線束世界帶您揭秘住友電工鋁線的秘密

隨著減少汽車二氧化碳排放的需求不斷增加，對(duì)輕質(zhì)線束的需求一直很高。通過用鋁線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅電線，可以有效地減輕重量。然而，鋁線具有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如導(dǎo)電性低、抗拉強(qiáng)度低、可加工性差，以及表面上的強(qiáng)絕緣氧化膜和電偶腐蝕。為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種具有改進(jìn)的導(dǎo)電性、抗拉強(qiáng)度和可加工性的鋁合金導(dǎo)體。我們還開發(fā)了一種獨(dú)特的鋸齒狀端子結(jié)構(gòu)。

01

介紹

在汽車工業(yè)中，隨著二氧化碳排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對(duì)輕量化的需求也在增加，此外，部分原因是銅價(jià)飆升價(jià)格，我們開始研究鋁制線束，將線束中的電導(dǎo)體從銅中更換成鋁以減輕重量和價(jià)格。鋁線主要用于架空電力線和汽車電池電纜，其中導(dǎo)體的截面導(dǎo)體面積大，可承受大電流。同時(shí)，線束的導(dǎo)體截面積通常不超過2.5 mm2。我們開發(fā)了用于汽車應(yīng)用的此類鋁制線束。圖1顯示了導(dǎo)線、端子和鋁線束防腐。本文報(bào)告了在其開發(fā)過程中使用的技術(shù)。

圖1 鋁線、端子及防腐技術(shù)的發(fā)展

02

汽車鋁線

用于制造汽車鋁線的鋁合金需要表現(xiàn)出高抗拉強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。該開發(fā)項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度為110MPa、電導(dǎo)率為58% IACS的材料性能目標(biāo)。這些值是為了使0.75mm2的鋁線代替?zhèn)鹘y(tǒng)上廣泛用于低壓電源電纜的0.5mm2銅線。因此，住友電氣的電子與材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和住友電工集團(tuán)旗下的AutoNetworks Technologies，Ltd.共同致力于開發(fā)用于汽車電線的鋁合金。

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合金設(shè)計(jì)

一般工業(yè)用途的純鋁（1060: 純度99.6%）具有62% IACS的高電導(dǎo)性。然而退火后，它表現(xiàn)出70MPa的低抗拉強(qiáng)度。對(duì)于汽車線材應(yīng)用，有必要通過合金化來提高其抗拉強(qiáng)度。固溶體強(qiáng)化可有效提高金屬抗拉強(qiáng)度。但是，這種方法會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率明顯下降。同時(shí)，更大的失配應(yīng)變（MS）也有望提高金屬的抗拉強(qiáng)度。對(duì)于汽車線材應(yīng)用，有必要抑制電導(dǎo)率的降低并提高抗拉強(qiáng)度。因此，如果一種元素在低固溶體量下提供大的MS，則它被認(rèn)為是有效的合金元素。用第一次原理測(cè)定了各種鋁合金元素室溫固溶體的MS值和最大含量。

通過第一性原理計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后，選擇Fe作為合金元素(表1)。進(jìn)一步研究二者之間的關(guān)系揭示了鐵的合金化和鋁鐵合金的材料性能性能目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的，如果合金化鐵的質(zhì)量百分比為1.5%或更高(圖2)。

表1 MS和與各種元素合金化的鋁的最大固溶體量

圖2 鐵添加量對(duì)材料性能的影響

通過傳統(tǒng)的坯料鑄造和擠壓制造的線材結(jié)晶出粗鋁鐵化合物。它們的延展性和可加工性較差。相反，住友電工集團(tuán)旗下住友電工富山株式會(huì)社生產(chǎn)的線材具有優(yōu)異的加工性。這些線材是通過Properzi方法生產(chǎn)的，在鑄造和軋制過程中使用高冷卻率，無需再加熱。該過程將化合物控制在精細(xì)狀態(tài)下，并保持合金的高延展性。盡管如此，汽車電線的股徑對(duì)于鋁線來說非常小，在0.15到0.5毫米之間。當(dāng)Fe的質(zhì)量百分比超過1.2%時(shí)，線材的可加工性降低，由于機(jī)加工限制，線材在拉伸和絞合過程中斷裂，如照片1所示。為了解決這個(gè)問題，我們尋找了第二種合金元素，它可以部分取代Fe。

照片1斷鋁絞線

在不影響可加工性的情況下提供更高的抗拉強(qiáng)度。

由于Al-Fe合金以相對(duì)較大的余量滿足了電導(dǎo)率目標(biāo)，因此允許在一定程度上降低合金的電導(dǎo)率。為了用作第二種合金元素，我們選擇了一種MS含量低（這對(duì)加工性產(chǎn)生不利影響）的元素，盡管導(dǎo)電性有所下降，但固溶液的含量卻很高。

表1中所示元素的比較表明，Mg是最合適的。下一步是找到元素添加的最佳量。

結(jié)果得到以下成分（質(zhì)量%）：Al-1.05%Fe–0.15%Mg。該成分提高了可加工性和性能，并實(shí)現(xiàn)了120MPa的拉伸強(qiáng)度和60%的IACS電導(dǎo)率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目標(biāo)（圖3）。

圖3 新開發(fā)合金的成分和性能2.2鋁線系列

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鋁線系列

表2顯示了當(dāng)前可制造的鋁線的排列以及用鋁線代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅線的效果。傳統(tǒng)的銅線可以合理地用比銅大一個(gè)尺寸的鋁線代替。

表2 鋁線系列

03

鋁線端子

如圖4所示，汽車線束中的大多數(shù)連接部分都使用將帶有壓接導(dǎo)線的端子插入連接器的結(jié)構(gòu)。為了廣泛的應(yīng)用鋁制線束，住友電工開發(fā)了一種特殊的端子，可以通過壓接與鋁線連接。

圖4 連接器和壓接電線

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開發(fā)挑戰(zhàn)

壓接是一種連接方法，將絕緣層剝離的電線壓接在端子上被稱為“線筒”的U形截面中，以確保電線的電氣連接和保持力，如圖5所示。

圖5 壓接連接

圖6顯示了使用傳統(tǒng)銅端子的銅線和鋁線的壓接特性。壓接條件繪制在X軸上，向左更強(qiáng)地卷曲（高壓縮）。更高的壓縮通常導(dǎo)致更穩(wěn)定的電連接。然而，線材保持力在過高的壓縮范圍內(nèi)減小。因此，線束制造中的壓接條件設(shè)定在兩種性能都滿足規(guī)范的范圍內(nèi)。鋁與銅的不同之處在于它覆蓋著一層堅(jiān)固的絕緣氧化膜。它的接觸電阻保持不穩(wěn)定，除非它比銅壓接得更牢固。強(qiáng)壓接會(huì)降低導(dǎo)線的保持力。因此，要確保鋁線壓接條件比銅線壓接條件更緊密。為了通過壓接可靠地連接鋁線，需要在低壓縮范圍內(nèi)穩(wěn)定鋁線的接觸電阻，或者在高壓縮范圍內(nèi)提高鋁線保持力。

圖6 壓接強(qiáng)度、接觸電阻和導(dǎo)線保持力

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壓接性能改進(jìn)

（1）提高電氣連接性能

為了提高壓接鋁線的電氣連接性能，我們從因果圖中選擇了一些因素，并重點(diǎn)關(guān)注端子上的鋸齒，鋸齒是指在端子的線筒中形成的凹凸。銅線的端子通常具有三個(gè)凹槽。圖7顯示了沒有鋸齒的端子的壓接特性。使用這種的端子，無論壓接條件如何，接觸電阻都保持不穩(wěn)定。這證明了鋸齒的有效性。

圖7 鋸齒對(duì)電連接性能的影響

從壓接端子上取下鋁線進(jìn)行表面觀察，以檢查端子接線情況。如圖8所示，在與鋸齒邊緣相對(duì)應(yīng)的位置觀察到端子鍍層材料錫的粘附。

圖8 壓接導(dǎo)線表面觀察

此外，我們使用CAE分析了壓接過程中施加到電線上的載荷。如圖9所示，靠近鋸齒的區(qū)域的載荷特別高。根據(jù)這一觀察結(jié)果，鋸齒被認(rèn)為有利于在靠近鋸齒的位置發(fā)生氧化膜破裂。

圖9 利用CAE進(jìn)行壓接模擬

根據(jù)上述觀察結(jié)果，推測(cè)鋁線壓接的機(jī)理為:在壓接過程中，由于端子上的靜電使鋁線發(fā)生較大變形，導(dǎo)致鋁線上的絕緣氧化膜斷裂;并且由于在鋸齒邊緣額外施加載荷，電線和端子的新暴露表面被連接(錫附著在鋁線上)，從而確保電氣連接。因此，我們?cè)诙俗娱_發(fā)指南中規(guī)定要增加鋸齒邊(端子與電線的接合部分)的體積。

（2）提高導(dǎo)線保持力

為了通過壓接實(shí)現(xiàn)鋁線連接，在高壓縮范圍內(nèi)提高電線保持力也是有效的，如圖6所示的壓接特性之一。

因果圖分析結(jié)果表明，與電氣連接一樣，可以通過重新設(shè)計(jì)鋸齒來提高導(dǎo)線的保持力。在更寬范圍內(nèi)的精細(xì)凹凸被證明是有效的。

3-3

鋁線壓接端子

圖10顯示了新開發(fā)的鋁線壓接端子。該端子只需通過修改鋸齒形即可確保連接性能。設(shè)計(jì)要求是：（1）足夠多的鋸齒邊緣以提高電連接性能

（2）在更寬的范圍內(nèi)放置精細(xì)的粗糙度以提高電線保持力。

考慮到制造和性能裕度，對(duì)形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

圖10 鋁線壓接端子

圖11顯示了新開發(fā)的端子的壓接特性。電連接和電線保持力都得到了改善，并且確保了與傳統(tǒng)銅線相當(dāng)?shù)膲航訔l件。在基于惡劣車輛環(huán)境的各種耐久性評(píng)估中，也證實(shí)了與銅線等效的連接可靠性。

圖11 鋁線端子的壓接性能

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總結(jié)

為研制鋁制線束，研制了一種專用端子。這種端子可以通過壓接連接鋁線，這是一種用于制造線束的通用技術(shù)。該端子可用于與傳統(tǒng)銅線線束相同的線束制造工藝。

此外，該端子可與銅線配合使用，有望提高銅線連接的可靠性。由于車輛功能的復(fù)雜化和電子元件的使用增加，連接器和壓接線被設(shè)想放置在惡劣的環(huán)境中。新開發(fā)的技術(shù)是一種有效的可靠性改進(jìn)技術(shù)，適用于上述環(huán)境。

04

防腐技術(shù)

4-1

鋁的雙金屬腐蝕

當(dāng)電解溶液（如鹽水），接觸銅(高天然電極所在的部分電位)和鋁(低自然電極電位)時(shí)，形成一個(gè)局部電池，銅作為陰極，鋁作為陽極，引起雙金屬腐蝕(電偶腐蝕)，導(dǎo)致大量的鋁洗脫(圖12)。

圖12 銅和鋁的雙金屬腐蝕

4-2

鋁的防腐技術(shù)

我們檢查了電解液接觸鋁線端子壓接部分時(shí)的腐蝕進(jìn)展。圖13顯示了將 5% 鹽水施加到鋁導(dǎo)體上并將該導(dǎo)體在炎熱潮濕條件下放置一段時(shí)間時(shí)的狀態(tài)。鋁被完全洗脫，這表明接觸即使是少量的電解液也會(huì)造成深度腐蝕。因此，我們假設(shè)通過防止電解液進(jìn)入與壓接部分的接觸，即通過防止進(jìn)入卷曲部分的水分，來實(shí)現(xiàn)防腐。

圖13 鋁線壓接部分腐蝕

濕氣可以通過所示的路徑到達(dá)褶邊見圖14。路徑1是暴露在鋼絲桶前端的鋁導(dǎo)體。路徑2是暴露在鋼絲桶之間的鋁導(dǎo)體。這些路徑包括沒有被端子覆蓋的鋁導(dǎo)體部分。此外，濕氣可以通過間隙進(jìn)入在導(dǎo)線和端子之間，即路徑3。

圖14 濕氣到達(dá)鋁線壓接處的路徑

因此，我們認(rèn)為有必要嚴(yán)格保護(hù)端子的后端以及鋁導(dǎo)體的暴露部分?？紤]到上述因素，我們決定用樹脂完全覆蓋壓接部分和端子后端，作為一種防腐技術(shù)。從與端子的附著力、填充性能和耐熱性等方面對(duì)樹脂材料進(jìn)行了優(yōu)化。通過耐久性和嚴(yán)格的測(cè)試對(duì)樹脂進(jìn)行了評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的車載安裝。最后，設(shè)計(jì)了圖15所示的模具結(jié)構(gòu)，以建立鋁的防腐技術(shù)。

圖15 鋁線壓接段模具結(jié)構(gòu)

05

結(jié)論

開發(fā)了鋁線、端子及防腐蝕技術(shù)，以便在車輛中使用鋁線束。預(yù)計(jì)銅價(jià)將上漲或保持高位。如果線束中使用的所有銅線都更換為鋁線，則線束將約輕25%。由于這些因素，針對(duì)對(duì)鋁制線束的需求將增加。