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(gè)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(duì)于具有替代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛（混合動(dòng)力或電動(dòng)車輛）同樣重要，因?yàn)樗梢栽陔妱?dòng)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(jī)金屬。這意味著鋁的價(jià)格保持相對(duì)穩(wěn)定，明顯低于銅的價(jià)格。

對(duì)于電力工程領(lǐng)域的應(yīng)用，TE Connectivity 開(kāi)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(kāi)發(fā)了解決方案。自 2009 年以來(lái)，從使用這些產(chǎn)品中獲得的基本經(jīng)驗(yàn)有助于 LITEALUM 的開(kāi)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(shì)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(jī)械載荷下從 80°C 左右表現(xiàn)出增加的蠕變趨勢(shì)，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(diǎn)處專門設(shè)計(jì)從鋁到銅的連接，以確保在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)不會(huì)損失電氣特性。

在直接接觸點(diǎn)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(jī)械強(qiáng)度只有銅的三分之一。在為導(dǎo)體應(yīng)用確定材料尺寸時(shí)，必須考慮這些特性，以便在電線本身和連接的拉出強(qiáng)度方面達(dá)到所需的機(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)車輛制造商的不同，典型的指定拉拔強(qiáng)度在 60 到 90 N 之間。

接觸方面的另一個(gè)挑戰(zhàn)是鋁形成致密且極其堅(jiān)硬的氧化層。雖然這種氧化層可以保護(hù)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(guò)程中可靠地破壞氧化層。

LITEALUM中鋁壓接的功能特性

新開(kāi)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(jì)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(yǔ)“鯊魚(yú)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(huì)破壞氧化層，暴露下面的純鋁，從而允許通過(guò)局部冷焊建立電接觸。

在壓接過(guò)程中，有針對(duì)性地利用了鋁的固有延展性。低屈服點(diǎn)導(dǎo)致導(dǎo)體材料在鋁線的壓接過(guò)程中比銅套管承受更大的機(jī)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(gè)方向上軸向位移并進(jìn)入它們（圖 4）。

當(dāng)壓接模具完全閉合時(shí)，由于導(dǎo)體在負(fù)載沖擊下沿縱向伸長(zhǎng)，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(shí)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(yàn)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(jī)械上講，Al 和 Cu 之間的壓接連接實(shí)際上比 Al 和 Al 之間更強(qiáng)。從 1.5 mm2 的電線橫截面開(kāi)始，新的壓接連接已經(jīng)表現(xiàn)出 80 N 的拉拔強(qiáng)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(gè)點(diǎn)（圖 6），幾乎不存在會(huì)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(gè)橫截面之間的機(jī)械模擬表明，壓接后鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體之間幾乎沒(méi)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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不適用于鋁壓接，但同時(shí)套管不會(huì)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(duì)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(zhǎng)向套筒后端不斷減小，從而防止形成邊緣和預(yù)定斷裂點(diǎn)。

為防止電化學(xué)腐蝕，壓接筒后端的絕緣層包含在壓接過(guò)程中，（圖 8）。在壓接筒的前端，通過(guò)滾入額外的材料（密封條）以及密封劑的點(diǎn)沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕保護(hù)。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(jì)為全自動(dòng)過(guò)程，包括壓接模具。目前正在開(kāi)發(fā)系列工具，以作為汽車制造商應(yīng)用壓接的并行過(guò)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(gè)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(duì)實(shí)際減重潛力的模型計(jì)算進(jìn)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(xì)信號(hào)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(shí)現(xiàn)了約 7 公斤的純計(jì)算重量節(jié)省。然而，在過(guò)去十年中，德國(guó)的固體電池端子已經(jīng)由鋁制成，因此在這個(gè)特定案例研究中，每個(gè)線束的實(shí)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(gè)有用的經(jīng)驗(yàn)法則是在用 Cu 替換 Al 時(shí)，采用導(dǎo)體橫截面的下一個(gè)中間尺寸。然而，如今在為用于車輛的線纜確定尺寸時(shí)，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(jì)電纜和連接以考慮實(shí)際負(fù)載情況（稱為任務(wù)配置文件）時(shí)，不是只考慮最壞的情況，替代導(dǎo)體材料時(shí)產(chǎn)生的橫截面增加可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，或者在某些情況下完全避免。

用于全自動(dòng)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(guò)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(hù)，使連接也適用于車輛乘客艙內(nèi)的未密封連接器。經(jīng)過(guò) 500 次濕熱溫度循環(huán) (-40°C/130°C) 的溫度沖擊測(cè)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