【摘要】汽车传统铜导线因密度大、成本高，促使行业寻求替代材料以实现降本与轻量化。铝凭借良好导电性、低密度和低成本，成为铜的理想替代品，但也存在强度低、易氧化等问题。文章聚焦大截面积汽车电源线，深入探讨铝替代铜需解决的技术难题，包括导电性、强度、压蠕变、氧化及热膨胀系数差异等问题。通过分析国际汽车导线标准，对铝替代铜进行可行性研究，提出具体技术方案：采用更大截面积的1系纯铝线替代铜线，遵循等效电阻原则；提供摩擦焊接和超声波焊接两种导线与端子连接方案，并采用双壁带胶热缩管密封。文章为汽车企业实现降本与轻量化提供具有参考价值的新路径。
0 引言
汽车线束遍布汽车车身，传统导线由高纯度电解铜经特殊工艺锻造、拉丝并铰接而成。因铜密度大，整车线束总重超20kg且成本高，给企业带来成本压力。为此，行业积极探寻铜导线的替代材料，以实现降本与轻量化目标。在常见导体材料中，铝是理想替代品，其导电性良好，在常用金属中仅次于铜，且质量轻，密度约为铜的30%，成本仅为铜的20%~30%，但存在强度低、易氧化等问题。本文针对大截面积汽车电源线，提出铝替代铜的参考技术方案。
1 铝替代铜需要解决的技术问题
铝在成本和质量上优于铜，成为汽车企业降本与轻量化研究的热点。但铝替代铜仍面临一些技术难题。
展开剩余85%1） 铝导电性逊色于铜。若通过增大铝线截面积解决，需将铝线规格提高1~2 个等级，这会使铝线束体积大于铜线束，在线束布置时需考虑安装空间与弯折半径。
2） 铝强度低。机械强度仅为铜的1/3，压接时易被压断。汽车行驶时，导线振动，也易致其断裂，因此需提高铝线强度。
3） 铝压蠕变现象显著。80℃左右时，在压力作用下蠕变加剧，而铜需230℃以上才出现一定程度的压蠕变。铝的压蠕变特性会使端子压接后，连接点随温度变化和时间推移而松动，影响导线电气性能。
因此铝铜连接技术需特殊设计，以确保产品全生命周期内电气性能可靠。
4） 铝化学性质活泼。暴露在空气中易氧化，形成致密坚硬的氧化铝薄膜。氧化铝绝缘性强，会影响铝线导电性。铝与铜端子接触，在潮湿且通电环境下，易形成原电池反应，导致连接处发生电化学腐蚀，侵蚀铝导体，必须避免这种情况。
5） 铝与铜热膨胀系数不同，长时间冷热交替后，连接处易松动，影响连接点可靠性。
2 铝替代铜的可行性分析及技术方案
2.1 可行性分析
国际上汽车导线标准主要有美系、日系、欧系3个体系。随着汽车产业在全球范围内产业技术融合，各国导线标准逐渐向ISO系列国际化标准靠拢。目前，国内汽车主机厂大多采用铜芯导线，遵循ISO 19642-5、ISO 6722-1国际标准。这两项标准对汽车用铜芯导线的技术要求相近，均详细规定了导线的电阻率、耐电压等特性，其中ISO 19642-5对导线性能要求更细致。
国外铝电线在工业应用至少已有30年历史，最早用于航空行业，21 世纪初开始应用于汽车领域。2013 年， 汽车铝线才有正式国际标准ISO 6722-2，2019年，类似的ISO 19642-6发布。国际标准ISO 19642-6、ISO 6722-2 导体直径、电阻、绝缘体积电阻率等技术要求作出说明，两者内容相近，ISO 19642-6对汽车铝导体性能要求更细致。因此，方案设计需综合考量这两个国际标准。
铝导线等效替代铜导线，需满足3 点：一是必须保证与被替代的铜导线有相近的导电率等特性，确保替换导体材质的同时基本保持原有的电路功能；二是防止铝线被氧化；三是实现铝线与端子之间的可靠连接，因为铝材硬度低，弯曲卷绕、高频振动后，可能会疲劳断裂。
2.2 电源线导体的替代方案
对比铜导线的国际标准ISO 19642-5、ISO 6722-1，以及铝导线的国际标准ISO 19642-6、ISO 6722-2可知，电阻相近时，铝导体需更大规格才能达到与铜导体相近的导电性能。
欧洲铝和铝合金成分标准EN 573-3：2003规定，铝和铝合金可分为8个牌号系列。其中，1系是纯铝线，含铝量大于99%；2~8系的铝合金是在纯铝中通过增加不同比例的Si、Fe、Cu、Mg、Mn、纳米陶瓷及碳纳米材料等，开发出的新型铝基复合材料合金，基体为热处理强化合金，在保证一定的导电性能条件下，最大限度地提高了铝合金的抗拉强度，同时保证足够的延伸率。
1系纯铝线的特点是导电率较高，导热性能好，材料的抗拉强度为60~110MPa， 导体延伸率大于12%，是目前汽车线缆最常用的铝导体。此牌号的铝线适宜用作大线径的电源线。
综上所述，可遵循等效电阻的原则，用更大截面积的纯铝线代替铜线，替换前后导线电阻相同或接近。例如，原铜线所采用的截面积为35mm2，20℃下单位长度导体最大电阻值为0.527mΩ/m，与之电阻参数最接近的铝导体规格需要提高到60mm2，此时20℃下单位长度导体最大电阻值为0.525mΩ/m。
2.3 导线与端子的连接方案
2.3.1 摩擦焊接方案
摩擦焊接技术起源于一百多年前， 利用工件接触面摩擦产生的热量， 使工件在压力下塑性变形， 从而实现焊接。该技术在民用和航空航天领域应用广泛。
设备驱动工件摩擦产生大量热量，降低金属硬度，提高可塑性，使金属原子相互扩散冷却结晶，形成牢固的摩擦焊接接头。同时，高速摩擦破坏金属表面氧化膜，提高焊接接头导电性。与传统熔焊相比，摩擦焊具有以下特点：一是焊接接头强度高、品质稳定，部件一致性好，接头强度与母材相当；二是节能环保，无需焊条、保护气体，焊接过程无有毒、有害气体产生，设备耗电量小；三是摩擦焊能实现异种材料焊接，接头无气孔、夹杂，不会发生电化学腐蚀。
本方案中，“L”型铜铝复合端子采用旋转摩擦焊接工艺，连接端部锻造铜板与尾部纯铝筒。锻造铜板用于装配到蓄电池或起动机，采用黄铜材质，强度高，安装时不易断裂且表面镀锡可缓解黄铜与车身接触产生的电化学腐蚀。尾部纯铝筒为柱状中空结构， 用于连接铝导体。通过专用设备将铝导体置入纯铝筒后， 利用锻压设备环压压接。纯铝导线与纯铝筒材料相同， 热膨胀系数一致， 可避免因热膨胀系数差异在高低温交替时疲劳断裂，如图1 所示。
这种方案的优点在于：锻造铜板能满足装配需求，铝筒连接铝线可避免传统铜端子与铝导体因热膨胀系数不同导致的疲劳断裂，既解决了端子安装强度问题，又解决了铝导体与端子连接问题。
端子与铝导体连接后，可采用双壁带胶热缩管密封。热缩管具有绝缘、防腐、耐磨特性，经专用设备加热后，外壁收缩，内壁固态胶水融化成液态胶，覆盖端子连接部位和导线绝缘皮表面，冷却固化后实现密封、防腐，防止接头处氧化腐蚀。
2.3.2 摩超声波焊接方案
20世纪80年代起，超声波金属焊接技术应用于线束焊接，利用超声频率振动能量，使金属分子晶格结构重组，连接同种或异种金属。焊接接头在母材不熔化的情况下实现冶金结合，属于固态焊接，能有效避免普通焊接的飞溅和氧化现象。
超声波焊接技术广泛应用于电线与电线、电线与端子的连接，焊接过程迅速，工艺参数可全程监控。焊接接头为纯金属连接件，不易受老化、蠕变和疲劳影响，连接牢固，可靠性高，接触电阻低。
该技术可连接相同或不同材料，如铜和铝。由于金属直接焊接，无需额外焊料或助焊剂。此外，超声波焊接对材料热应力低，基本不改变被焊材料及周边材料性能。超声波焊接工艺简单、接头强度高、导电性好， 能焊接的导体规格范围广， 可焊接160mm2 甚至更大截面积的导体。与摩擦焊技术类似，超声波焊接技术适用于异种材料、异种形式的连接，如铜与铝、线材与板材的连接，在电线、线缆行业广泛应用。因此，本方案采用黄铜端子，与纯铝导体通过超声波焊接技术连接，并在端子末端用爪扣二次压接固定，增强连接可靠性，如图2 所示。同样，可在连接处采用双壁胶热缩管密封，防止接头处氧化腐蚀。
3 总结
本文基于汽车铜导线成本高、质量大的现状，研究铜、铝导线性能标准，提出铝导线替代铜导线的技术方案，为企业降本与轻量化提供新途径。
来源：汽车电器 . 2025 (05)，作者：付宏程（大众汽车（中国）科技有限公司
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