鑒于其良好的導(dǎo)電性，鋁 (Al) 是用于電纜的理想材料。用鋁導(dǎo)體代替銅 (Cu) 導(dǎo)體代支持了汽車工程領(lǐng)域出現(xiàn)的兩個集中關(guān)注的要求。

首先，作為一種重量比銅輕約三分之二的輕質(zhì)材料，鋁可用于減輕電纜線束的總重量。即使考慮到電導(dǎo)率和密度的關(guān)系，具有相同電阻的鋁導(dǎo)體仍然比其等效的銅輕 50% 左右。這種重量減輕的主要作用是減少燃料消耗，從而減少二氧化碳（CO2）排放。輕量化結(jié)構(gòu)對于具有替代驅(qū)動系統(tǒng)的車輛（混合動力或電動車輛）同樣重要，因為它可以在電動駕駛模式下可以大大增加車輛的續(xù)航里程，從而有助于限制所需牽引電池的尺寸和重量。

其次，鋁是一種供應(yīng)充足的建筑材料，與銅的有限可用資源不同，鋁不是投機金屬。這意味著鋁的價格保持相對穩(wěn)定，明顯低于銅的價格。

對于電力工程領(lǐng)域的應(yīng)用，TE Connectivity 開發(fā)的用于接觸鋁導(dǎo)體的 COPALUM 壓接連接器（圖 2）已被證明非常成功。在 AMPLIVAR 壓接及其產(chǎn)品系列中，TE Connectivity 還為鋁導(dǎo)線（絞合導(dǎo)體）開發(fā)了解決方案。自 2009 年以來，從使用這些產(chǎn)品中獲得的基本經(jīng)驗有助于 LITEALUM 的開發(fā)，以便于汽車應(yīng)用中使用的所有橫截面鋁絞合導(dǎo)體的工藝可靠、耐用壓接。

端子壓接的挑戰(zhàn)

除了其優(yōu)勢外，鋁還具有許多可能阻礙其用作導(dǎo)體材料的特性：輕合金在機械載荷下從 80°C 左右表現(xiàn)出增加的蠕變趨勢，而在 Cu 中，這種現(xiàn)象僅在高于 230°C 的溫度下發(fā)生。因此，必須在電線束的接觸點處專門設(shè)計從鋁到銅的連接，以確保在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)不會損失電氣特性。

在直接接觸點存在水分的情況下，Cu (0.3V) 和 Al (-1.69V) 之間存在的電位差導(dǎo)致 Al 溶解，Al 是兩種金屬中的活潑金屬。必須采取措施以防止這種不良影響。

鋁是一種韌性金屬，具有明顯的彎曲敏感性。鋁的機械強度只有銅的三分之一。在為導(dǎo)體應(yīng)用確定材料尺寸時，必須考慮這些特性，以便在電線本身和連接的拉出強度方面達到所需的機械強度。根據(jù)車輛制造商的不同，典型的指定拉拔強度在 60 到 90 N 之間。

接觸方面的另一個挑戰(zhàn)是鋁形成致密且極其堅硬的氧化層。雖然這種氧化層可以保護材料免受逐漸腐蝕，但它也具有最著名的絕緣體之一的特性。因此，良好的電連接需要在壓接過程中可靠地破壞氧化層。

LITEALUM中鋁壓接的功能特性

新開發(fā)的用于接觸鋁導(dǎo)體的解決方案是 LITEALUM 壓接筒。F型壓接筒的設(shè)計和表面特性，尤其是壓接區(qū)，是根據(jù)鋁導(dǎo)體的材料要求精確定制的。

LITEALUM 壓接筒的內(nèi)部具有鋒利的鋸齒，使表面具有“搓衣板”的外觀（圖 3）。術(shù)語“鯊魚鰭鋸齒”充分描述了脊?fàn)钸吘壍妮喞?。在壓接操作期間，鋸齒會破壞氧化層，暴露下面的純鋁，從而允許通過局部冷焊建立電接觸。

在壓接過程中，有針對性地利用了鋁的固有延展性。低屈服點導(dǎo)致導(dǎo)體材料在鋁線的壓接過程中比銅套管承受更大的機械變形。由這種變形引起的體積流沿著微鋸齒的尖銳脊在兩個方向上軸向位移并進入它們（圖 4）。

當(dāng)壓接模具完全閉合時，由于導(dǎo)體在負載沖擊下沿縱向伸長，在壓接套管和導(dǎo)體之間形成局部冷焊區(qū)（圖5）。Cu 和 Al 能夠很好地合金化的事實在這里被利用從而相互接觸。

晶格的表面顯示了所涉及的導(dǎo)體材料的相互滲透。驗證的冷焊面占 5% 以上，存在與全表面焊接相似的接觸電阻水平。由于這種冶金結(jié)合的連接，電氣耐久性非常高。從機械上講，Al 和 Cu 之間的壓接連接實際上比 Al 和 Al 之間更強。從 1.5 mm2 的電線橫截面開始，新的壓接連接已經(jīng)表現(xiàn)出 80 N 的拉拔強度。

由于壓接中剩余的殘余表面壓力約為 180 N/mm2，僅在少數(shù)幾個點（圖 6），幾乎不存在會導(dǎo)致鋁從壓接筒向外蠕變的情況。

因此，造成良好電接觸的不是壓接中的殘余應(yīng)力程度，而是部分冷焊。兩個橫截面之間的機械模擬表明，壓接后鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體之間幾乎沒有區(qū)別。

為了為盡可能多的股絲創(chuàng)造最大可能的銅接觸面，新的鋁導(dǎo)體壓接筒盡可能卷入。雖然銅壓接的評估標準不適用于鋁壓接，但同時套管不會靠在端子底部上（圖 7.）。

LITEALUM 壓接的幾何形狀在后端具有梯度，以防止對鋁導(dǎo)體產(chǎn)生任何相關(guān)的缺口效應(yīng)。導(dǎo)體的變形和伸長向套筒后端不斷減小，從而防止形成邊緣和預(yù)定斷裂點。

為防止電化學(xué)腐蝕，壓接筒后端的絕緣層包含在壓接過程中，（圖 8）。在壓接筒的前端，通過滾入額外的材料（密封條）以及密封劑的點沉積來實現(xiàn)腐蝕保護。完成的壓接是防腐蝕的。為此所需的所有元件都集成在壓接筒中。

鑒于汽車行業(yè)涉及的高件數(shù)要求，鋁導(dǎo)體壓接系統(tǒng)被設(shè)計為全自動過程，包括壓接模具。目前正在開發(fā)系列工具，以作為汽車制造商應(yīng)用壓接的并行過程。

顯著的重量節(jié)省

由于線束已經(jīng)是車輛中使用的最復(fù)雜和最重的部件之一，因此任何減輕重量的可能性都是一個有吸引力的提議。在一輛線束重量不到 30 公斤的普通中型汽車中，對實際減重潛力的模型計算進行了分析。

為了用鋁線代替銅導(dǎo)體，只分析了較大的橫截面 (>0.75 mm2)，不包括細信號導(dǎo)體。具有次高橫截面的鋁導(dǎo)體取代了受影響的銅導(dǎo)體。在這些條件下，最初實現(xiàn)了約 7 公斤的純計算重量節(jié)省。然而，在過去十年中，德國的固體電池端子已經(jīng)由鋁制成，因此在這個特定案例研究中，每個線束的實際節(jié)省潛力是 2-3 公斤。

關(guān)于導(dǎo)體尺寸

雖然鋁是電的良導(dǎo)體，但它的導(dǎo)電率只有銅的 65% 左右，因此銅導(dǎo)體的替代通常需要使用更大的橫截面。這里的一個有用的經(jīng)驗法則是在用 Cu 替換 Al 時，采用導(dǎo)體橫截面的下一個中間尺寸。然而，如今在為用于車輛的線纜確定尺寸時，采用了廣泛的安全公差是眾所周知的。這提供了減輕重量的潛力，但尚未被利用。在設(shè)計電纜和連接以考慮實際負載情況（稱為任務(wù)配置文件）時，不是只考慮最壞的情況，替代導(dǎo)體材料時產(chǎn)生的橫截面增加可能是一個優(yōu)勢，或者在某些情況下完全避免。

用于全自動壓接鋁導(dǎo)線的新型 LITEALUM 壓接已投入使用。壓接內(nèi)部持久的電氣連接是由于壓接過程中的高度壓縮以及由此產(chǎn)生的局部冷焊。相反，壓接內(nèi)部的剩余殘余應(yīng)力保持足夠低，從而防止導(dǎo)體蠕變。壓接筒中集成了有效的防腐蝕保護，使連接也適用于車輛乘客艙內(nèi)的未密封連接器。經(jīng)過 500 次濕熱溫度循環(huán) (-40°C/130°C) 的溫度沖擊測試后，鋁壓接連接已被證明是穩(wěn)定的（圖 9）。

然而，由于冷焊傾向取決于所用鋁線的質(zhì)量，因此鋁線的表面規(guī)格將尤為重要。

審核編輯：郭婷