車用鋁導線技術方案分析

摘要：文章以蓄電池正極線為突破口，探討用鋁導線來代替銅導線的可能性。鋁導線通過采用鋁筒壓接，與銅端子通過摩擦焊連接的方法，生產出一種新型的汽車用蓄電池正極線。該新型線束通過金相分析、臺架試驗和整車搭載可靠性試驗后，均未發(fā)現(xiàn)明顯的問題。該新型線束的成本、重量均比同參數(shù)要求的銅導線低30%左右，表現(xiàn)出良好的應用前景。 

1  研究背景

目前汽車導線的導體材料是銅，采用多股絞合的方式做成銅質線芯，比重和價格都比較高。線束遍布整車各個位置，其輕量化設計成為了亟需解決的問題。另外銅價最近二十年以來持續(xù)上升，最近五年更是大幅上漲約30%，給下游廠家?guī)砭薮蟮某杀緣毫?，因此，行業(yè)內在積極尋找新的銅線替代材料。并且隨著國家各項法規(guī)越來越嚴格，整車油耗限值越來越高，各大汽車生產廠商都在積極的進行降低整車自重的工作。由于線束遍布全車，成本和重量占據(jù)很重的比例，因此，線束的優(yōu)化設計也成為必須考慮的事項。

2  現(xiàn)狀分析

2.1 行業(yè)現(xiàn)狀分析

據(jù)了解，通用汽車鋁電瓶線批量應用多年，它的鋁導線與端子采用摩擦焊+壓接的方式進行連接，端子由銅鍛造板和純鋁板焊接構成，線束與鋁板部分通過壓接實現(xiàn)，如圖1 所示。

鋁導體與鋁板采用四面環(huán)壓的方式連接，連接部位采用雙壁帶膠熱縮管進行密封保護，鋁板與銅鍛造板采用摩擦焊連接。此種技術方案實現(xiàn)較復雜，需要采用專用設備，優(yōu)點是連接處抗拉強度較高。

目前國內乘用車例如吉利在電瓶線上做過應用研究，在BSG 車型上進行小批量裝車。在商用車領域目前沒有批量搭載應用，據(jù)了解，東風、陜汽重卡計劃對電瓶線進行鋁線替代應用，計劃采用摩擦焊+壓接的方式實現(xiàn)。

2.2 技術路線分析

對商用車線束進行鋁線替換具有降成本、降重效益的優(yōu)點，對于大線徑的鋁電瓶線，由于鋁本身硬度較低、且與銅的熱膨脹系數(shù)不同，傳統(tǒng)的銅端子壓接鋁線的方式不適用，為解決端子連接問題，可參照通用汽車電瓶線的摩擦焊連接技術路線進行研究開發(fā)。

根據(jù)前期小線徑鋁導線替代的應用成果，本次研究商用車大線徑的電瓶線的鋁線替換，由于鋁本身硬度較低、且與銅的熱膨脹系數(shù)不同，傳統(tǒng)的壓接工藝不適用，因此需重點關注鋁電瓶線端子的連接技術以及相關電氣性能例如導電性、可靠性等，并實現(xiàn)技術降重、降成本；計劃參考通用汽車的摩擦焊技術進行研究開發(fā)。

由于鋁材料自身特性的原因，在與空氣接觸時，鋁的表面極易與氧氣發(fā)生化學反應，在導線的表面形成氧化層。而氧化層具有絕緣性，會增大電阻，嚴重影響導線的導電性能。因此為了保證線束良好的導電性，在使用鋁導線代替銅導線時，必須解決鋁材的氧化絕緣問題。

3  技術方案

3.1 鋁導線技術方案規(guī)劃

鋁材導電率低，只有純銅的60%左右，在進行替換時，需要將導線規(guī)格提升1～2 個檔次，借鑒前期鋁導線替換銅導線應用經(jīng)驗，根據(jù)鋁導線應用指南的推薦，原35 mm2銅線替換為59 mm2鋁線，如表1 所示。

鋁硬度較低，若端子采用鋁材，打緊螺栓時容易變形損壞，因此仍采用銅制端子，另外鋁與銅的熱膨脹系數(shù)不同，且銅與鋁之間容易發(fā)生電化學腐蝕，傳統(tǒng)的銅端子壓接鋁線工藝不適用，需采用鋁筒進行壓接，也即整樁頭包含兩部分：銅端子、鋁筒，因此如何將銅端子與鋁筒可靠地連接起來，就成了必須解決的難題，如表2 所示。

銅、鋁兩種金屬相互焊接難度很大，主要是因為兩者之間冶金相容性不好，以及物理性質和化學性質的差異過大。這兩種金屬在焊接過程中主要有以下三種問題：

一，鋁、銅這兩種金屬在高溫環(huán)境下容易氧化。但是，銅的熔點比鋁高了400 ℃以上，在實際操作過程中不能保證兩者同時熔化，在銅到達熔點時，容易造成鋁過燒。在高溫環(huán)境下，鋁會被劇烈氧化，這些氧化物一旦進入焊縫就會產生雜質，會造成銅、鋁焊接無法跟填充材料進行有效熔合。

二，在焊接的過程中，由于鋁、銅導熱性非常好，會使焊縫的凝固速度變得很快，氣體無法及時排出，導致在焊縫中出現(xiàn)氣孔。同時，鋁、銅之間的膨脹系數(shù)差異導致接頭處存在殘余應力，進而導致焊縫發(fā)生開裂。

三，焊接過程中存在冶金相容性不好的問題。在接頭處容易產生多種金屬間化合物，會極大地影響焊縫的力學性能。從圖2 可以看到，至少能產生15 種金相。在高溫環(huán)境下，銅、鋁金屬容易發(fā)生互溶，并且該溶解度會根據(jù)溫度的升高而提升，逐漸形成各種金屬間化合物。

摩擦焊的優(yōu)點在于接頭質量好、效率高，焊接過程由機器控制，焊接時間以秒計算，機器參數(shù)設定后容易監(jiān)控；最重要的是，它特別適合異種材料的連接，其焊接接頭不會出現(xiàn)氣孔、夾雜、偏析等缺陷，焊接接頭強度甚至能超過母材的強度，因此本方案采用摩擦焊技術連接銅端子與鋁筒。

具體方案是采用摩擦焊+壓接+熱縮管的方式，整個銅鋁樁頭結構包含銅端子、鋁筒，銅端子與鋁筒采用摩擦焊連接，鋁筒和鋁線采用四面環(huán)壓的方式連接，避免銅、鋁因熱膨脹系數(shù)不同導致的導線疲勞斷裂，壓接完成后采用雙壁帶膠熱縮管進行密封保護，可有效防止鋁線剝頭部分與空氣接觸氧化、接觸不良。如圖3、4 所示。

3.2 實物驗證

3.2.1 金相觀察試驗

對鋁/銅摩擦焊接頭進行切割并鑲嵌，得到如圖5 所示的實驗件。

制備過程如下：依次用400 目到2 000 目逐漸升高的干濕兩用金相砂紙打磨，要注意樣品的打磨方向要始終朝向同一方向，打磨時需要加水潤滑和冷卻。完成后繼續(xù)用30 000 目的拋光液繼續(xù)打磨，最后使用離子拋光機下最終拋光。使用腐蝕液中腐蝕15 秒，處理完成后在顯微鏡下觀察焊接表面，如圖6 所示。觀察發(fā)現(xiàn)兩種金屬焊接后，焊縫明顯，沒有空隙和其他缺陷，表明焊接質量良好。

3.2.2 臺架試驗

試驗委托比克希（合肥）開展，其中原線導體性能參考ISO 19642/ISO 6722 中鋁線的相關項目進行，具體如表3 所示。

臺架試驗驗證：主要包括原線導體性能、線束總成性能的試驗，參考ISO 19642、ISO 6722 標準進行測試，目前已完成相關臺架試驗，試驗合格。

通過對接頭的拉伸試驗檢測，發(fā)現(xiàn)鋁導線沒有在焊縫處被破壞。因此可以認為該參數(shù)下的焊接強度沒有問題，斷裂情況如圖7 所示。

通電試驗：該試驗主要進行了溫升和電壓降的測試。通電260 A，導線溫度穩(wěn)定時測得溫度約為 40 ℃，端子和導線的溫度基本一致。電壓降測試結果為1.9 mV。通電性能測試結果滿足國家標準要求。試驗數(shù)據(jù)如圖8 所示。

3.2.3 熱縮管的密封性相關測試

熱縮管在汽車線束上已普遍使用，其絕緣性、熱老化、高低溫沖擊等性能滿足車輛的使用要求。此次研究的熱縮管使用在鋁導線上，根據(jù)鋁的材料特性，對熱縮管的熱熔膠成分進行了一些調整，減少熱熔膠對于鋁的腐蝕。經(jīng)過試驗，在0.5 bar壓力下，測試15 s，連接處無氣泡產生，密封性良好。

3.2.4 實車搭載路試試驗

電瓶線總成試驗參考企標相關項目進行。整車可靠性試驗計劃進行6 000 km 高速環(huán)道、3 000 km 強化道路試驗。試驗完成后，現(xiàn)場查看電瓶線狀態(tài)良好，未發(fā)生磨損、腐蝕、斷裂等不利現(xiàn)象。

4 結  論

針對大線徑的電瓶線，通過改變端子連接結構，采用摩擦焊+壓接+熱縮管的方式，銅端子與鋁筒采用摩擦焊連接，鋁筒和鋁線采用四面環(huán)壓的方式連接，避免因銅鋁材料熱膨脹系數(shù)不同導致的疲勞斷裂，壓接完成后采用雙壁帶膠熱縮管進行密封保護，防止鋁線剝頭部分與空氣接觸氧化、接觸不良的等不利情況，并通過了相應的可靠性驗證，同等規(guī)格下，電瓶線導體（不含樁頭端子）成本降低30%，重量降低30%。