一探古河電工的鋁線束的秘密

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研究背景

近年來，隨著環(huán)境意識(shí)的提升，汽車行業(yè)對(duì)降低車輛部件重量的需求愈發(fā)迫切。同時(shí)，資源枯竭問題及銅價(jià)的劇烈波動(dòng)引起了業(yè)界持續(xù)關(guān)注，考慮到銅是現(xiàn)行線束的主要導(dǎo)電材料，尋找其替代品成為了線束制造業(yè)的一大挑戰(zhàn)。基于鋁材質(zhì)的輕質(zhì)特性、經(jīng)濟(jì)成本及其豐富的儲(chǔ)備量，我們專注于鋁合金導(dǎo)線的研發(fā)，并致力于相關(guān)配套技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鋁導(dǎo)線在線束中的應(yīng)用。目前，古河電工已完成面向汽車應(yīng)用的鋁導(dǎo)線線束安裝技術(shù)的開發(fā)，并計(jì)劃自2012年起在量產(chǎn)車型中實(shí)施。此舉使得量產(chǎn)車型的后門線束重量相較于傳統(tǒng)銅導(dǎo)線減少了約15%。

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線束結(jié)構(gòu)

線束是由電線、端子、連接器及保護(hù)器等多種組件組成的產(chǎn)品。根據(jù)圖1所示，通常情況下，電線占據(jù)了整體重量的60%至70%。本研究中開發(fā)的鋁線束，通過用鋁導(dǎo)線替代傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線，有效降低了線束的整體重量。

圖1：線束各組件部分的重量比例

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特別屬性

采納鋁導(dǎo)線需同時(shí)關(guān)注其自身與相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展。本文將闡述三大關(guān)鍵技術(shù)特性：“導(dǎo)線導(dǎo)體所用合金材料”、“鋁導(dǎo)線連接技術(shù)”及“端子部分的電化學(xué)腐蝕對(duì)策”。

導(dǎo)線導(dǎo)體所用合金材料

我們研發(fā)了一種1000系鋁合金，通過向純鋁中微量添加鐵、銅和鎂元素。該合金名為MS2AL，是古河電氣獨(dú)有的合金配方，它均衡地滿足了線束所需的五項(xiàng)關(guān)鍵性能：導(dǎo)電率、焊接性、機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性及彎曲能力。

鋁導(dǎo)線連接技術(shù)

為確保鋁導(dǎo)線電連接的穩(wěn)定性能，我們?yōu)闄M截面積≤2.5平方毫米的小尺寸鋁導(dǎo)線開發(fā)了專用端子?？紤]到鋁導(dǎo)線表面的堅(jiān)固氧化膜，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)電氣連接需關(guān)注以下要點(diǎn)：壓接端子時(shí)在線筒上形成的壓痕、強(qiáng)壓縮引起的導(dǎo)線伸長以及導(dǎo)線嵌入端子連接部形成的鋸齒狀槽內(nèi)。

該鋁導(dǎo)線端子的設(shè)計(jì)有效去除了氧化膜，根據(jù)導(dǎo)線直徑優(yōu)化了線筒展開長度，并將端子形狀設(shè)計(jì)為約60%的導(dǎo)線壓縮比，同時(shí)通過改變鋸齒形狀增加了邊緣部分。

此鋁導(dǎo)線端子實(shí)現(xiàn)了電氣性能與機(jī)械強(qiáng)度的兼容，如圖2所示，并保證了傳統(tǒng)端子無法比擬的卓越連接性能。

對(duì)比專用純鋁線的終端與傳統(tǒng)終端在電阻和強(qiáng)度性能方面的差異：要求的電阻值需低于1.0mΩ，強(qiáng)度需超過7ON

圖2：探討鋁線終端的連接性能

在處理大尺寸且多股電纜時(shí)，由于鋁線上存在的氧化膜，導(dǎo)致了電氣連接的不穩(wěn)定性問題。鑒于此，我們采取了對(duì)直徑超過2.5平方毫米的線材進(jìn)行預(yù)處理的措施，利用超聲波焊接技術(shù)（圖3所示）實(shí)現(xiàn)線材端部的連接。經(jīng)過這種焊接并隨后的壓接處理，即便是較大尺寸的線材也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的電氣連接。

圖3：采用超聲波技術(shù)焊接的鋁線以及相應(yīng)的壓接工藝

端子的電化學(xué)腐蝕對(duì)策

線束端子通常采用黃銅或銅合金材質(zhì)，這可能引發(fā)鋁線與終端連接區(qū)在不同外部環(huán)境下發(fā)生電化學(xué)腐蝕的問題。

在汽車環(huán)境中，為防止電化學(xué)腐蝕，應(yīng)用于易受腐蝕部件的鋁線需在終端部分進(jìn)行特殊防腐蝕處理。為此，我們開發(fā)了一種環(huán)境隔絕技術(shù)，利用樹脂材料從外部隔離鋁導(dǎo)體與銅制終端的接觸界面。

依據(jù)汽車制造商客戶的規(guī)格要求，我們綜合應(yīng)用了兩種防腐蝕處理技術(shù)。圖4展示了這兩種技術(shù)：模塑法和滴落法。

滴落法成型法

圖4：展示了防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用方法

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隊(duì)列排序與減重的效應(yīng)研究

目前，我們團(tuán)隊(duì)已成功制備了一系列尺寸不小于0.75平方毫米的鋁線產(chǎn)品，其詳細(xì)規(guī)格見表1。這些產(chǎn)品的導(dǎo)體性能符合ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，且采用了無鹵素材料作為絕緣層。在不超過80℃的溫度條件下，這些鋁線可正常使用。鑒于銅與鋁在電導(dǎo)性方面的差異，替換銅線時(shí)通常選用尺寸略大的鋁線。據(jù)此，本研究旨在用鋁線替換直徑不小于0.5平方毫米的銅線。通過這種替換，預(yù)計(jì)線材重量將減少30-40%，具體減幅取決于線材的規(guī)格。此外，在整個(gè)線束系統(tǒng)中，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)10-20%的重量減輕，具體效果取決于應(yīng)用場(chǎng)景及替換范圍。

表1 鋁導(dǎo)線被銅導(dǎo)線替代的情況

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未來發(fā)展計(jì)劃

古河電工已成功完成了將鋁線束商業(yè)化所必需的技術(shù)開發(fā)工作。在未來的發(fā)展中，提升鋁線使用比例將是一個(gè)核心議題。為了有效提升鋁線的使用率，關(guān)鍵在于“降低防腐處理的成本”及“拓展線材的種類”（見圖5）。由于銅線無需進(jìn)行防腐處理，引入鋁線將導(dǎo)致成本的直接增加。因此，最小化這一額外成本是推動(dòng)鋁線替代的關(guān)鍵所在。目前，我們的產(chǎn)品線僅包含能在80℃環(huán)境下保持性能的常規(guī)線材，這限制了其在需要耐高溫和抗彎折性能部件中的應(yīng)用。通過引入如耐高溫線材等新型線材，預(yù)期可以顯著提高鋁線的應(yīng)用率。

圖5 對(duì)鋁線采納比例的預(yù)測(cè)分析

我們正致力于進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，并將重點(diǎn)放在之前提及的兩個(gè)核心發(fā)展議題上，以期通過最大程度地利用鋁質(zhì)導(dǎo)線來達(dá)到顯著的輕量化效果。