Vysoká hustota a náklady na tradiční měděné dráty v automobilech přiměly průmysl, aby hledal alternativní materiály k dosažení snižování nákladů a lehkého váhy. Hliník se stal ideální náhradou mědi kvůli své dobré vodivosti, nízké hustotě a nízkým nákladům, ale má také problémy, jako je nízká pevnost a snadná oxidace. Článek se zaměřuje na rozsáhlé automobilové výkonové kabely a hluboce zkoumá technické potíže, které je třeba vyřešit při výměně mědi hliníkem, včetně vodivosti, pevnosti, tlaku, oxidace a rozdílů v koeficientů tepelné roztažnosti. Analýzou mezinárodních standardů automobilového průmyslu byla provedena studie proveditelnosti o nahrazení mědi hliníkem a bylo navrženo konkrétní technické řešení: použití 1 řady čistého hliníkového drátu s větším průřezovým oblastí, které nahradí měděný drát, po principu ekvivalentního odporu; Poskytování dvou roztoků připojení drátu a terminálu: svařování tření a ultrazvukové svařování a pomocí dvojitého zmrzačeného hadičky s dvojitou stěnou pro utěsnění. Článek poskytuje novou cestu s referenční hodnotou pro automobilové společnosti k dosažení snižování nákladů a lehkého váhy.

Postroje pro automobilové kabely jsou všude po těle automobilu. Tradiční dráty jsou vyrobeny z vysoce čisté elektrolytické mědi kované, nakreslené a zavěšené speciálními procesy. Vzhledem k vysoké hustotě mědi přesahuje celková hmotnost kabelového svazku vozidla 20 kg a náklady jsou vysoké, což podnikům přináší nákladový tlak. Za tímto účelem průmysl aktivně zkoumá alternativní materiály pro měděné dráty, aby se dosáhlo cílů snižování nákladů a lehkého váhy. Mezi běžnými materiály vodičů je hliník ideální náhradou. Má dobrou vodivost, za druhé pouze na měď mezi běžně používanými kovy a má lehké hmotnosti. Jeho hustota je asi 30% mědi a její náklady jsou pouze 20% ~ 30% mědi, ale má problémy, jako je nízká pevnost a snadná oxidace. Tento článek navrhuje referenční technické řešení pro nahrazení mědi hliníkem pro velké kabely automobilového průmyslu.

1. Technické problémy, které je třeba vyřešit při výměně mědi hliníkem

Hliník je lepší než měď v nákladech a kvalitě a stal se horkým místem pro snižování nákladů a lehký výzkum v automobilových společnostech. Hliník však nahrazující měď stále čelí určitým technickým potížím.

1) Vodivost hliníku je nižší než měď. Pokud je problém vyřešen zvýšením průřezové plochy hliníkového drátu, je třeba zvýšit specifikace hliníku o 1 ~ 2 hladiny, což zvětšuje kabelový svazek z hliníku než kabelový svazek měděného drátu. Při uspořádání postroje je třeba zvážit instalační prostor a poloměr ohybu.

2) Hliník má nízkou pevnost. Mechanická síla je pouze 1 / 3 pevnosti mědi a během krimpování je snadné být zlomený. Když auto jezdí, drátění vibruje a je snadné se rozbít, takže je třeba zvýšit sílu hliníkového drátu.

3) Hliník má významný jev tlaku v tlaku. Při přibližně 80 ℃ se creep intenzivní pod tlakem, zatímco měď musí být nad 230 ℃, aby ukázala určitý stupeň tlaku. Hlavní charakteristika tlaku v tlaku hliníku způsobí uvolnění bodu připojení se změnami teploty a časem po omezení terminálu, což ovlivňuje elektrický výkon drátu.

Technologie připojení hliníku proto vyžaduje zvláštní design, aby zajistil spolehlivý elektrický výkon v průběhu životního cyklu produktu.

4) Hliník je chemicky aktivní. Při vystavení vzduchu se snadno oxiduje a vytváří hustý a tvrdý film oxidu hliníku. Oxid hliníku má silné izolační vlastnosti a ovlivní vodivost hliníkových vodičů. Když hliník kontaktuje měděné terminály ve vlhkém a pod napětím, je snadné vytvořit galvanickou reakci, což způsobuje elektrochemickou korozi při spojení a zkoroduje hliníkový vodič. Tuto situaci je třeba se vyhnout.

5) Hliník a měď mají různé koeficienty tepelné roztažnosti. Po dlouhodobém střídání horkého a studeného se spojení snadno uvolní, což ovlivňuje spolehlivost bodu připojení.

2. Analýza proveditelnosti a technická řešení nahrazení mědi z hliníku

1) Analýza proveditelnosti

Mezinárodně existují tři hlavní standardy automobilového průmyslu: americký, japonský a evropský. S globální integrací průmyslové technologie v automobilovém průmyslu se standardy drátu různých zemí postupně přibližují k řadě mezinárodních standardů ISO. V současné době většina domácích automobilových výrobců automobilů používá vodiče mědi a sleduje mezinárodní standardy ISO 19642-5 a ISO 6722-1. Tyto dva standardy mají podobné technické požadavky na vodiče jádra mědi v automobilovém průmyslu a oba podrobně specifikují odpor, napětí a další vlastnosti vodičů. Mezi nimi má ISO 19642-5 podrobnější požadavky na výkon drátu.

Zahraniční hliníkové dráty se používají v průmyslových aplikacích po dobu nejméně 30 let. Poprvé byly použity v leteckém průmyslu a začaly se používat v automobilovém oboru na počátku 21. století. V roce 2013 byl propuštěn oficiální mezinárodní standard ISO 6722-2 pro automobilové hliníkové dráty a v roce 2019 byl propuštěn podobný ISO 19642-6. Mezinárodní standardy ISO 19642-6 a ISO 6722-2 poskytují technické požadavky na průměr vodiče, odpor, odpor izolace objemu atd. Tyto dva standardy jsou v obsahu podobné a ISO 19642-6 má podrobnější požadavky na výkon automobilových hliníkových vodičů. Návrh systému proto musí komplexně zvážit tyto dva mezinárodní standardy.

Hliníkové vodiče musí být ekvivalentní měděným vodičům a splňovat tři body: Nejprve musí zajistit, aby měli podobnou vodivost a další vlastnosti jako vyměněné měděné vodiče, což zajišťuje, že původní funkce je v zásadě udržována při výměně materiálu vodiče; za druhé, zabránit oxidovanému hliníkovému drátu; Zatřetí, dosažení spolehlivého spojení mezi hliníkovým drátem a terminálem, protože hliníkový materiál má nízkou tvrdost a může únava a rozbití po ohýbání, vinutí a vysokofrekvenční vibraci.

2) Alternativy pro vodiče elektrického vedení

Porovnání mezinárodních standardů ISO 19642-5 a ISO 6722-1 pro měděné vodiče a ISO 19642-6 a ISO 6722-2 pro hliníkové vodiče je vidět, že když je odpor podobný, hliníkový vodič potřebuje větší specifikaci, aby dosáhl vodivosti podobné vodivosti mědicího vodiče.

Evropská standardní složení slitiny z hliníku a hliníkové slitiny EN 573-3: 2003 stanoví, že slitiny hliníku a hliníku lze rozdělit do 8 série. Mezi nimi je řada 1 čistý hliníkový drát s obsahem hliníku více než 99%; Slitiny hliníku série 2 až 8 jsou nové kompozitní slitiny na bázi hliníku vyvinuté přidáním různých proporcí SI, Fe, Cu, Mg, MN, nano-koramiky a uhlíkových nanomateriálů na čistý hliník. Matice je tepelně ošetřená posilovaná slitina. Pod podmínkou zajištění určité vodivosti je maximalizována pevnost v tahu hliníkové slitiny a zároveň zajišťuje dostatečné prodloužení.

Charakteristiky čistého hliníkového drátu 1 řady jsou vysoká vodivost, dobrá tepelná vodivost, pevnost v tahu 60 ~ 110MPa a prodloužení vodiče větší než 12%. Je to nejčastěji používaný hliníkový vodič pro automobilové kabely. Tato stupeň hliníkového drátu je vhodný pro napájecí kabely s velkým průměrem.

Stručně řečeno, může být sledován princip ekvivalentního odporu, aby se nahradil měděný drát čistým hliníkovým drátem větší plochou průřezu a odpor vodičů před a po výměně je stejný nebo blízký. Například plocha průřezu původního měděného drátu je 35 mm2 a maximální odpor vodiče na jednotku délky při 20 ℃ je 0,527 mΩ / m. Specifikace hliníkového vodiče s nejbližším parametrem odporu musí být zvýšena na 60 mm2. V této době je maximální odpor vodiče na jednotku délky při 20 ℃ 0,525 mΩ / m.
3) Schéma připojení mezi dráty a terminály
① Fricket Svařování

Technologie svařování tření vznikla před více než sto lety. Používá teplo generované třením kontaktního povrchu obrobku, aby se obrobka plasticky deformovala pod tlakem, čímž se dosáhlo svařování. Tato technologie se široce používá v občanských a leteckých polích.

Zařízení řídí obrobku tak, aby generovalo hodně tepla třením, což snižuje tvrdost kovu, zlepšuje plasticitu a způsobuje, že atomy kovů rozptýlí a chladí se a krystalizují se, aby vytvořily pevný tření svařovací kloub. Současně vysokorychlostní tření ničí oxidový film na kovovém povrchu a zlepšuje vodivost svařovaného kloubu. Ve srovnání s tradičním fúzním svařováním má svařování tření následující vlastnosti: zaprvé, svařovaný kloub má vysokou pevnost, stabilní kvalitu, dobrou konzistenci složek a síla kloubu je ekvivalentní síle mateřského materiálu; Za druhé, je energeticky úsporná a šetrná k životnímu prostředí bez potřeby svařovacích tyčí a ochranných plynů, během procesu svařování se vytvářejí žádné toxické nebo škodlivé plyny a zařízení spotřebovává jen malou energii; Zatřetí, svařování tření může dosáhnout svařování odlišných materiálů, kloub nemá žádné póry ani inkluze a nedochází k elektrochemické korozi.

V tomto roztoku přijímá kompozitní terminál mědi a hliníku ve tvaru „L“ rotační třecí svařovací proces pro připojení koncové kované měděné desky a čistý hliníkový válec ocasu. Kovaná měděná deska se používá k sestavení na baterii nebo předkrm. Je vyrobena z mosazi, má vysokou pevnost, není snadné se rozbít během instalace a povrchové koncování může zmírnit elektrochemickou korozi způsobenou kontaktem mezi mosazi a tělem automobilu. Ocas čistý hliníkový válec je sloupcová dutá struktura používaná k propojení hliníkového vodiče. Poté, co je hliníkový vodič umístěn do čistého hliníkového válce speciálním vybavením, je omezen kováním zařízení. Čistý hliníkový drát a čistý hliníkový válec jsou vyrobeny ze stejného materiálu a mají stejný koeficient tepelné roztažnosti, který se může vyhnout zlomeninám únavy, když se vysoká a nízké teploty střídají v důsledku rozdílu v koeficientu tepelné roztažnosti.

The advantages of this solution are: the forged copper plate can meet the assembly requirements, and the aluminum tube connecting the aluminum wire can avoid fatigue fracture caused by the different thermal expansion coefficients of the traditional copper terminal and the aluminum conductor, which not only solves the problem of terminal installation strength, but also solves the problem of connection between the aluminum conductor and the terminal.

Poté, co je terminál připojen k hliníkovému vodiči, může být pro utěsnění použito dvojitě zmrzačené trubice s lepidlem. Trubice zmenšení tepla má izolaci, odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení. Po zahřívání speciálním zařízením se vnější stěna zmenšuje a pevné lepidlo na vnitřní stěně se roztaví do kapalného lepidla a zakrývá část koncového připojení a povrch izolační kůži drátu. Po ochlazení a tuhnutí může dosáhnout odolnosti proti utěsnění a korozi a zabránit korozi oxidace na kloubu.
Ultrasonické svařovací řešení

Od 80. let byla ultrazvuková technologie svařování kovů aplikována na svařování kabelového svazku pomocí ultrazvukové frekvenční vibrační energie k reorganizaci kovové molekulární struktury mřížky a propojení stejných nebo různých kovů. Svařovaný kloub dosahuje metalurgického spojení, aniž by roztavil rodičovský materiál, který patří k svařování pevného stavu a může se účinně vyhnout rozstřiku a oxidaci běžného svařování.

Technologie ultrazvukového svařování se široce používá při připojení vodičů a vodičů, vodičů a terminálů. Proces svařování je rychlý a procesní parametry lze během celého procesu monitorovat. Svařovaný kloub je čistě kovový konektor, který není snadno ovlivněn stárnutím, tečením a únavou. Spojení je pevné, spolehlivost je vysoká a kontaktní odpor je nízký.

Tato technologie může spojit stejné nebo odlišné materiály, jako je měď a hliník. Protože je kov přímo svařován, není vyžadován žádný další páj nebo tok. Kromě toho má ultrazvukové svařování nízké tepelné napětí na materiál a v podstatě nemění vlastnosti svařovaného materiálu a okolních materiálů. Ultrazvukové svařování má jednoduchý proces, vysokou sílu kloubů, dobrou vodivost a širokou škálu specifikací vodičů, které lze přivařit. Mohou být svařovány vodiče s průřezovou plochou 160 mm2 nebo dokonce větší. Podobně jako technologie svařování tření je technologie ultrazvuku vhodná pro připojení odlišných materiálů a forem, jako je měď a hliník, dráty a deska, a je široce používána v odvětví drátu a kabelu. Proto toto řešení používá mosazné terminály, které jsou spojeny s čistými hliníkovými vodiči prostřednictvím technologie ultrazvukového svařování, a jsou omezeny a fixovány drápy na koncích terminálů, aby se zvýšila spolehlivost spojení. Podobně lze pro utěsnění spojení použít s dvojitou zmrzlivou hadičkou tepla, aby se zabránilo oxidační korozi na kloubu.

3. shrnutí

Na základě současné situace vysokých nákladů a těžké hmotnosti měděných vodičů v automobilovém průmyslu zkoumá tento papír výkonnostní standardy mědi a hliníkových vodičů a navrhuje technické řešení pro nahrazení měděných vodičů hliníkovými dráty a poskytuje podnikům nový způsob, jak snížit náklady a snížit hmotnost.