技術(shù)初期

早在2011年2月高島直也[5]就提出了汽車的配線不僅可以使用銅線，還可以使用鋁或鋁合金線來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。為防止銅端子和鋁線壓接時(shí)由于電位差而產(chǎn)生的電偶腐蝕，采用鋁線壓接部前端涂敷由樹脂和焊錫組成的覆蓋材料阻止水分滲入壓接部發(fā)生電偶腐蝕。專利文本中還提到早在2004年就有日本研究者申請(qǐng)了鋁線技術(shù)專利（日本特開2004-207172號(hào)公報(bào)）。在此基礎(chǔ)上，2011年10月佐藤慶等[6]提出了鋁銅雙材料端子結(jié)合部采用樹脂密封的方法來(lái)防止電偶腐蝕的策略，如圖1所示。2012年5月研究人員又提出了在銅合金端子壓接尾部和鋁線的壓接部氣相沉積錫、鎳、碳及金的一種來(lái)防止電偶腐蝕[7]，如圖2所示。2015年筆者則采用鋁合金端子與電瓶銅接線柱連接端鍍銅20μm，壓接后沾錫[8]防止電偶腐蝕并提高汽車蓄電池線的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能、抗蠕變性能，還保證了電路在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)保持連續(xù)性能穩(wěn)定。該方案中鋁合金芯線各元素為鋁、鐵、銅、鎂。銅元素可增加合金在高溫時(shí)候的電阻穩(wěn)定性；鐵元素可提高抗蠕變性與壓緊性，避免由于蠕變引起的松弛問(wèn)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。筆者也曾研究采用銅端子壓接端真空鍍鋁與鋁線壓接防止電偶腐蝕的方案[9]。

2" 汽車銅包鋁電線束技術(shù)

研究人員最初采用鋁線鍍銅的銅包鋁線來(lái)防止鋁線與銅端子的直接接觸[10]。本諾·曾普[11]則設(shè)計(jì)了一種由導(dǎo)體芯和均勻包覆在所述導(dǎo)體芯上的導(dǎo)體層構(gòu)成高性能銅包鋁線（圖3），導(dǎo)體芯為純鋁或鋁合金材質(zhì)，導(dǎo)體層為銅合金材質(zhì)。該銅包鋁線的抗拉強(qiáng)度≥250MPa，伸長(zhǎng)率≥8％，導(dǎo)電率≥61％IACS，密度≤6.13g/cm3。外層銅合金層的設(shè)置使該高性能銅包鋁線的拉伸強(qiáng)度、線材伸長(zhǎng)率等機(jī)械性能得以顯著提高，繞曲性壽命、抗疲勞強(qiáng)度以及抗彎性能等動(dòng)態(tài)機(jī)械強(qiáng)度得以增加，斷線風(fēng)險(xiǎn)較小，且與純銅線相比，整體密度降低，因此質(zhì)量更輕，成本更低。

3" 鋁線束摩擦焊接技術(shù)

銅鋁摩擦焊接原理是機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)互相摩擦而產(chǎn)生高溫，并在高壓后焊接成一體，良好焊接后，焊接面完全沒有空隙，沒有空氣介入的焊接面而不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。早在2012年3月國(guó)內(nèi)研究者也申請(qǐng)并授權(quán)了專利[12]，圖4為機(jī)動(dòng)車鋁電路系統(tǒng)，采用鋁導(dǎo)線和銅鋁端子降低了成本和質(zhì)量；摩擦焊接的銅鋁過(guò)渡接線端子，避免了銅鋁接觸帶來(lái)電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，該專利是筆者能查到的應(yīng)用銅鋁端子防止電偶腐蝕比較早的專利。

2013年6月弗朗茨·利茨等[13]則采用鋁管套裝在鋁線上，包裹住全部去掉絕緣層的線束和部分未去掉絕緣層的線束，熔接層為將切平后的套有鋁管的線束與銅接線端子摩擦焊接而成的銅鋁接頭（圖5），不易被空氣、水或其他含氧物質(zhì)氧化，滿足新能源汽車需要。85mm2的鋁線拉脫力測(cè)量結(jié)果平均值在 5400～5800N左右，沒有焊接的易損件產(chǎn)生，大大提高了拉脫力。

筆者又把鍛壓的銅端子改為沖壓的銅板沖壓端子和鋁管壓接的鋁線摩擦焊接[14-15]，如圖6所示。在保留摩擦焊接防止電偶腐蝕的優(yōu)勢(shì)同時(shí)，不用銅棒鍛壓、鋁棒車銑，減少了工序和設(shè)備投入，降低了成本，增加了鋁及鋁合金線束整體價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

2013年9月李高勇等[16]則在銅鋁端子的鋁端壓接筒內(nèi)通過(guò)增加溝槽或螺紋在壓接時(shí)刺破氧化膜的方法來(lái)降低接觸電阻。筆者則在2014年12月申請(qǐng)并授權(quán)了一種汽車鋁芯電瓶線實(shí)現(xiàn)新型專利[17]，該專利提出了摩擦焊接端子的四方雙壓接技術(shù)（圖7），保證了拉脫力和電性能，解決了鋁線應(yīng)用的壓接技術(shù)行業(yè)難題，汽車鋁電瓶線也開始在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。專利中也提出了六方加點(diǎn)壓接的方式[18]，如圖8所示。

王超等[19]通過(guò)3個(gè)壓接凹槽的不同深度及壓接順序（圖9），避免了壓接過(guò)程中的退線現(xiàn)象，保證壓接強(qiáng)度以及與高低壓鋁芯線的良好接觸。研究人員還采用摩擦焊接的銅鋁轉(zhuǎn)換頭實(shí)現(xiàn)了銅導(dǎo)體向鋁導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換[20-21]，通過(guò)銅鋁轉(zhuǎn)換頭將銅電纜和鋁電纜相連接（圖10），在實(shí)現(xiàn)鋁電纜替代銅電纜時(shí)保留了銅端子的優(yōu)點(diǎn)。

2017年筆者首次把摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用在高壓鋁線的制造上[22]，采用鋁管和鋁或鋁合金導(dǎo)體3個(gè)環(huán)形凹槽壓接后突破了導(dǎo)體與銅接觸頭直接摩擦焊接工藝技術(shù)，通過(guò)接觸界面的合金化形成致密接觸層，防止了銅鋁接觸導(dǎo)致的電偶腐蝕，同時(shí)增加了電線和端子拉脫力。

4" 鋁線束超聲波焊、等離子焊技術(shù)

不僅摩擦焊接可以防止電偶腐蝕，通過(guò)鋁線和銅端子的超聲波焊、離子焊接也可防止銅鋁接觸的電偶腐蝕。2014年12月李高勇[23]提出在銅鋁端子的鋁部表面設(shè)置凹槽、滾花或溝槽，然后與鋁導(dǎo)線采用超聲波焊接的方法連接，如圖11所示。超聲波焊接工藝由于成本低、焊接可靠，在鋁線推廣中得到大量的應(yīng)用。雷亞軍等[24]則利用超聲波焊接技術(shù)連接鋁導(dǎo)線和銅導(dǎo)線，巧妙利用銅導(dǎo)線柔韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了鋁導(dǎo)線線硬、折彎半徑大、不易壓接的弊端，實(shí)現(xiàn)了鋁導(dǎo)線在汽車整車平臺(tái)上應(yīng)用的最大化、多樣化。劉建華等[25]也通過(guò)端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地保證了鋁導(dǎo)線的拉脫力達(dá)到了銅線的水平。

等離子弧焊指利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的熔焊方法，可以焊接箔材和薄板，小孔效應(yīng)能較好實(shí)現(xiàn)單面焊雙面自由成形。等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)10～12mm厚度鋼材不開坡口焊接，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)力變形小。目前，該技術(shù)在鋁線束上也在嘗試應(yīng)用。有研究人員將銅端子和鋁導(dǎo)線用等離子弧焊的方式在連接部分填充焊料，使銅鋁之間通過(guò)焊料連接在一起[26]，如圖12所示。焊接過(guò)程破壞掉鋁氧化層，增加導(dǎo)電率，又能隔離銅端子和鋁導(dǎo)線，防止銅鋁之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，延長(zhǎng)銅端子和鋁導(dǎo)線接頭的使用壽命，保證連接結(jié)構(gòu)的機(jī)械、電氣性能。由于等離子焊設(shè)備比較復(fù)雜，氣體耗量大，對(duì)工件的潔凈要求嚴(yán)格，影響等離子焊技術(shù)在鋁線束上的推廣應(yīng)用。

5" 汽車鋁棒鋁排線束技術(shù)

鋁線研究越來(lái)越熱，為滿足整車電能傳輸?shù)妮d流需求，在使用鋁導(dǎo)線進(jìn)行替代時(shí)，鋁導(dǎo)線外徑增大，這使得在整車電線束設(shè)計(jì)布置過(guò)程中受到空間限制無(wú)法使用鋁導(dǎo)線。研究者把鋁棒或鋁排應(yīng)用到高壓線束中[27-28]，如圖13所示。相比傳統(tǒng)同軸圓形鋁導(dǎo)線，鋁排導(dǎo)線使用實(shí)體鋁排替代原有單絲結(jié)構(gòu)，扁平化設(shè)計(jì)，減少了空間占用。如圖14所示，萬(wàn)竹雙等[29]在高壓線束上也用鋁棒代替銅導(dǎo)線來(lái)有效降低線纜材料的質(zhì)量成本，達(dá)到線束輕量化和低成本的要求；通過(guò)設(shè)置內(nèi)殼、屏蔽殼、屏蔽環(huán)和外殼等部件，對(duì)銅導(dǎo)線和鋁棒焊接處進(jìn)行有效保護(hù)，對(duì)焊接處進(jìn)行絕緣，屏蔽外界磁場(chǎng)對(duì)焊接處的干擾，同時(shí)保護(hù)焊接處不裸露在外，并通過(guò)內(nèi)殼和外殼來(lái)加強(qiáng)銅導(dǎo)線與鋁棒之間的固定，使兩種線材之間連接更加穩(wěn)定、牢固。

低壓鋁線束上鋁排、鋁棒也不斷有人申請(qǐng)和授權(quán)專利，見參考文獻(xiàn)[30～31]。鋁排、鋁棒導(dǎo)電性能卻幾乎等同于相同外徑的銅導(dǎo)線[31]，因此采用鋁棒的蓄電池線束，不僅在空間布局上不會(huì)有影響，同時(shí)還大大降低了整套線束的質(zhì)量，比銅材料線束減少了成本且增加載流。但其加工工藝比常規(guī)的鋁導(dǎo)線和銅導(dǎo)線要復(fù)雜得多。鋁排在空間上比鋁棒有一定優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)輕量化，也開始嘗試將鋁排應(yīng)用到空間有限的電池組內(nèi)[32]。鋁排、鋁棒導(dǎo)線存在一定的剛性，線束在加工及安裝至車身時(shí)還便于實(shí)現(xiàn)線束自動(dòng)化裝配，剛性結(jié)構(gòu)還可避免導(dǎo)線走向中護(hù)板的使用，降低導(dǎo)線成本。如圖15所示。

如圖16所示，王永超等[33]研究了鋁排與FFC/FPC的集成化并輔以發(fā)泡材料絕緣層的設(shè)計(jì)來(lái)減少空間、降低成本、減輕質(zhì)量等，并通過(guò)外殼對(duì)端子和線纜進(jìn)行固定，使多個(gè)線纜集中排布，提高連接器集成度，避免線纜散亂，保證連接器裝配效率；另外外殼采用注塑的方式進(jìn)行制作，使線纜和端子嵌設(shè)在外殼內(nèi)，有效保證連接器內(nèi)部的密封性；FFC線纜、IDC線纜和扁平鋁導(dǎo)線共同作用，能夠集成小到0.13mm2，大到70mm2的所有汽車上的普通線束，提高線束的集成度。

6" 鋁石墨、碳納米管等復(fù)合技術(shù)

鋁石墨、碳納米管材料也有研究者[34-35]把其應(yīng)用到鋁線技術(shù)上。早在2018年大塚泰史等[34]就開發(fā)了一種具有高強(qiáng)度和良好導(dǎo)電率的鋁系復(fù)合材料，如圖17所示。使用該鋁系復(fù)合材料的電線，添加物為選自碳納米管、碳納米角、碳黑、碳化硼和氮化硼組成的組中的至少一組，以解決鋁在線束應(yīng)用中雖輕但與銅相比強(qiáng)度和導(dǎo)電率低的問(wèn)題。

7" 結(jié)論

總之，鋁線技術(shù)因汽車輕量化和線束降本而提出。鋁線束技術(shù)的應(yīng)用，防止銅鋁接觸的電偶腐蝕是關(guān)鍵。摩擦焊接、超聲波焊接、等離子焊等都可以有效防止銅鋁接觸的電偶腐蝕。金屬涂層可以起到防止電偶腐蝕的作用。鋁棒、鋁排、高壓鋁線也開始得到應(yīng)用。鋁石墨、碳納米管復(fù)合材料在汽車線束上的應(yīng)用探索有可能把鋁線的應(yīng)用推上新的起點(diǎn)。2023年9月中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)頒布了筆者參與研制的《汽車用鋁電線束技術(shù)條件》（T/CAAMTB 142—2023）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，也必將助力汽車鋁線技術(shù)的應(yīng)用開啟新高潮。

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-07-02

作者簡(jiǎn)介：趙平堂（1967—），男，博士，正高級(jí)工程師，博士后導(dǎo)師，國(guó)家TRIZ創(chuàng)新方法二級(jí)培訓(xùn)師，河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車電子技術(shù)分會(huì)副主任委員（兼），主要從事汽車電子電器及其功能材料研究工作。