权利要求
1.一种轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，所述方法包括：制备
铝合金绞线，在铝合金绞线基体的端部原位生成梯度
铜合金层，对具有梯度
铜合金层端部的铝合金绞线进行绝缘包覆，将梯度铜合金层端部与铜端子压接组装。
2.根据权利要求1所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，通过磁控溅射在铝合金绞线基体的端部沉积
镍过渡层，通过
电化学法在镍过渡层上沉积铜
锡合金层，通过瞬间热处理将镍过渡层和铜锡合金层液相扩散为成分梯度变化并与铝合金绞线基体冶金结合的梯度铜合金层。
3.根据权利要求2所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，在真空度不高于5.0×10-3Pa的氩气环境中，采用纯镍靶材对铝合金绞线端部进行溅射沉积，溅射功率3kW，溅射气体压力为0.3-0.5Pa，溅射沉积时间为15-25min，在铝合金绞线基体的端部沉积厚度为1-2μm的镍过渡层。
4.根据权利要求3所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，在溅射沉积的过程中，对铝合金绞线端部施加-50V至-100V的射频偏压。
5.根据权利要求2所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，在氰化物体系电镀液中对具有镍镀层的铝合金绞线端部进行铜锡合金层沉积。
6.根据权利要求5所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，氰化物体系电镀液中，包括40-50g/L的铜氢化钠，10-15g/L的锡酸钠，10-15g/L的游离氰化钠和15-20g/L的氢氧化钠。
7.根据权利要求6所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，将具有镍镀层的铝合金绞线端部作为阴极，采用不锈钢阳极，在1.5-3.0A/dm2阴极电流密度和55-65℃温度下沉积2-4min，制得锡含量为6.2-8.6wt%、厚度为15-35μm的铜锡合金层。
8.根据权利要求2所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，瞬间热处理包括：在惰性气体环境中，通过高频感应加热在2-3s内将具有镍过渡层和铜锡合金层的铝合金绞线端部加热至460±10℃的峰值温度，保持峰值温度3s，在5s内冷却至200℃以下。
9.根据权利要求2所述的轻量化汽车线束组件制备方法，其特征在于，在铝合金基体与镍镀层界面形成镍铝金属间化合物薄层，在镍镀层与铜锡合金层界面形成铜镍固溶体，锡元素固溶于铜中或偏聚于晶界，形成梯度铜合金层。
10.一种轻量化汽车线束组件，其特征在于，所述轻量化汽车线束组件根据权利要求1至9任一所述的方法制备。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
新能源汽车配件技术领域，尤其涉及一种轻量化汽车线束组件及其制备方法。
背景技术
[0002]随着汽车产业向着电动化、智能化与轻量化方向的飞速发展，汽车内部电子电气系统日益复杂，对承载电力传输与信号交互功能的神经网络—汽车线束，提出了前所未有的高标准要求。其中，轻量化已成为线束技术发展的核心驱动力之一。以密度仅为铜三分之一的
铝合金材料替代传统铜材制造导线，是实现线束减重，从而提升整车能效与续航里程的最具潜力的技术路径之一。
[0003]然而，将铝合金导线应用于汽车线束，长期以来面临着一个关键的技术瓶颈：铝合金导线与现有铜质端子之间可靠、耐久连接的实现极为困难。
[0004]在材料层面，铝与铜是两种电化学性质差异显著的金属。铝的标准电极电位远低于铜，当二者在潮湿环境中直接接触时，会形成明显的电偶对，铝作为阳极将发生严重的电化学腐蚀，导致连接点电阻急剧升高、发热甚至失效，严重威胁电气系统的安全与寿命。
[0005]在物理与冶金层面，铝导体直接与铜端子压接存在固有缺陷。一方面，铝表面极易形成致密且绝缘的氧化膜，该膜层电阻率高，会显著增加接触电阻，并阻碍有效的电气连接。另一方面，铝材质地较软，抗蠕变性能差，在长时间震动、冷热循环及应力作用下，压接点容易发生松弛，导致接触压力下降，进一步加剧发热与氧化，形成恶性循环。更为棘手的是，若采用在铝导线末端镀铜后再压接的简单方法，铝与镀铜层之间的结合通常仅为机械结合或弱扩散结合，界面存在高电阻的脆性金属间化合物，且在热应力或机械应力作用下，界面极易因热膨胀系数不匹配而产生裂纹甚至剥离，可靠性无法保证。
[0006]公开号为CN118156941A的中国专利公开了一种铝合金高压线束制备方法，该方案采用
粉末冶金温压成形、烧结的工艺在铝合金导线端部构建铜铝复合过渡层，具体路径包括：通过冷压成型将铝合金导线端部冷压形成“导线鼻子”，在导线鼻子表面填充铜铝合金粉(铝含量10-20wt%)，通过温压成形和分段烧结形成覆铜层，将覆铜后的导线鼻子与铜端子进行超声波焊接。对焊接后的端头机构再次进行纯铜粉的温压烧结。该方案本质上是通过粉末冶金烧结实现机械互锁和有限扩散结合，利用中间合金层缓解铝-铜直接连接的问题。在实际应用中，该方案存在以下缺陷：
1.界面结合强度不足，粉末冶金工艺形成的结合界面以机械嵌合为主，虽经烧结但未能实现完全的冶金结合;2.超声波焊接仅在局部点形成连接，未能实现整个接触面的均匀冶金结合，存在连接可靠性风险;3.导电性能存在固有缺陷，采用的铜铝合金粉中铝含量高达10-20%，显著降低了过渡层本身的导电性，铜铝合金的电阻率远高于纯铜，导致连接电阻增加;4.粉末冶金制备的覆层存在固有孔隙率，进一步降低了有效导电截面积，影响载流能力;5.烧结工艺参数窗口宽(温度350-600℃，时间1-4.5h)，难以保证批次一致性，且长时间高温处理可能影响铝合金基体性能;6.耐腐蚀性能受限，粉末烧结层存在微观孔隙，为腐蚀介质渗透提供通道，长期使用中仍面临电化学腐蚀风险7.结构与材料局限性，仅适用于截面较大的“高压线束”(直径4.5-20.5mm)，无法适用于占汽车线束主要比例的细导线，矩形截面的“导线鼻子”设计增加了加工复杂性，且与标准圆形导线的适配性差。
[0007]因此，如何从根本上解决铝-铜异种金属连接的可靠性问题，在铝合金导线末端形成一个兼具优良导电性、高机械强度且与现有压接工艺完全兼容的连接界面，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
[0008]有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种轻量化汽车线束组件及其制备方法。
[0009]根据本发明的第一方面，提供一种轻量化汽车线束组件制备方法，该方法包括：制备铝合金绞线，在铝合金绞线基体的端部原位生成梯度铜合金层，对具有梯度铜合金层端部的铝合金绞线进行绝缘包覆，将梯度铜合金层端部与铜端子压接组装。
[0010]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，通过磁控溅射在铝合金绞线基体的端部沉积镍过渡层，通过电化学法在镍过渡层上沉积铜锡合金层，通过瞬间热处理将镍过渡层和铜锡合金层液相扩散为成分梯度变化并与铝合金绞线基体冶金结合的梯度铜合金层。
[0011]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，在真空度不高于5.0×10-3Pa的氩气环境中，采用纯镍靶材对铝合金绞线端部进行溅射沉积，溅射功率3kW，溅射气体压力为0.3-0.5Pa，溅射沉积时间为15-25min，在铝合金绞线基体的端部沉积厚度为1-2μm的镍过渡层。
[0012]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，在溅射沉积的过程中，对铝合金绞线端部施加-50V至-100V的射频偏压。
[0013]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，在氰化物体系电镀液中对具有镍镀层的铝合金绞线端部进行铜锡合金层沉积。
[0014]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，氰化物体系电镀液中，包括40-50g/L的铜氢化钠，10-15g/L的锡酸钠，10-15g/L的游离氰化钠和15-20g/L的氢氧化钠。
[0015]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，将具有镍镀层的铝合金绞线端部作为阴极，采用不锈钢阳极，在1.5-3.0A/dm2阴极电流密度和55-65℃温度下沉积2-4min，制得锡含量为6.2-8.6wt%、厚度为15-35μm的铜锡合金层。
[0016]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，瞬间热处理包括：在惰性气体环境中，通过高频感应加热在2-3s内将具有镍过渡层和铜锡合金层的铝合金绞线端部加热至460±10℃的峰值温度，保持峰值温度3s，在5s内冷却至200℃以下。
[0017]可选地，本发明的轻量化汽车线束组件制备方法中，在铝合金基体与镍镀层界面形成镍铝金属间化合物薄层，在镍镀层与铜锡合金层界面形成铜镍固溶体，锡元素固溶于铜中或偏聚于晶界，形成梯度铜合金层。
[0018]根据本发明的第二方面，提供一种轻量化汽车线束组件，该轻量化汽车线束组件根据上述的方法制备。
[0019]本发明的轻量化汽车线束组件及其制备方法，从根本上实现了铝-铜异种金属的可靠连接，具有以下有益技术效果：
1.实现了界面的冶金结合，显著提升合金层结合：通过“磁控溅射镍过渡层+电沉积铜锡合金层+瞬间液相扩散焊”的协同工艺，在铝合金基体与表面铜合金层之间形成了成分呈梯度变化的冶金结合界面，牢固的界面能有效抵抗车辆运行中的振动、冲击及冷热循环应力，防止连接点松弛或失效，确保了连接的长期机械可靠性。
[0020]2.实现了优异的导电性能，接近纯铜水平：由于形成了致密且电阻率较低的铜锡合金功能层以及高质量的冶金结合界面，电流传输通道顺畅，界面接触电阻极低，该连接端的导电性能已几乎与纯铜导线相当，有效避免了因连接点电阻过高而导致的异常发热和能量损耗问题。
[0021]3.工艺可控性强，关键参数精确可控，可实现性能定制：通过系统性调控溅射参数(气体压力、偏压、时间)和电镀参数(溶液浓度、电流密度、温度、时间)，可以精确控制镍过渡层与铜锡合金层的厚度与成分。这种高度的可控性使得生产工艺能够根据不同性能需求(如更侧重导电性或更侧重硬度)进行灵活优化和精准复现，保证了产品批次间的一致性与稳定性。
[0022]4.优良的后端工艺兼容性：本发明制备的铝合金导线，其连接端部最终为成分与性能优化的铜合金层。这使得它可以完全沿用现有成熟、高效的铜线压接工艺、设备和质量标准进行终端加工。无需对汽车线束后端的连接器、端子及装配线进行任何改动，极大地降低了产业链升级的技术门槛和成本，有利于该技术的快速推广与应用。
[0023]5.实现了显著的轻量化效果：以密度仅为铜三分之一的铝合金作为导体核心材料，制备出轻量化线束组件。相比传统铜线束，可实现40%-50%的减重，这对于提升电动汽车的续航里程和燃油车的能效具有直接的积极影响，契合汽车产业电动化与轻量化的核心发展方向。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0025]图1为根据本发明的轻量化汽车线束组件制备方法的流程示例图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0027]需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合;并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0028]需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0029]图1为根据本发明的轻量化汽车线束组件制备方法的流程示例图，如图1所示，本发明的轻量化汽车线束组件按以下方式制备：
制备铝合金绞线，通过磁控溅射在铝合金绞线基体的端部沉积镍过渡层，通过电化学法在镍过渡层上沉积铜锡合金层，通过瞬间热处理将镍过渡层和铜锡合金层液相扩散为成分梯度变化并与铝合金绞线基体冶金结合的梯度铜合金层，对具有梯度铜合金层端部的铝合金绞线进行绝缘包覆，将梯度铜合金层端部与铜端子压接组装。
[0030]实施例1
本实施例制备铝合金绞线：
在8030铝合金组分配比的基础上，添加0.005wt%的钪元素，通过熔炼和连铸连轧制备直径为9.5mm的铝合金杆，将铝合金杆通过多道次拉拔成型为2.0mm的铝合金线，每次拉拔形变率为15%，继续对2.0mm的铝合金线进行多道次拉拔，每次拉拔形变率为12%，每次拉拔后进行330℃×40min的退火处理，直至得到直径为0.13mm的铝合金线，进行180℃×90min的退火处理;
将19根经过退火的铝合金线(0.13mm)同心式(中心1根、内层6根、外层12根)多层绞合，制得铝合金绞线。
[0031]实施例2
本实施例在实施例1制备的铝合金绞线的端部制备梯度铜合金层：
在真空度不高于5.0×10-3Pa的氩气环境中，采用纯镍靶材对铝合金绞线端部进行溅射沉积，溅射功率3kW，溅射气体压力为0.3-0.5Pa，溅射沉积时间为15-25min，在铝合金绞线基体的端部沉积厚度为1-2μm的镍过渡层。需要说明的是，在溅射沉积的过程中，对铝合金绞线端部施加-50V至-100V的射频偏压。
[0032]在氰化物体系电镀液中对具有镍镀层的铝合金绞线端部进行铜锡合金层沉积。氰化物体系电镀液中，包括40-50g/L的铜氢化钠，10-15g/L的锡酸钠，10-15g/L的游离氰化钠和15-20g/L的氢氧化钠。将具有镍镀层的铝合金绞线端部作为阴极，采用不锈钢阳极，在1.5-3.0A/dm2阴极电流密度和55-65℃温度下沉积2-4min，制得锡含量为6.2-8.6wt%、厚度为15-35μm的铜锡合金层。
[0033]在惰性气体环境中，通过高频感应加热在2-3s内将具有镍过渡层和铜锡合金层的铝合金绞线端部加热至460±10℃的峰值温度，保持峰值温度3s，在5s内冷却至200℃以下。在铝合金基体与镍镀层界面形成镍铝金属间化合物薄层，在镍镀层与铜锡合金层界面形成铜镍固溶体，锡元素固溶于铜中或偏聚于晶界，形成梯度铜合金层。
[0034]实施例3
按本发明实施例2的制备方法制备5套参数的试样组，试样组号以及对应的制备参数参见表1。
[0035]表1
[0036]采用型号为Fischer XDLM的X射线荧光测厚仪对如表1所示的实施例2制备的试样组试样的梯度铜合金层进行厚度测量，每个试样测量5个点取平均值。采用型号为Instron5960的万能材料试验机对如表1所示的实施例2制备的试样组试样的梯度铜合金层进行结合力测试。从每个试样组取三个长度100mm的试样，使用丙酮清洗端部的梯度铜合金层区域，采用高强度环氧树脂将钢制拉拔桩头梯度铜合金层区域的中间位置，室温下固化24h。采用线束夹持夹具，以1mm/min的拉伸速率垂直拉拔，记录钢制拉拔桩头与试样端部脱落时的拉拔力，每组的三个试样数据取平均值。采用型号为FEIApreo 2 SEM的扫描电子显微镜和Oxford Instruments X-MaxN 80 EDS能谱仪对如表1所示的实施例2制备的试样组试样的进行成分分析，从每组试样中选取1根，垂直于导线轴线切割，获取包含完整梯度铜合金层截面的样品，采用冷镶嵌工艺将样品用环氧树脂镶嵌，防止组织变形，依次使用由粗到细的金相砂纸(从400#至2000#)进行机械研磨，使用金刚石悬浮液(9μm、3μm、1μm)进行抛光至镜面，在SEM下的梯度铜合金层横截面或表面进行大面积扫描分析，获取平均成分。测量结果参见表2。
[0037]表2
[0038]如表2所示，本发明通过调控溅射沉积工艺参数参数，可以控制镍过渡层的厚度。比如，通过精确控制溅射功率、工作气压和沉积时间，最终获得一层厚度为1.0-2.0μm、连续无孔、结合牢固的纯镍过渡层。试样组2采用高溅射气压与短沉积时间，获得高沉积速率，实现薄的镍过渡层的制备;试样组3采用低溅射气压与长沉积时间，实现厚的镍过渡层的制备;通过调节气压与时间还可以实现其他中间厚度的镍过渡层的制备。需要说明的是，本发明在沉积过程中，对试样施加适当的射频偏压，吸引氩离子持续轰击生长中的镍过渡层，此“离子辅助沉积”效应能显著提高镍膜的致密度和与基体的初始结合力。
[0039]本发明通过调控电镀液配方与沉积参数，可以精确控制铜锡合金层的合金成分和厚度。本发明将金属镍作为过渡层，镍与铝和铜均能形成连续固溶体或稳定的金属间化合物，避免了铝-铜直接接触生成大量脆性的、高电阻的金属间化合物。锡的引入提高了梯度铜合金层的硬度和耐磨性，有利于在后续压接过程中与端子形成更稳定的接触。
[0040]本发明通过瞬间高温热处理，激发界面原子的快速互扩散。在镍与铝的界面，以及镍与铜的界面，原子相互越过原界面迁移，形成一个新的、成分呈梯度变化的扩散层。该扩散层将原本独立的铝合金基体、镍过渡层和铜锡合金层结合成一个整体，其结合力远高于传统的机械锁合或物理吸附。通过精确控制的快速热过程(快速升温与短暂保温)，既为原子扩散提供了足够的能量，又限制了扩散时间，从而避免了脆性相(如NiAl3、CuAl2)的过度生长与集中，最终形成一个成分与性能平缓过渡的界面区，有效抑制了因热膨胀系数不匹配导致的应力集中，以及因柯肯达尔效应产生的界面空洞。
[0041]本发明在460±10℃的峰值温度下保持3s，峰值保温窗口内，使得Al/Ni/Cu三种金属的界面原子发生充分的互扩散，形成微米级的冶金结合扩散层，避免了脆性相过度生长。在持续的气流保护下使工件快速冷却，将优化的界面结构保留下来。
[0042]在实际应用中，在高温下，Ni原子向Al基体扩散，Al原子也向Ni层扩散，在Ni/Al界面形成NiAl3、Ni2Al3等金属间化合物薄层，并与基体形成牢固结合。同时，Cu原子与Ni层相互扩散，形成Cu-Ni固溶体。微量的Sn元素一部分固溶于铜中，一部分可能偏聚于晶界，起到强化作用。由于温度低于Cu-Sn低共熔点，整个过程为固相扩散。最终形成一个Al/富Al的Ni-Al化合物/富Ni的Ni-Al化合物/Ni/Cu(Ni, Sn)固溶体/Cu-Sn合金的成分梯度过渡区，实现应力缓释和强冶金结合。本发明实施例2制备的梯度铜合金层的脱落拉拔力不小于52N，且随着镍过渡层厚度的增加而增加。
[0043]采用型号为Keysight 34420A的纳伏/微欧表，通过四线法对如表1所示的实施例2制备的试样组试样的梯度铜合金层区域进行直流电阻测试，两个电流夹分别夹持在梯度铜合金层区域外侧的铝合金基体部分，两个电压夹子精确夹持在梯度铜合金层区域的起始和终止位置，测试电流1A DC。每个试样组取5根试样测试，记录测试结果取平均值。以同规格铜导线作为基准电阻进行对比，测试结果见表3。
[0044]表3
[0045]本发明的梯度铜合金层提供了优良的导电通路，可以通过调控镍过渡层厚度、铜锡合金层厚度以及锡含量控制导电性。
[0046]在实际应用中，本发明的轻量化汽车线束组件及其制备方法，从根本上实现了铝-铜异种金属的可靠连接，具有以下有益技术效果：
1.实现了界面的冶金结合，显著提升合金层结合：通过“磁控溅射镍过渡层+电沉积铜锡合金层+瞬间液相扩散焊”的协同工艺，在铝合金基体与表面铜合金层之间形成了成分呈梯度变化的冶金结合界面，牢固的界面能有效抵抗车辆运行中的振动、冲击及冷热循环应力，防止连接点松弛或失效，确保了连接的长期机械可靠性。
[0047]2.实现了优异的导电性能，接近纯铜水平：由于形成了致密且电阻率较低的铜锡合金功能层以及高质量的冶金结合界面，电流传输通道顺畅，界面接触电阻极低，该连接端的导电性能已几乎与纯铜导线相当，有效避免了因连接点电阻过高而导致的异常发热和能量损耗问题。
[0048]3.工艺可控性强，关键参数精确可控，可实现性能定制：通过系统性调控溅射参数(气体压力、偏压、时间)和电镀参数(溶液浓度、电流密度、温度、时间)，可以精确控制镍过渡层与铜锡合金层的厚度与成分。这种高度的可控性使得生产工艺能够根据不同性能需求(如更侧重导电性或更侧重硬度)进行灵活优化和精准复现，保证了产品批次间的一致性与稳定性。
[0049]4.优良的后端工艺兼容性：本发明制备的铝合金导线，其连接端部最终为成分与性能优化的铜合金层。这使得它可以完全沿用现有成熟、高效的铜线压接工艺、设备和质量标准进行终端加工。无需对汽车线束后端的连接器、端子及装配线进行任何改动，极大地降低了产业链升级的技术门槛和成本，有利于该技术的快速推广与应用。
[0050]5.实现了显著的轻量化效果：以密度仅为铜三分之一的铝合金作为导体核心材料，制备出轻量化线束组件。相比传统铜线束，可实现40%-50%的减重，这对于提升电动汽车的续航里程和燃油车的能效具有直接的积极影响，契合汽车产业电动化与轻量化的核心发展方向。
[0051]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
说明书附图(1)
声明：
“轻量化汽车线束组件及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：曲靖电缆有限公司
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2026年08月06日 ~ 08日 
