دفعت الكثافة العالية والتكلفة للأسلاك النحاسية التقليدية في السيارات الصناعة إلى البحث عن مواد بديلة لتحقيق تخفيض التكاليف والوزن الخفيف. أصبح الألومنيوم بديلاً مثاليًا للنحاس نظرًا لحسن الموصلية والكثافة المنخفضة والتكلفة المنخفضة ، ولكنه يعاني أيضًا من مشاكل مثل القوة المنخفضة وسهولة الأكسدة. تركز المقالة على كابلات الطاقة ذات الأقسام الكبيرة ، وتستكشف بعمق الصعوبات التقنية التي تحتاج إلى حل عند استبدال النحاس بالألمنيوم ، بما في ذلك الموصلية والقوة والزحف الانضغاطي والأكسدة والاختلافات في معاملات التمدد الحراري. من خلال تحليل معايير سلك السيارات الدولية ، أجريت دراسة جدوى حول استبدال النحاس بالألومنيوم ، وتم اقتراح حل تقني محدد: استخدام سلك الألمنيوم النقي من سلسلة واحدة مع منطقة مستعرضة أكبر لاستبدال الأسلاك النحاسية ، بعد مبدأ المقاومة المكافئة ؛ توفير حلو توصيل سلكين ومحطة: اللحام بالاحتكاك واللحام بالموجات فوق الصوتية ، واستخدام أنابيب تقلص الحرارة اللاصقة ذات الجدران المزدوجة لختمها. توفر المقالة مسارًا جديدًا ذا قيمة مرجعية لشركات السيارات لتحقيق تخفيض التكاليف والوزن الخفيف.

تسخير الأسلاك السيارات في جميع أنحاء جسم السيارة. الأسلاك التقليدية مصنوعة من النحاس الكهربائي عالي النقاء مزورة ، مرسومة وتوقف من قبل عمليات خاصة. نظرًا لكثافة النحاس العالية ، يتجاوز الوزن الإجمالي لتسخير أسلاك السيارة 20 كجم وتكلفة عالية ، مما يؤدي إلى ضغط التكلفة للمؤسسات. تحقيقًا لهذه الغاية ، تستكشف الصناعة بنشاط مواد بديلة للأسلاك النحاسية لتحقيق أهداف تخفيض التكاليف والوزن الخفيف. من بين مواد الموصلات الشائعة ، يعتبر الألومنيوم بديلاً مثاليًا. لها موصلية جيدة ، والثانية فقط للنحاس بين المعادن شائعة الاستخدام ، وهي خفيفة في الوزن. تبلغ كثافتها حوالي 30 ٪ من النحاس وتكلفةها هي 20 ٪ فقط 30 ٪ من النحاس ، ولكن لديها مشاكل مثل انخفاض القوة وأكسدة سهلة. تقترح هذه المقالة حلاً فنيًا مرجعيًا لاستبدال النحاس بالألومنيوم لكابلات الطاقة ذات الأقسام الكبيرة.

1. القضايا التقنية التي يجب حلها عند استبدال النحاس بالألومنيوم

الألومنيوم متفوق على النحاس في التكلفة والجودة ، وأصبح مكانًا ساخنًا لخفض التكاليف والأبحاث الخفيفة في شركات السيارات. ومع ذلك ، لا يزال محل الألومنيوم يحل النحاس يواجه بعض الصعوبات التقنية.

1) الموصلية الألمنيوم أدنى من النحاس. إذا تم حل المشكلة عن طريق زيادة المساحة المستعرضة لأسلاك الألومنيوم ، فيجب زيادة مواصفات سلك الألمنيوم بمستوى 1 ~ 2 ، مما يجعل تسخير سلك الألمنيوم أكبر من تسخير الأسلاك النحاسية. يجب مراعاة مساحة التثبيت ونصف قطر الانحناء عند ترتيب تسخير.

2) الألومنيوم لديه قوة منخفضة. القوة الميكانيكية ليست سوى 1 / 3 من النحاس ، ومن السهل كسرها أثناء العقص. عندما تقود السيارة ، يهتز السلك ويسهل كسره ، لذلك يجب زيادة قوة سلك الألمنيوم.

3) الألومنيوم لديه ظاهرة زحف ضاغط كبيرة. في حوالي 80 ℃ ، يكثف الزحف تحت الضغط ، في حين يجب أن يكون النحاس أعلى من 230 ℃ لإظهار درجة معينة من الزحف الضغط. سوف تتسبب خصائص الزحف في الألومنيوم في تخفيف نقطة الاتصال مع تغيرات في درجة الحرارة والوقت بعد الطرفية التي يتم تجعيدها ، مما يؤثر على الأداء الكهربائي للسلك.

لذلك ، تتطلب تقنية اتصال الألومنيوم-كوبر تصميمًا خاصًا لضمان أداء كهربائي موثوق به طوال دورة حياة المنتج.

4) الألومنيوم نشط كيميائيا. يتم أكسدها بسهولة عند تعرضها للهواء ، وتشكيل فيلم أكسيد الألومنيوم كثيف وصلب. أكسيد الألومنيوم له خصائص عزل قوية وسيؤثر على توصيل أسلاك الألومنيوم. عندما يتصل الألمنيوم بأطراف النحاس في بيئة رطبة وحيوية ، يكون من السهل تشكيل رد فعل جلفاني ، مما يسبب تآكلًا كهروكيميائيًا عند الاتصال وتآكل موصل الألمنيوم. يجب تجنب هذا الموقف.

5) الألومنيوم والنحاس لديهم معاملات تمدد حراري مختلفة. بعد التناوب على المدى الطويل للساخنة والباردة ، يسهل تخفيف الاتصال ، مما يؤثر على موثوقية نقطة الاتصال.

2. تحليل القابلية والحلول التقنية للألومنيوم يحل محل النحاس

1) تحليل الجدوى

على الصعيد الدولي ، هناك ثلاثة معايير سلك السيارات الرئيسية: الأمريكية واليابانية والأوروبية. مع التكامل العالمي للتكنولوجيا الصناعية في صناعة السيارات ، تقترب معايير الأسلاك في مختلف البلدان تدريجياً من سلسلة ISO للمعايير الدولية. في الوقت الحاضر ، تستخدم معظم OEMs ذات السيارات المحلية الأسلاك الأساسية للنحاس وتتبع المعايير الدولية ISO 19642-5 و ISO 6722-1. هذين المعياران لهما متطلبات تقنية مماثلة للأسلاك الأساسية للنحاس للسيارات ، ويحدد كلاهما المقاومة ، ويتحمل الجهد والخصائص الأخرى للأسلاك بالتفصيل. من بينها ، لدى ISO 19642-5 متطلبات أكثر تفصيلاً لأداء الأسلاك.

تم استخدام أسلاك الألمنيوم الأجنبية في التطبيقات الصناعية لمدة 30 عامًا على الأقل. تم استخدامها لأول مرة في صناعة الطيران وبدأت في استخدامها في مجال السيارات في أوائل القرن الحادي والعشرين. في عام 2013 ، تم إصدار المعيار الدولي الرسمي ISO 6722-2 لأسلاك الألمنيوم للسيارات ، وفي عام 2019 ، تم إصدار ISO 19642-6 المماثل. توفر المعايير الدولية ISO 19642-6 و ISO 6722-2 متطلبات فنية لقطر الموصل ، والمقاومة ، ومقاومة حجم العزل ، وما إلى ذلك. المعايير متشابهان في المحتوى ، ويحتوي ISO 19642-6 على متطلبات أكثر تفصيلاً لأداء موصلات الألمنيوم للسيارات. لذلك ، يحتاج تصميم المخطط إلى النظر بشكل شامل في هذين المعيارين الدوليين.

يجب أن تكون موصلات الألومنيوم مكافئة للموصلات النحاسية وتلبية ثلاث نقاط: أولاً ، يجب عليهم التأكد من أن لديهم موصلية متشابهة وخصائص أخرى للموصلات النحاسية المستبدلة ، مما يضمن الحفاظ على وظيفة الدائرة الأصلية أثناء استبدال مادة الموصل ؛ ثانياً ، منع سلك الألمنيوم من أكسدة ؛ ثالثًا ، حقق اتصالًا موثوقًا به بين سلك الألمنيوم والمحطة ، لأن مادة الألومنيوم لها صلابة منخفضة وقد تعب وتتكسر بعد الانحناء والتعرج والاهتزاز عالي التردد.

2) بدائل لموصلات خط الطاقة

مقارنة بالمعايير الدولية ISO 19642-5 و ISO 6722-1 بالنسبة للموصلات النحاسية ، و ISO 19642-6 و ISO 6722-2 بالنسبة لموصلات الألمنيوم ، يمكن أن نرى أنه عندما تكون المقاومة متشابهة ، يحتاج موصل الألمنيوم إلى مواصفات أكبر لتحقيق موصلة مماثلة لتلك من موصل النحاس.

ينص المعيار الأوروبي للألومنيوم والألومنيوم على قياسية EN 573-3: 2003 إلى أن سبائك الألومنيوم والألمنيوم يمكن تقسيمها إلى سلسلة 8. من بينها ، السلسلة 1 هي سلك الألمنيوم النقي مع محتوى الألومنيوم يزيد عن 99 ٪ ؛ من بين سبائك الألومنيوم من 2 إلى 8 عبارة عن سبائك مركبة جديدة قائمة على الألومنيوم تم تطويرها عن طريق إضافة نسب مختلفة من Si و Fe و Cu و Mg و Mn و Nano-ceramics ومواد نانومانية من الكربون إلى الألمنيوم النقي. المصفوفة هي سبيكة معالجة بالحرارة. في ظل حالة ضمان بعض الموصلية ، يتم تعظيم قوة الشد لسبائك الألومنيوم ، مع ضمان استطالة كافية.

خصائص سلك الألمنيوم النقي 1 سلسلة هي الموصلية العالية ، والتوصيل الحراري الجيد ، وقوة الشد من 60 إلى 110 ميجا باسا ، واستطالة الموصل أكبر من 12 ٪. إنه موصل الألمنيوم الأكثر استخدامًا لكابلات السيارات. هذه الدرجة من سلك الألمنيوم مناسب لأسلاك الطاقة ذات القطر الكبير.

باختصار ، يمكن اتباع مبدأ المقاومة المكافئة لاستبدال الأسلاك النحاسية بأسلاك من الألومنيوم النقي بمساحة مستعرضة أكبر ، ومقاومة الأسلاك قبل وبعد الاستبدال هي نفسها أو قريبة. على سبيل المثال ، تبلغ مساحة المقطع العرضي للسلك النحاسي الأصلي 35 مم 2 ، والحد الأقصى لمقاومة الموصل لكل وحدة طول عند 20 ℃ هي 0.527mΩ / m. يجب زيادة مواصفات موصل الألومنيوم مع أقرب معلمة مقاومة إلى 60 مم 2. في هذا الوقت ، فإن الحد الأقصى لمقاومة الموصل لكل وحدة طول عند 20 ℃ هو 0.525mΩ / م.
3) مخطط الاتصال بين الأسلاك والمحطات
حل لحام Friction

نشأت تقنية اللحام الاحتكاك منذ أكثر من مائة عام. يستخدم الحرارة الناتجة عن احتكاك سطح التلامس الشغل لجعل قطعة الشغل متشتتة في ظل الضغط ، وبالتالي تحقيق اللحام. تستخدم هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في الحقول المدنية والفضائية.

تعمل الجهاز على قيادة الشغل لتوليد الكثير من الحرارة عن طريق الاحتكاك ، مما يقلل من صلابة المعدن ، ويحسن اللدونة ، ويجعل ذرات المعادن تنتشر وتبرد وتبلور بعضها البعض لتشكيل مفصل لحام الاحتكاك الثابت. في الوقت نفسه ، يدمر الاحتكاك عالي السرعة فيلم الأكسيد على سطح المعدن ويحسن توصيل المفصل الملحوم. بالمقارنة مع لحام الانصهار التقليدي ، فإن لحام الاحتكاك له الخصائص التالية: أولاً ، يتمتع المفصل الملحوم بقوة عالية ، وجودة مستقرة ، واتساق مكون جيد ، وقوة المفصل تعادل قوة المادة الأصل ؛ ثانياً ، إنه توفير للطاقة وصديق للبيئة ، دون الحاجة إلى قضبان اللحام والغازات الواقية ، ولا يتم إنشاء الغازات السامة أو الضارة أثناء عملية اللحام ، ولا تستهلك المعدات طاقة ضئيلة ؛ ثالثًا ، يمكن لحام الاحتكاك تحقيق لحام المواد المتباينة ، ولا يحتوي المفصل على مسام أو شوائب ، ولا يحدث أي تآكل كهروكيميائي.

في هذا الحل ، تتبنى محطة "L" النحاسية المصنوعة من الألومنيوم المركب عملية لحام الاحتكاك الدوار لربط لوحة النحاس المزورة المطلة واسطوانة الألومنيوم النقية. يتم استخدام لوحة النحاس المزورة لتجميعها إلى البطارية أو بداية. إنه مصنوع من النحاس ، وله قوة عالية ، وليس من السهل كسره أثناء التثبيت ، ويمكن أن يخفف الصغار السطحي من التآكل الكهروكيميائي الناجم عن التلامس بين النحاس وجسم السيارة. أسطوانة الألومنيوم النقية الذيل هو بنية مجوفة عمودية تستخدم لتوصيل موصل الألومنيوم. بعد وضع موصل الألومنيوم في أسطوانة الألومنيوم النقي بواسطة معدات خاصة ، يتم تجنيده عن طريق تزوير المعدات. مصنوعة من سلك الألمنيوم النقي واسطوانة الألومنيوم النقية من نفس المادة ولديها نفس معامل التمدد الحراري ، والتي يمكن أن تتجنب كسر التعب عندما تتناوب درجات الحرارة العالية والمنخفضة بسبب الفرق في معامل التمدد الحراري.

مزايا هذا الحل هي: يمكن للوحة النحاس المزورة تلبية متطلبات التجميع ، ويمكن أن يتجنب أنبوب الألومنيوم الذي يربط سلك الألمنيوم كسر التعب الناجم عن مختلف معاملات التوسع الحراري ، ولكن أيضًا يحل مشكلة التوصيل بين التوصيل بينومينوم.

بعد توصيل المحطة بموصل الألمنيوم ، يمكن استخدام أنبوب تقلص الحرارة مزدوج الجدران مع الغراء للختم. أنبوب تقلص الحرارة لديه عزل ومقاومة للتآكل ومقاومة ارتداء. بعد تسخينها بواسطة معدات خاصة ، يتقلص الجدار الخارجي ، ويذوب الغراء الصلب على الجدار الداخلي في الغراء السائل ، ويغطي جزء الاتصال الطرفي وسطح الجلد العزل. بعد التبريد والتصلب ، يمكن أن يحقق مقاومة الختم والتآكل ، ومنع تآكل الأكسدة في المفصل.
حل اللحام ②ultrasonic

منذ الثمانينيات من القرن الماضي ، تم تطبيق تقنية اللحام المعدنية بالموجات فوق الصوتية على لحام تسخير الأسلاك ، باستخدام طاقة اهتزاز التردد بالموجات فوق الصوتية لإعادة تنظيم بنية الشبكة الجزيئية المعدنية وتوصيل نفس المعادن أو مختلفة. يحقق المفصل الملحوم الترابط المعدني دون ذوبان المادة الأصل ، التي تنتمي إلى اللحام بالدولة الصلبة ويمكن أن تجنب بشكل فعال انتشار وأكسدة اللحام العادي.

تستخدم تقنية اللحام بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في اتصال الأسلاك والأسلاك والأسلاك والأطراف. عملية اللحام سريعة ويمكن مراقبة معلمات العملية طوال العملية. المفصل الملحوم هو موصل معدني نقي ، لا يتأثر بسهولة بالشيخوخة والزحف والتعب. الاتصال ثابت ، والموثوقية عالية ، ومقاومة التلامس منخفضة.

يمكن لهذه التكنولوجيا توصيل المواد نفسها أو مختلفة ، مثل النحاس والألومنيوم. نظرًا لأن المعدن ملحومة مباشرة ، لا يلزم لحام أو تدفق إضافي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن اللحام بالموجات فوق الصوتية له إجهاد حراري منخفض على المادة ولا يغير بشكل أساسي خصائص المواد الملحومة والمواد المحيطة. يتمتع اللحام بالموجات فوق الصوتية بعملية بسيطة ، وقوة عالية من المفصل ، وحسن التوصيل ، ومجموعة واسعة من مواصفات الموصل التي يمكن اللحام بها. يمكن لحام الموصلات ذات مساحة مستعرضة تبلغ 160 مم 2 أو أكبر. على غرار تقنية اللحام الاحتكاك ، فإن تقنية اللحام بالموجات فوق الصوتية مناسبة لتوصيل المواد والأشكال المختلفة ، مثل النحاس والألمنيوم والأسلاك واللوحة ، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة الأسلاك والكابلات. لذلك ، يستخدم هذا الحل المحطات النحاسية ، التي ترتبط بموصلات الألمنيوم النقية من خلال تقنية اللحام بالموجات فوق الصوتية ، وهي مجعد وتثبت مع مخالب في نهايات المحطات لتعزيز موثوقية الاتصال. وبالمثل ، يمكن استخدام أنابيب تقلص الحرارة اللاصقة ذات الجدران المزدوجة لإغلاق الاتصال لمنع تآكل الأكسدة في المفصل.

3. ملخص

استنادًا إلى الوضع الحالي المتمثل في التكلفة العالية والوزن الثقيل لأسلاك النحاس السيارات ، تدرس هذه الورقة معايير الأداء للأسلاك النحاسية والألمنيوم ، وتقترح حلاً فنيًا لاستبدال الأسلاك النحاسية بأسلاك الألومنيوم ، مما يوفر طريقة جديدة للمؤسسات لتقليل التكاليف وتقليل الوزن.