趙平堂

（1.鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院，河南 鶴壁 458030；2.天海集團(tuán)汽車電器工程研究院，河南 鶴壁 458030）

電動(dòng)化、輕量化、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。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)電器件的線束也越來(lái)越復(fù)雜，汽車線束也變得越粗越重。汽車線束質(zhì)量約占汽車質(zhì)量的1%～2%［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛高級(jí)汽車的線束使用量已達(dá)2 km，質(zhì)量在20～30 kg。汽車每行駛100 km，25kg的線束消耗能量約50 W，相當(dāng)于燃燒0.1kg的燃油。汽車線束及其附件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是更細(xì)、更輕、更薄。汽車電線的輕量化材料及關(guān)鍵技術(shù)具有重要的意義。

電線束由連接器、電線及附件組成。電線束中70%以上為電線，電線中最粗、最重的是銅蓄電池線。在商用基礎(chǔ)上，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，故鋁芯蓄電池線正在汽車線束上得到應(yīng)用。

1 鋁芯蓄電池線防止電偶腐蝕的方法

Cu標(biāo)準(zhǔn)電極電位為0.337 V，Al的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.662 V，二者相差較大，當(dāng)銅、鋁直接接觸時(shí)，在空氣中水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下產(chǎn)生電偶腐蝕，造成銅鋁連接處的接觸電阻增大而易發(fā)生安全事故。因此鋁線在蓄電池線中應(yīng)用時(shí)防止電偶腐蝕非常重要。

1.1 摩擦焊接

防止銅鋁電偶腐蝕的方法一般采用銅鋁端子（圖1）［2］，銅鋁端子壓接端為鋁，與鋁導(dǎo)線壓接，另一端為銅，與蓄電池接線柱連接。銅鋁摩擦焊接，其原理是機(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(méi)有空隙，沒(méi)有空氣介入的焊接面而不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。此原理看似簡(jiǎn)單，但正式生產(chǎn)并不容易，要有較高的生產(chǎn)工藝及設(shè)備才能生產(chǎn)。

銅鋁摩擦焊接首先銅材及鋁材的純度要求較高，銅材一般采用1號(hào)或2號(hào)銅，鋁材應(yīng)采用1號(hào)鋁?？赏ㄟ^(guò)改變摩擦焊接截面的結(jié)構(gòu)（圖2）來(lái)增加摩擦焊接的斷裂強(qiáng)度［3］，焊接的銅鋁材料反復(fù)彎曲，其斷裂處不在焊接面（圖3），為強(qiáng)度合格。焊接后要除去飛邊，銅端經(jīng)過(guò)鍛壓成型，鋁端通過(guò)精密車床加工而成。采用熱縮管對(duì)鋁質(zhì)壓接端與銅質(zhì)連接端結(jié)合部位進(jìn)行二次密封［2］，可進(jìn)一步防止銅鋁電偶腐蝕。

圖1 銅鋁端子

圖2 銅鋁端子焊接錐型截面圖

圖3 反復(fù)彎曲前后的摩擦焊接材料

1.2 超聲波焊接

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接也可防止銅鋁接觸的電偶腐蝕［4］。取鋁線頭部剝皮，使線材外露，鋁線頭放置于端子的焊接區(qū)，未剝皮段卡合于焊接端子的開(kāi)口處，啟動(dòng)超聲波焊接機(jī)，超聲波焊接機(jī)的焊頭將鋁線頭和端子壓緊，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋁線與端子的高頻摩擦，并靠本身摩擦產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)銅鋁的融合。

1.3 端子電鍍法

電偶腐蝕發(fā)生的條件之一就是銅鋁直接接觸，通過(guò)銅端子壓接端真空鍍鋁［5］，然后壓接鋁線，也可防止電偶腐蝕的發(fā)生；也可采用鋁端子的連接端鍍銅的方法防止電偶腐蝕的發(fā)生。電鍍法相對(duì)于摩擦焊接成本較低。銅端子壓接端真空鍍鋁：首先對(duì)銅端子要進(jìn)行化學(xué)拋光，然后對(duì)電器連接端纏繞耐溫阻止蒸鍍材料，再對(duì)電纜壓接端蒸發(fā)鍍鋁10μm。蒸發(fā)鍍鋁后電器連接端纏繞耐溫阻止蒸鍍材料。

2 壓接方法

對(duì)于鋁蓄電池線的壓接既要保證壓接后拉脫力符合USCAR21標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)壓接電阻也要達(dá)到USCAR21標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于鋁容易氧化，表面氧化膜較厚，常規(guī)壓接方式的壓接電阻不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，為此我們開(kāi)發(fā)了四方雙壓接、六方雙點(diǎn)壓接等用于鋁線的壓接方式，并獲得國(guó)家專利授權(quán)。

2.1 四方雙壓接

一種四方雙壓接的汽車鋁芯蓄電池線（圖4）［2］，包括鋁芯線和連接端子，連接端子包括銅質(zhì)連接端和鋁質(zhì)壓接端，鋁質(zhì)壓接端為設(shè)有腔室的筒狀體，筒狀體的筒壁上沿橫向設(shè)有4個(gè)第一壓接凹槽和4個(gè)第二壓接凹槽，所述的第一壓接凹槽和第二壓接凹槽均沿筒狀體的中心線均勻分布。第一壓接凹槽為4個(gè)，第二壓接凹槽為4個(gè)，采用四面壓接的壓接方式［2］，使與之相連的線束壓接性能更好，并保證壓接電阻符合USCAR21要求。

圖4 一種四方雙壓接的鋁芯蓄電池線

2.2 六方雙點(diǎn)壓接

六方雙點(diǎn)壓接的鋁蓄電池線（圖5）［6］，包括純銅端子、壓接端、鋁電纜、六方雙凹點(diǎn)壓接組成。六方雙點(diǎn)壓接是指六方壓接的每平面有雙凹點(diǎn)。凹點(diǎn)保證了拉脫力和壓接電阻符合USCAR21標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 六方雙點(diǎn)壓接的鋁蓄電池線

3 鋁線增強(qiáng)方法

汽車鋁芯蓄電池線，雖然質(zhì)量減輕，成本降低，但面臨純鋁導(dǎo)體的伸長(zhǎng)率低、抗蠕變性能差而易松弛、機(jī)械強(qiáng)度差而易折斷、容易過(guò)載發(fā)熱，存在安全隱患等問(wèn)題，影響其推廣應(yīng)用。為此我們開(kāi)發(fā)了汽車鋁合金蓄電池線，能夠在減輕質(zhì)量，降低成本的同時(shí)有效提高汽車蓄電池線的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能、抗蠕變性能，能夠保證電路在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)保持連續(xù)性能穩(wěn)定。

鋁合金蓄電池線中，鋁合金芯線中各元素為鋁、鐵、銅、鎂［5］。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。

4 降低壓接電阻

鋁易氧化，在鋁線及銅鋁端子鋁表面存在一層導(dǎo)電性不良的氧化膜。一般銅鋁端子的鋁端內(nèi)表面為光滑圓孔結(jié)構(gòu)，與鋁線壓接時(shí)往往出現(xiàn)壓接電阻偏高的現(xiàn)象。為解決此問(wèn)題，將銅鋁端子的鋁壓接孔設(shè)計(jì)為牙型螺紋結(jié)構(gòu)（圖6），螺距為2 mm，或與壓接孔平行內(nèi)齒型結(jié)構(gòu)（圖7）［3］。兩種壓接孔結(jié)構(gòu)在壓接時(shí)可以刺破鋁線表面的氧化膜，使壓接電阻降低10%以上。

圖6 牙型螺紋結(jié)構(gòu)銅鋁端子

圖7 內(nèi)齒結(jié)構(gòu)銅鋁端子

5 結(jié)論

通過(guò)摩擦焊接、超聲波焊接及表面處理法可以解決鋁蓄電池線中銅鋁結(jié)合的電偶腐蝕問(wèn)題。四方雙壓接、六方雙點(diǎn)壓接能夠保證鋁蓄電池線的壓接電阻和拉脫力符合USCAR21標(biāo)準(zhǔn)的要求。內(nèi)齒結(jié)構(gòu)銅鋁端子和螺紋結(jié)構(gòu)的銅鋁端子能在鋁線壓接時(shí)使壓接電阻進(jìn)一步降低。銅鐵鎂鋁合金代替純鋁可以改善鋁蓄電池線的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能、抗蠕變性能，能夠保證電路在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)保持連續(xù)性能穩(wěn)定。