铜端子与铝导线连接的3个技术难点

2021年1月20日
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随着线束轻量化的要求不断提高,目前行业内已经实现大线径的铝导线替代铜导线的技术方案,本文主要探讨铜端子与铝导线连接的3个技术难点。

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。

铜端子与铝导线连接的3个技术难点图 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。

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。

铜端子与铝导线连接的3个技术难点

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。

铜端子与铝导线连接的3个技术难点

图 3 铝导线在端子压接部位的电化学腐蚀案例

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。

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