車用鋁導(dǎo)線技術(shù)方案分析

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

1  研究背景

目前汽車導(dǎo)線的導(dǎo)體材料是銅，采用多股絞合的方式做成銅質(zhì)線芯，比重和價(jià)格都比較高。線束遍布整車各個(gè)位置，其輕量化設(shè)計(jì)成為了亟需解決的問(wèn)題。另外銅價(jià)最近二十年以來(lái)持續(xù)上升，最近五年更是大幅上漲約30%，給下游廠家?guī)?lái)巨大的成本壓力，因此，行業(yè)內(nèi)在積極尋找新的銅線替代材料。并且隨著國(guó)家各項(xiàng)法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，整車油耗限值越來(lái)越高，各大汽車生產(chǎn)廠商都在積極的進(jìn)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(shè)計(jì)也成為必須考慮的事項(xiàng)。

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(yīng)用多年，它的鋁導(dǎo)線與端子采用摩擦焊+壓接的方式進(jìn)行連接，端子由銅鍛造板和純鋁板焊接構(gòu)成，線束與鋁板部分通過(guò)壓接實(shí)現(xiàn)，如圖1 所示。

鋁導(dǎo)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(jìn)行密封保護(hù)，鋁板與銅鍛造板采用摩擦焊連接。此種技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，需要采用專用設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)是連接處抗拉強(qiáng)度較高。

目前國(guó)內(nèi)乘用車?yán)缂陔娖烤€上做過(guò)應(yīng)用研究，在BSG 車型上進(jìn)行小批量裝車。在商用車領(lǐng)域目前沒(méi)有批量搭載應(yīng)用，據(jù)了解，東風(fēng)、陜汽重卡計(jì)劃對(duì)電瓶線進(jìn)行鋁線替代應(yīng)用，計(jì)劃采用摩擦焊+壓接的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 技術(shù)路線分析

對(duì)商用車線束進(jìn)行鋁線替換具有降成本、降重效益的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(wèn)題，可參照通用汽車電瓶線的摩擦焊連接技術(shù)路線進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

根據(jù)前期小線徑鋁導(dǎo)線替代的應(yīng)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(diǎn)關(guān)注鋁電瓶線端子的連接技術(shù)以及相關(guān)電氣性能例如導(dǎo)電性、可靠性等，并實(shí)現(xiàn)技術(shù)降重、降成本；計(jì)劃參考通用汽車的摩擦焊技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

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

3  技術(shù)方案

3.1 鋁導(dǎo)線技術(shù)方案規(guī)劃

鋁材導(dǎo)電率低，只有純銅的60%左右，在進(jìn)行替換時(shí)，需要將導(dǎo)線規(guī)格提升1～2 個(gè)檔次，借鑒前期鋁導(dǎo)線替換銅導(dǎo)線應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)鋁導(dǎo)線應(yīng)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(shí)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(xué)腐蝕，傳統(tǒng)的銅端子壓接鋁線工藝不適用，需采用鋁筒進(jìn)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(lái)，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?yàn)閮烧咧g冶金相容性不好，以及物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差異過(guò)大。這兩種金屬在焊接過(guò)程中主要有以下三種問(wèn)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(diǎn)比鋁高了400 ℃以上，在實(shí)際操作過(guò)程中不能保證兩者同時(shí)熔化，在銅到達(dá)熔點(diǎn)時(shí)，容易造成鋁過(guò)燒。在高溫環(huán)境下，鋁會(huì)被劇烈氧化，這些氧化物一旦進(jìn)入焊縫就會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，會(huì)造成銅、鋁焊接無(wú)法跟填充材料進(jìn)行有效熔合。

二，在焊接的過(guò)程中，由于鋁、銅導(dǎo)熱性非常好，會(huì)使焊縫的凝固速度變得很快，氣體無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致在焊縫中出現(xiàn)氣孔。同時(shí)，鋁、銅之間的膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致接頭處存在殘余應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫發(fā)生開(kāi)裂。

三，焊接過(guò)程中存在冶金相容性不好的問(wèn)題。在接頭處容易產(chǎn)生多種金屬間化合物，會(huì)極大地影響焊縫的力學(xué)性能。從圖2 可以看到，至少能產(chǎn)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(huì)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(diǎn)在于接頭質(zhì)量好、效率高，焊接過(guò)程由機(jī)器控制，焊接時(shí)間以秒計(jì)算，機(jī)器參數(shù)設(shè)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(huì)出現(xiàn)氣孔、夾雜、偏析等缺陷，焊接接頭強(qiáng)度甚至能超過(guò)母材的強(qiáng)度，因此本方案采用摩擦焊技術(shù)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(gè)銅鋁樁頭結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的導(dǎo)線疲勞斷裂，壓接完成后采用雙壁帶膠熱縮管進(jìn)行密封保護(hù)，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(shí)物驗(yàn)證

3.2.1 金相觀察試驗(yàn)

對(duì)鋁/銅摩擦焊接頭進(jìn)行切割并鑲嵌，得到如圖5 所示的實(shí)驗(yàn)件。

制備過(guò)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(shí)需要加水潤(rùn)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(jī)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(méi)有空隙和其他缺陷，表明焊接質(zhì)量良好。

3.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)委托比克希（合肥）開(kāi)展，其中原線導(dǎo)體性能參考ISO 19642/ISO 6722 中鋁線的相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行，具體如表3 所示。

臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證：主要包括原線導(dǎo)體性能、線束總成性能的試驗(yàn)，參考ISO 19642、ISO 6722 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，目前已完成相關(guān)臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

通過(guò)對(duì)接頭的拉伸試驗(yàn)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鋁導(dǎo)線沒(méi)有在焊縫處被破壞。因此可以認(rèn)為該參數(shù)下的焊接強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題，斷裂情況如圖7 所示。

通電試驗(yàn)：該試驗(yàn)主要進(jìn)行了溫升和電壓降的測(cè)試。通電260 A，導(dǎo)線溫度穩(wěn)定時(shí)測(cè)得溫度約為 40 ℃，端子和導(dǎo)線的溫度基本一致。電壓降測(cè)試結(jié)果為1.9 mV。通電性能測(cè)試結(jié)果滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8 所示。

3.2.3 熱縮管的密封性相關(guān)測(cè)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(dǎo)線上，根據(jù)鋁的材料特性，對(duì)熱縮管的熱熔膠成分進(jìn)行了一些調(diào)整，減少熱熔膠對(duì)于鋁的腐蝕。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在0.5 bar壓力下，測(cè)試15 s，連接處無(wú)氣泡產(chǎn)生，密封性良好。

3.2.4 實(shí)車搭載路試試驗(yàn)

電瓶線總成試驗(yàn)參考企標(biāo)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行。整車可靠性試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行6 000 km 高速環(huán)道、3 000 km 強(qiáng)化道路試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，現(xiàn)場(chǎng)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(jié)  論

針對(duì)大線徑的電瓶線，通過(guò)改變端子連接結(jié)構(gòu)，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(dǎo)致的疲勞斷裂，壓接完成后采用雙壁帶膠熱縮管進(jìn)行密封保護(hù)，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(guò)了相應(yīng)的可靠性驗(yàn)證，同等規(guī)格下，電瓶線導(dǎo)體（不含樁頭端子）成本降低30%，重量降低30%。