王亮
◆ 远东电缆有限公司技术总监
◆ 高级工程师
◆ 《新能源电缆设计与采购手册》编委会顾问
◆ 来稿主题：《新能源汽车电缆用镀锡铜导体超声波焊接可靠性研究》
光纤与电缆及其应用技术
引言
近年来新能源汽车得到了快速发展，仅2022年新能源汽车销售就达到688.7万辆，同比增长93.4%。为了提高用户的体验感，高效率、低成本、高可靠性成为整车厂关注的重点。新能源汽车主要依托电池提供的电力作为动力，需要通过电缆线束进行传输，电缆线束作为新能源汽车的神经，线束可靠性是汽车安全稳定运行的关键。目前，每台新能源汽车线束用量约数百根，价值约5000元，相比传统燃油车，新能源汽车线束根数更多、截面积更大，线束失效带来的影响更严重，提高线束连接的可靠性更为迫切。因此，本文对新能源汽车电缆用镀锡铜导体超声波焊接可靠性展开了研究。
1 超声波焊接应用优势
传统汽车线束连接采用冷压工艺，导体与端子采用专用的压模，通过压钳在一定的压力作用下连接在一起。新能源汽车电缆导体为软结构，导体单丝小、间隙大，采用传统冷压工艺压接后导体间会存在一定的间隙【空隙率达到5%~10%（小规格电缆导体空隙率较小）】，导体间存在间隙会导致在振动时各单丝的振动频率和振动幅度不一致，长期运行时导体存在发生断丝和松空的风险，造成接触电阻增大，连接处发热烧毁的风险。相对于传统冷压压接，超声波焊接可确保新能源汽车电缆导体和端子形成一个整体，接触电阻低，抗疲劳性能更优[1]。
考虑到汽车内部高温高湿环境，为避免导体氧化，部分区域重要线束导体仍采用镀锡铜导体，镀锡铜导体是在铜导体表面镀了一层锡层。目前工艺控制水平可将镀锡铜导体的锡镀层厚度范围控制在0.1~15μm，一般新能源汽车电缆用镀锡铜导体的锡镀层厚度为0.1~1.0μm。因锡与铜的熔点存在较大差异，镀锡铜导体的超声波焊接工艺与铜导体的超声波焊接工艺存在较大差异，其稳定性、可靠性控制难度较大。
2 超声波焊接原理
超声波焊接是利用超声波振动器将电能转换为机械振动能量，然后通过焊接头将振动能量传递到焊接部件上，使其产生高频振动，高频振动会在焊接部件表面产生摩擦热，导致材料表面温度升高并软化，随后形成微观间隙，使得焊接部件之间的分子结合更加紧密[2]。相比铜导体，镀锡铜导体表面增加了一层锡镀层，锡的熔点为231.93 ℃（熔点会因锡锭纯度不同而存在一定差异），铜的熔点为1 083 ℃。镀锡铜导体超声波焊接时，在高频振动下首先是导体表层锡镀层的熔化，在锡镀层完全熔化后铜导体开始相互接触，最终在高频振动下铜导体与端子焊接成一个整体。
3 超声波焊接可靠性影响因素
根据超声波焊接原理，经分析镀锡铜导体超声波焊接可靠性的影响因素包括以下方面：
a.导体紧压程度。超声波焊接通过高频振动将导体与端子熔接在一起，适当的紧压可以保证导体单丝间、导体与端子间良好接触，提高焊接质量。导体紧压时应避免过紧，否则易导致单丝间相对振动降低，无法保证焊接均匀性；适当的紧凑度更利于导体间热量和压力传导，避免单丝焊接过程中产生过大的应力和变形，保证焊接质量[3]。
b.锡层厚度。锡层厚度越厚，所需要的熔化热量越高，焊接所需要的功率更大、时间更长；锡层厚度越厚，熔化后需要更大的压力来保持导体的紧密接触；锡层厚度增加，熔化后锡会渗透到导体之间形成焊接缺陷，降低焊接强度，增大焊接电阻。
c.锡锭纯度。纯度较高的锡锭具有更高的熔点，需要更高的焊接温度将锡层熔化，对应需要的焊接功率和时间也更长；纯度更高的锡锭熔化均匀性更优，焊接过程中传热更均匀，焊接质量更稳定；锡锭纯度更高，焊接过程中的氧化反应更低，焊接质量更可靠。
4 超声波焊接可靠性研究
4.1 焊接可靠性工艺验证方案制定
根据镀锡铜导体超声波焊接原理和可靠性影响因素，制定了相关焊接可靠性工艺验证方案，如表1所示。根据车型设计，选取35mm2镀锡铜导体按照制定的工艺验证方案进行超声波焊接可靠性研究。为保证焊接后连接的可靠性，设定35mm2镀锡铜导体超声波焊接可靠性要求为：拉脱力≥2500N、断丝根数≤10、外观无发黑和无氧化。
4.2 导体紧压程度影响因素研究
为了研究导体紧压因素对35mm2镀锡铜导体超声波焊接可靠性的影响，试制的35mm2镀锡铜导体采用6类结构，单丝丝径0.195mm，分别按紧压系数60%、65%、70%进行导体模具设计并紧压，在超声波焊接导体和端子后进行焊接可靠性实测。焊接可靠性实测结果如表2所示，可见：导体紧压系数70%时，拉脱力<2500N、断丝根数较多、焊接高度越高；导体紧压系数60%时，导体松散程度较大，焊接力值传递较弱，外围导体有断丝风险，拉脱力值偏小；导体紧压系数65%时，焊接效果最优[4]。经分析，主要由于紧压程度增大后，导体单丝振动过程中相对位移减小，发热量降低，进而导致焊接效果和可靠性较差。
4.3 锡层厚度影响因素研究
铜导体镀锡后具有良好的防腐效果，锡镀层厚度越厚，防腐蚀效果越好；但锡镀层厚度过大，会影响到超声波焊接时热量传递和熔接效果。为了研究锡层厚度因素对35mm2镀锡铜导体超声波焊接可靠性的影响，分别选用3种镀锡厚度的镀锡铜单丝绞合试制35mm2镀锡铜导体，导体紧压系数65%，在超声波焊接导体和端子后进行焊接可靠性实测。焊接可靠性实测结果如表3所示，可见：锡镀层厚度越厚，导体焊接后氧化程度增大、断丝根数增多、拉脱力降低。经分析，主要由于焊接过程中锡镀层厚度阻碍了热量和压力的传递，造成焊接效果和可靠性较差。
4.4 锡锭纯度影响因素研究
不同纯度锡锭，熔点有差异，会影响到焊接效果。为了研究锡锭纯度因素对35mm2镀锡铜导体超声波焊接性能的影响，选用3种纯度锡锭进行镀锡处理并试制35mm2镀锡铜导体，导体紧压系数65%，单丝锡层厚度控制在0.1~0.3 μm，在超声波焊接导体和端子后进行焊接可靠性实测。焊接性可靠性实测结果如表4所示，可见：3种纯度锡锭镀锡的35mm2镀锡铜导体焊接可靠性均能达到相关要求；在焊接功率一致时，锡锭纯度在99.5%时镀锡的35mm2镀锡铜导体焊接效果和可靠性最好。
4.5 焊接可靠性研究结果验证
综合导体紧压程度、锡层厚度、锡锭纯度等影响因素的可靠性工艺验证结果，优化选用99.5%锡锭镀锡的厚度0.1~0.3 μm单丝以紧压系数65%绞制了35mm2镀锡铜导体，在超声波焊接导体和端子后进行焊接可靠性实测。导体和端子焊接后的效果如图1所示，可靠性实测结果如表5所示，可见焊接效果较好，导体和端子形成一个整体，拉脱力≥2500 N，断丝根数≤10，外观无发黑和无氧化。由此表明，上述超声波焊接可靠性研究结果具有较好的指导意义。值得注意的是，超声波焊接对导体一致性要求较高，需对导体原材料和加工工艺一致性进行严格控制，以进一步提高焊接可靠性。
5 结 论
新能源汽车运行依靠大能量电力传输，高压电缆在电力传输过程中起到关键作用。传统压接工艺在持续振动作用下，导体与端子易发生松弛，造成接触电阻增大，进而失效。超声波焊接可以较好地解决长期振动下的连接可靠性。相对于铜导体，镀锡铜导体因锡镀层的存在使其超声波焊接工艺具有一定特殊性。本文通过对导体紧压程度、锡层厚度、锡锭纯度等可靠性影响因素的研究，优化了相关因素（即宜优化选用99.5%锡锭镀锡的厚度0.1~0.3 μm单丝以紧压系数65%绞制的35mm2镀锡铜导体），从而提高了新能源汽车电缆用镀锡铜导体超声波焊接可靠性。
[参 考 文 献]
[1] 谢俊峰,朱有利,黄元林,等. 2A12与2A11铝合金超声波焊接工艺与组织研究[J]. 材料工程,2015,43(3):54-59.
[2] 关长石,费玉石. 超声波焊接原理与实践[J]. 机械设计与制造,2004(6):104-105.
[3] 尚小良. 铜铝导体超声波焊接温度场模拟研究[J]. 汽车电器,2023(10):43-47.
[4] 李东,赵杨洋,张延松. 焊接能量对铝/铜超声波焊接接头显微组织的影响[J]. 焊接学报,2014,35(2):47-50.
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