导读：
铜导线一直以来是汽车电气系统中传输动力与信号电流的主要载体。随着各国法规对节能环保要求的不断提高, 以及行业内成本压力的持续上升, 寻找轻量化和低成本导体替代铜导线已成为行业的趋势。
而铝的导电率仅次于铜, 其比重仅为铜的30.13% , 且价格相对稳定, 仅为铜的30% 左右。因此它不失为铜导线的理想替代品而受到行业内的青睐。特别是应用在长度较长的大线径动力电缆上具有非常好的降低重量和降低成本的效果。目前已有不少主机厂在尝试将铝导线批量应用在整车线束上。考虑到铝材料的强度问题, 铝导线在应用时两端仍通过铜端子与其他电气设备相连接。而大线径铝导线与铜端子之间的连接目前主要有以下3种形式:
- 超声波焊连接
- 摩擦焊连接
- 等离子体锡焊连接。
1 铜端子与铝导线连接的技术难点
1.1 铝导体表面存在氧化膜
铝导体和氧之间具有很强的亲和力。即便在常温下, 与空气接触的瞬间其表面就会形成致密的三氧化二铝 (Al2O3 )。 这层氧化膜仅为 2nm 厚, 却紧密地与铝基材表面相结合。与铜导体相比, 虽然铝导体上的氧化膜阻止了氧向其内部扩散, 并在大气中起到了良好的抗腐蚀保护作用。但是其良好的绝缘效果, 阻止了电子从一个铝基材导体向另一个铝基材导体移动, 即电子只能在铝基材本体内移动。
正因为这一特点, 铝导线端部在去除绝缘护套后, 接触空气的铝导体表面形成了氧化膜。 如图1所示, 铝导体中的电子只能在单根铝丝中移动, 而无法在铝丝与铝丝之间移动。 如果在一束铝芯线中存在部分断丝现象, 那么这些断丝中的电子运动就被阻断, 相比于断丝前的铝导线, 其电阻值将会增加, 导电性能将会降低。
图 1 电子在铜导体和铝导体中的移动轨迹
与之相比, 铜基材导体表面在空气中不会迅速形成致密的氧化膜, 因而即便是出现断丝现象, 断丝中的电子仍可以借道其他铜丝向前运动。因此从定性的角度讲, 铜导线在出现一定比例的断丝时, 虽然导电性能有所下降, 但仍能满足使用的要求。
1.2 铜铝导体接触部位存在电化学腐蚀
图 2 为不同金属材料在海水中的电化学势排序, 可以看到铜金属和铝金属在海水中存在化学电位差。当这两种金属同时存在于一种电解液中时就会形成原电池, 进而产生电化学反 应。处于低电势的铝材质中的铝原子将会离开晶格并失去电子, 从而形成水合离子。长期处于这种环境中的铝导体将会被逐步蚕食殆尽, 这种现象被称作电化学腐蚀。
图 2 不同金属材料在海水中的电化学势排序
当空气中的湿度较大或含有盐化的杂质时, 就会形成理想的电解液环境, 铜端子与铝导线直接接触的部位就形成了以铝 为负极、 铜为正极的原电池。如图 3 所示, 如果连接部位处理不当, 将会产生严重的电化学腐蚀, 从而失去铜铝连接的电气性能和机械性能。
图 3 铝导线在端子压接部位的电化学腐蚀案例
1.3 铝导线电气性能与机械强度弱于铜导线
在相同线径条件下的铝导线导电率要弱于铜导线, 因此必须使用比铜导线线径更大的铝导线, 以降低其阻值达到与铜导线等效的电气性能。
此外, 铝导体的抗拉强度、硬度等机械性能都要弱于铜导体, 因此不适合加工成铝端子与车上的其他部件连接, 只能考虑采用铜端子与铝导线连接, 但是连接部位容易出现机械损伤或疲劳损伤, 因此在应用时必须采取相应的保护措施。
2 铝导线与铜端子焊接的评判依据
2. 1 确保焊接部位良好的电气性能
2.1.1确保选择的铝导线规格与铜导线等效
目前行业内普遍使用的铜导线标准为 ISO6722 - 1 [1] , 铝导线标准为 ISO 6722 - 2 [2] 。铝导线等效替代必须考虑与被替代的铜导线有相类似的导电率、载流能力、降额曲线等特性, 由此做到替换导体材质而保持原有的电路保护策略。
表 1 列举了可考虑等效替代的铝导线和铜导线规格的对照表。该表可作为铜 - 铝导线等效替代的参考, 在具体应用时需要进一步验证确认。
