铜铝因具备良好的导电性，被广泛应用于电动汽车行业高压线束铜铝连接，但两者铜铝连接容易引起温度升高、且容易电化学腐蚀，对此现象，该怎么解决，不妨进来详细看看。以下文章来源：电气与自动化作者：胡国民、付志斌。原标题：电动汽车高压线束铜铝连接，耐腐蚀是关键！
电缆是电动汽车高压连接器线束中成本占比较大的零部件通常使用的导体材料主要是铜及铜合金。铜具有较好的电气性能和力学性能是电传导的理想材料。随着电动汽车充电电流向400A或者更高的方向发展如果继续使用铜作为电缆导体需使用95mm2或更大规格的电缆这将增加线束和整车的质量不利于降低能耗、提高续航里程的发展策略。因此为了能够提高车辆的续航里程降低能耗高压线束需做轻量化设计。铝及铝合金导体具有良好的导电性和低密度的特点是汽车线束轻量化的良导体之一。但铝导体由于自身物理属性的原因在导电率、力学性能以及蠕变性能上与铜导体存在一定的差距尤其是铜铝连接由于热膨胀系数相差较大在充放电过程中的冷热冲击容易在连接界面处形成间隙或孔洞导致电阻增加温升升高。另外由于铜铝存在电位差容易形成电化学腐蚀。因此要想铜铝连接能够较稳定、安全地应用在力学性能和电化学腐蚀方面要有好的解决方案。
铜铝连接存在的问题
传统的高压线束主要是铜电缆组成铜电缆导体两端连接的是铜端子或铜排可以较容易获得可靠的连接不存在电化学腐蚀的问题。
在充电功率向大功率充电发展的背景下现行的充电技术标准《GB/T20234.1—2015》允许的最大充电电流是250A而正在制定和更新的标准已把充电的电流上调至400A、600A甚至1000A以上。在车辆端不增加冷却措施的情况下电流增加时根据焦耳定律(Q=I2Rt)需降低导体电阻才能使车辆不出现热失效等问题。降低电阻的有效措施是增加导体截面积一般情况下120mm2铜电缆的最大载流是500A要想获得更高的载流能力电缆的截面积要比120mm2更大如此大的尺寸会导致线束质量超重、弯曲半径过大等问题。因此铝排或铝棒等轻量化的导体将迎来应用的契机。
铝排由于其矩形形状的特征相同截面积的条件下具有更大的散热面积和较好的导电能力在线束布置时矩形的形状有利于平面的敷设占用更小的空间同时铝排自身的结构刚性使其在安装时可以使用更少的线束固定卡扣而获得好的线束布置性能。
根据铝导体自身的材料属性与铜端子连接时在力学性能、电气性能、耐腐蚀性能等方面存在一些固有的问题如下文所述。为了解决或减弱由于铜铝材质自身特质差异带来的性能降低需研究铝合金材料、连接方式和表面处理对铜铝连接的力学性能和电气性能的影响。
铜铝连接方案
2.1 铝合金材料的选择
铜和铝的物理参数在力学性能和电气性能上有明显差异。表1为铜和铝的物理参数从表中可以看出铝的强度低于铜但其热膨胀系数是铜的1.35倍。热膨胀系数的差异是铜铝连接是否可靠的一项挑战。具体选择何种系列的铝合金需要根据连接的方案进行选择。例如要求可焊性比较好的可选择1系铝合金要求强度较高且抗蠕变性好的可以选择6系或8系铝合金。
表1铜铝物理参数
通常情况下可以作为导体的铝合金主要有1系、6系和8系系列其中1系主要牌号为1350/10506系铝合金的主要牌号为61018系铝合金的主要牌号是8030/8176。不同铝合金的主要差异如下：
1)1系铝合金主要特点是含铝99.00%以上导电率约61%耐腐蚀性能好焊接性能好其缺点是质地较软强度较低连接强度不高；
2)6系铝合金主要特点是以镁和硅为主要强化相具有较好的力学性能和导电性能适合螺栓连接一般其导电率约55%IACS；
3)8系铝合金主要特点是会在合金体系中添加一些稀土或微量元素起到强化作用具有较高的机械强度其抗蠕变性能基本可以与铜合金媲美如图1所示。铝合金导体的合金成分加入大大地提高了其导电性能和连接性能在电流过载时合金成分发挥持续的连接作用使铝合金导体抗蠕变性能增加。
2.2 铜铝连接的方式
铜端子或铜排与铝导体线束的连接可靠性需要考虑抗蠕变、应力松弛等力学性能同时也需要考虑铝表面氧化膜带来的电气连接问题。通常铜铝连接的方式主要有闪光对接焊、钎焊、搅拌摩擦焊以及螺栓连接其中闪光对接焊、钎焊、搅拌摩擦焊等焊接连接可以有效避开铝表面氧化膜的问题而螺栓连接则需要慎重考虑铝表面氧化膜带来的挑战。
图1 铜铝抗蠕变性能
铜和铝的焊接需要考虑以下几点问题
1)铜铝的热膨胀系数和导热性不一样焊接时受热时的膨胀量不一样如果缓慢加热时间过长会使膨胀的差异更大因此在焊接时需注意控制焊接面的受热情况及焊接时间。
2)异种金属材料复合焊接获得的焊接接头脆性较大根据图2的铜铝二元相图可知铜铝融化焊接的过程中容易生成脆性相。这是因为在连接处易生成铜、铝间化合物其主要成分为铝化铜即在铜铝焊缝处有脆性化合物生成易导致焊接头的强度降低。
3)铜铝的熔点相差较大相差约400℃焊接时容易出现铝已熔化但铜未焊透需要调试出适当的工艺。
图2 铜铝二元相图
铜铝连接的另一种常用连接方式是螺栓连接铝排选用6101作为铜铝连接的导体则可选择螺栓连接或焊接连接的连接方式。当选用螺栓连接时需设计防松的螺栓连接结构防止铜铝连接由于冷热冲击带来的热胀冷缩导致连接界面产生间隙或孔洞发生应力松弛。对于螺栓连接的转矩设定需要通过一系列的测试或计算得到合适的接触应力和接触电阻其判定条件可以按照接触电阻变化与接触应力变化比值<-0.1μΩ/MPa来确定。此时对应的转矩即为合适的转矩其计算公式如式(1)所示。
式中：mv为电阻与应力变化比值其<-0.1μΩ/MPa时被认为是稳定接触的；∂Rv为接触电阻变化值；∂σm为接触应力变化值。
图3所示为锡和铜、锡和锡连接时的负载曲线虚线是斜率为-0.1的渐近线当虚线与实线相切时表示此时的应力和电阻是比较合适的应力需不小于此值。因此螺栓连接的转矩需要通过实验得到验证后才能设定为可靠值。例如M6的螺栓其材料、垫片、接触面积不同需设置为不同的转矩以获得稳定连接性能。一般国标M6的螺栓转矩可设置为8.5N·m。
图3 不同金属间的螺栓负载曲线
铜铝连接的几种连接方式各有优缺点是否能够与电动汽车铜端子和铝排的可靠连接相匹配需要对连接后的力学性能和电气性能进行测试和评估。
实验验证
3.1 铜铝排焊接性能测试
1)铜铝排焊接连接接头试验材料和方法
选择铜排和铝排作为研究对象铜排材料选择T2紫铜铝排选择1350铝合金采用闪光对接焊、银钎焊、搅拌摩擦焊、超声波焊接的方式进行焊接连接其中闪光对接焊和搅拌摩擦焊采用对接连接的方式银钎焊和超声波焊接采用搭接焊接焊接形式如图4所示。铜的尺寸为4.5mm×45mm×500mm铝排的尺寸为4.5mm×45mm×500mm。
图4 铜铝连接方式
对焊接后的样件进行力学性能和电气性能测试力学性能测试主要测试接头的180°方向的拉脱力电气性能主要测试连接电阻和380A条件下的温升其中搭接焊接的两种焊接连接需额外测试90°防线的剥离力。
2)铜铝排焊接连接接头实验结果
4种铜铝排焊接接头测试结果如表2所示。通过对比180°方向的拉脱力可知闪光对接焊和搅拌摩擦焊的结合强度较好连接电阻较低在380A的额定电流下通载2h后接头位置的温升比较接近分别为36K和34K。银钎焊和超声波焊接的180°方向拉脱力略小且90°方向剥离力较小不符合使用要求银钎焊的接触电阻和温升较高载流能力弱。
表2 4.5mm×45mm铜铝排焊接性能对比3.2 铜铝螺栓连接接头性能测试
铝排的材料选择6101铝合金铜排的材料为T2紫铜铝排材料尺寸为4.5mm×45mm铜排材料尺寸为3.5mm×35mm用M6的螺栓将各样品以8.5N·m的转矩进行连接进行盐雾前后的电气性能测试。样品种类1为铝排未电镀样品种类2为铝排电镀银样品种类3为铜排未电镀样品种类4为铜排表面镀银。盐雾条件为96h中性盐雾温升测试电流为380A温升测试结果如表3所示。
表3 铜铝盐雾前后的温升
试验分析
4.1 铜铝焊接接头试验分析
通过对4种焊接方式的测试结果可知闪光对接焊由于是将铝排和铜排以化学融合的方式形成了比较牢靠的连接接头在接头界面处形成了Cu/Al混合物具有较好的力学性能和电气性能拉伸强度是4种焊接方式中最高的焊接电阻较低且温升相对较小适合于铜和铝的焊接连接。高压线束对技术清洁度要求较高通常是要在满足VDA19中CG2以上的环境中生产由于闪光对接焊在生产过程中对环境不友好尺寸控制难度较大故非必要情况下不推荐此连接方式。
由于银钎焊是在铜铝连接界面处添加有银铜合金的钎料焊接时由于银的熔点低于铜而先熔化在施加压力的条件下使铜铝焊接在一起但银的熔点又高于铝从而使铜铝在受热和压力时变形不平衡导致接头在拉伸和剥离时强度不足。由测试结果可知银钎焊的剥离力和连接电阻是3种连接方式中最差的一种高压线束中不建议使用此连接方式进行铜铝连接。
搅拌摩擦焊是一种固相连接方式。在搅拌摩擦焊过程中一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着插入被焊工件搅拌头和被焊材料之间的摩擦产生了摩擦热使材料热塑化。当搅拌工具沿着待焊界面向前移动时热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移并且在搅拌工具机械锻造的作用下实现工件间的固相连接。通过测试结果可知搅拌摩擦焊的拉伸性能和连接电阻较好是4种连接方式中相对较可靠的方式之一且制作工艺简单能够适用1系、6系和8系的铝合金焊接具有高效、稳定生产的特点是不错的铜铝连接方式。
超声波焊接是通过振幅器的高频振动和焊头的压力使被焊接件结合在一起的此连接方式较成熟地应用于导线与端子的连接中能够获得较低的电阻和较高的结合力。通过测试结果可知连接电阻和温升相对较低但连接强度较低。主要原因是在铜端子和铝排的连接中当铜铝排的厚度相对较小时设备焊接能量足够超声波焊接是可靠的但对于铝排规格较大时受焊接设备能量的影响焊接不透彻连接强度较低。
综上所述4种焊接连接方式中适合于高压线束的方式主要是搅拌摩擦焊此焊接方式工艺稳定可靠且对环境比较友好。
4.2 铜铝螺栓连接接头试验分析
由于铝合金导体表面存在致密的氧化层氧化膜的导电率比较差需要相应的结构来刺破提高端接的导电率。如果采用螺栓连接的方式需要设计特殊结构和合适的转矩来保证连接的可靠性。依据以往的经验数据M6的螺栓需要使用8.5N.m的转矩来获得较好的力学连接和电气连接。根据表3数据显示当铝表面未做电镀处理时其与任何状态的铜和铝连接都处于不可靠状态盐雾后的温升急剧增加使产品处于不安全状态。铝表面镀银后与裸铜和镀银铜的连接时盐雾前后的温升是合格的。
未电镀铝排与未电镀铜排连接时盐雾前后的温度差异≥200℃。主要原因是铝和铜存在电位差当存在盐溶液介质时铜铝界面发生电化学腐蚀形成空洞等缺陷使连接电阻加速增加随着电流通载的时间增加温度也持续增加。未电镀的铝与电镀的铜排连接时虽然铜排有电镀银层但在96h盐雾后温升依然差异接近200℃说明铜铝之间依然发生了较严重的电化学腐蚀。大部分的存储、转运的环境是非密闭的环境中存在大量的水汽、介质铜铝连接界面在存在电解质的情况下极易形成原电池反应发生电化学腐蚀从而导致接触电阻和温升急剧增加使产品失效。因此对于高压线束产品当铜铝连接可能处于非干燥环境时建议对铜铝表面进行镀银处理防止电化学腐蚀发生以获得较可靠的连接性能。
结语
通过对铝合金和铜导体的连接分析在铝排材料选择、连接方式、表面处理等方面得出如下结论。
1)通过对比不同焊接方式的力学性能和电气性能推荐选用搅拌摩擦焊作为可靠的连接方式。
2)铜铝连接选择螺栓连接时如果铜铝连接区域不能保证处于干燥环境时建议对铝排表面做镀银处理同时需设计防松结构以防止由于铜铝热膨胀系数差异带来的应力松弛行为以获得较稳定的电气连接。
文章来源：电气与自动化作者：胡国民、付志斌（南京康尼新能源汽车零部件有限公司）由结论可知，高压铜铝连接容易引起温度升高、且容易电化学腐蚀现象，可以通过以上的两种方式解决。
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