Η υψηλή πυκνότητα και το κόστος των παραδοσιακών καλωδίων χαλκού στα αυτοκίνητα οδήγησαν τη βιομηχανία να αναζητήσει εναλλακτικά υλικά για την επίτευξη μείωσης του κόστους και ελαφριά. Το αλουμίνιο έχει γίνει ένα ιδανικό υποκατάστατο του χαλκού λόγω της καλής αγωγιμότητας, της χαμηλής πυκνότητας και του χαμηλού κόστους, αλλά έχει επίσης προβλήματα όπως η χαμηλή αντοχή και η εύκολη οξείδωση. Το άρθρο επικεντρώνεται σε καλώδια αυτοκινήτων μεγάλου τμήματος και διερευνά βαθιά τις τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να λυθούν κατά την αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο, συμπεριλαμβανομένης της αγωγιμότητας, της αντοχής, της συμπιεστικής ερπυσμού, της οξείδωσης και των διαφορών σε συντελεστές θερμικής διαστολής. Αναλύοντας τα διεθνή πρότυπα καλωδίων αυτοκινήτων, διεξήχθη μια μελέτη σκοπιμότητας σχετικά με την αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο και προτάθηκε μια συγκεκριμένη τεχνική λύση: χρησιμοποιώντας 1 σειρές καθαρού καλωδίου αλουμινίου με μεγαλύτερη διατομή για να αντικατασταθεί το καλώδιο χαλκού, ακολουθώντας την αρχή της ισοδύναμης αντίστασης. Παρέχοντας δύο λύσεις σύνδεσης καλωδίων και τερματικών: συγκόλληση τριβής και συγκόλληση υπερήχων και με τη χρήση σωληνώσεων συγκολλητικής συγκόλλησης με διπλά τοιχώματα για σφράγιση. Το άρθρο παρέχει μια νέα διαδρομή με αξία αναφοράς για τις εταιρείες αυτοκινήτων για την επίτευξη μείωσης του κόστους και ελαφριά.

Οι καλωδιώσεις αυτοκινήτων βρίσκονται σε όλο το σώμα του αυτοκινήτου. Τα παραδοσιακά καλώδια είναι κατασκευασμένα από ηλεκτρολυτικό χαλκό υψηλής καθαρότητας σφυρήλατο, σχεδιασμένο και αρθρωμένο από ειδικές διεργασίες. Λόγω της υψηλής πυκνότητας του χαλκού, το συνολικό βάρος της πλεξούδας καλωδίωσης του οχήματος υπερβαίνει τα 20kg και το κόστος είναι υψηλό, γεγονός που φέρνει την πίεση κόστους στις επιχειρήσεις. Για το σκοπό αυτό, η βιομηχανία διερευνά ενεργά εναλλακτικά υλικά για καλώδια χαλκού για να επιτύχει τους στόχους της μείωσης του κόστους και της ελαφριάς βαρύτητας. Μεταξύ των κοινών αγωγών, το αλουμίνιο είναι ένα ιδανικό υποκατάστατο. Έχει καλή αγωγιμότητα, δεύτερη μόνο στον χαλκό μεταξύ των κοινώς χρησιμοποιούμενων μετάλλων, και είναι ελαφρύ στο βάρος. Η πυκνότητα του είναι περίπου το 30% του χαλκού και το κόστος του είναι μόνο 20% ~ 30% του χαλκού, αλλά έχει προβλήματα όπως η χαμηλή αντοχή και η εύκολη οξείδωση. Αυτό το άρθρο προτείνει μια τεχνική λύση αναφοράς για την αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο για καλώδια αυτοκινήτου μεγάλου τμήματος.

1. Τεχνικά ζητήματα που πρέπει να λυθούν κατά την αντικατάσταση του χαλκού με αλουμίνιο

Το αλουμίνιο είναι ανώτερο από το χαλκό σε κόστος και ποιότητα και έχει γίνει ένα καυτό σημείο για τη μείωση του κόστους και την ελαφριά έρευνα σε αυτοκινητοβιομηχανίες. Ωστόσο, το αλουμίνιο που αντικαθιστά τον χαλκό εξακολουθεί να αντιμετωπίζει κάποιες τεχνικές δυσκολίες.

1) Η αγωγιμότητα του αλουμινίου είναι κατώτερη από τον χαλκό. Εάν το πρόβλημα επιλύεται αυξάνοντας την περιοχή διατομής του καλωδίου αλουμινίου, η προδιαγραφή καλωδίου αλουμινίου πρέπει να αυξηθεί κατά 1 ~ 2 επίπεδα, γεγονός που θα κάνει την πλεξούδα καλωδίου αλουμινίου μεγαλύτερη από την πλεξούδα καλωδίου χαλκού. Ο χώρος εγκατάστασης και η ακτίνα κάμψης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την οργάνωση της πλεξούδας.

2) Το αλουμίνιο έχει χαμηλή αντοχή. Η μηχανική αντοχή είναι μόνο 1 / 3 του χαλκού και είναι εύκολο να σπάσει κατά τη διάρκεια της πρεσβείας. Όταν το αυτοκίνητο οδηγεί, το σύρμα δονείται και είναι εύκολο να σπάσει, οπότε η δύναμη του καλωδίου αλουμινίου πρέπει να αυξηθεί.

3) Το αλουμίνιο έχει σημαντικό φαινόμενο ερπυσμού συμπίεσης. Σε περίπου 80 ℃, ο ερπυσμός εντείνεται υπό πίεση, ενώ ο χαλκός πρέπει να είναι πάνω από 230 ℃ για να δείξει ένα ορισμένο βαθμό συμπιεστικής ερπυσμού. Τα χαρακτηριστικά της θλίψης του αλουμινίου θα προκαλέσουν χαλάρωση του σημείου σύνδεσης με αλλαγές θερμοκρασίας και χρόνο μετά την αίσθηση του τερματικού, επηρεάζοντας την ηλεκτρική απόδοση του καλωδίου.

Ως εκ τούτου, η τεχνολογία σύνδεσης αλουμινίου-copper απαιτεί ειδικό σχεδιασμό για να εξασφαλιστεί αξιόπιστη ηλεκτρική απόδοση σε όλο τον κύκλο ζωής του προϊόντος.

4) Το αλουμίνιο είναι χημικά ενεργό. Είναι εύκολα οξειδωμένο όταν εκτίθεται στον αέρα, σχηματίζοντας μια πυκνή και σκληρή μεμβράνη οξειδίου του αλουμινίου. Το οξείδιο του αλουμινίου έχει ισχυρές ιδιότητες μόνωσης και θα επηρεάσει την αγωγιμότητα των καλωδίων αλουμινίου. Όταν το αλουμίνιο έρχεται σε επαφή με ακροδέκτες χαλκού σε ένα υγρό και ενεργοποιημένο περιβάλλον, είναι εύκολο να σχηματιστεί μια γαλβανική αντίδραση, προκαλώντας ηλεκτροχημική διάβρωση στη σύνδεση και διαβρώντας τον αγωγό αλουμινίου. Αυτή η κατάσταση πρέπει να αποφεύγεται.

5) Το αλουμίνιο και ο χαλκός έχουν διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Μετά από μακροπρόθεσμη εναλλαγή του καυτού και του κρύου, η σύνδεση είναι εύκολη να χαλαρώσει, επηρεάζοντας την αξιοπιστία του σημείου σύνδεσης.

2. Ανάλυση επιπέδου και τεχνικές λύσεις του χαλκού αντικατάστασης αλουμινίου

1) Ανάλυση σκοπιμότητας

Σε διεθνές επίπεδο, υπάρχουν τρία κύρια πρότυπα καλωδίων αυτοκινήτων: αμερικανικά, ιαπωνικά και ευρωπαϊκά. Με την παγκόσμια ενσωμάτωση της βιομηχανικής τεχνολογίας στην αυτοκινητοβιομηχανία, τα πρότυπα καλωδίων διαφόρων χωρών κινούνται σταδιακά πιο κοντά στη σειρά ISO των διεθνών προτύπων. Προς το παρόν, οι περισσότεροι οικιακοί ΚΑΕ αυτοκινήτων χρησιμοποιούν καλώδια πυρήνα χαλκού και ακολουθούν τα διεθνή πρότυπα ISO 19642-5 και ISO 6722-1. Αυτά τα δύο πρότυπα έχουν παρόμοιες τεχνικές απαιτήσεις για καλώδια πυρήνα χαλκού αυτοκινήτων και τα δύο καθορίζουν την αντίσταση, αντισταθμίζουν την τάση και άλλα χαρακτηριστικά των καλωδίων λεπτομερώς. Μεταξύ αυτών, το ISO 19642-5 έχει πιο λεπτομερείς απαιτήσεις για την απόδοση των καλωδίων.

Τα ξένα καλώδια αλουμινίου έχουν χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανικές εφαρμογές για τουλάχιστον 30 χρόνια. Χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στην αεροπορική βιομηχανία και άρχισαν να χρησιμοποιούνται στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας στις αρχές του 21ου αιώνα. Το 2013 κυκλοφόρησε το επίσημο διεθνές πρότυπο ISO 6722-2 για τα καλώδια αλουμινίου αυτοκινήτων και το 2019 κυκλοφόρησε το παρόμοιο ISO 19642-6. Τα διεθνή πρότυπα ISO 19642-6 και ISO 6722-2 παρέχουν τεχνικές απαιτήσεις για τη διάμετρο του αγωγού, την αντίσταση, την αντίσταση όγκου μόνωσης κλπ. Τα δύο πρότυπα είναι παρόμοια σε περιεχόμενο και το ISO 19642-6 έχει πιο λεπτομερείς απαιτήσεις για την απόδοση των αγωγών αλουμινίου αυτοκινήτων. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός του σχεδίου πρέπει να εξετάσει διεξοδικά αυτά τα δύο διεθνή πρότυπα.

Οι αγωγοί αλουμινίου πρέπει να είναι ισοδύναμοι με τους αγωγούς χαλκού και να πληρούν τρία σημεία: πρώτον, πρέπει να διασφαλίσουν ότι έχουν παρόμοια αγωγιμότητα και άλλες ιδιότητες στους αντικατασταθέντες αγωγούς χαλκού, εξασφαλίζοντας ότι η αρχική λειτουργία του κυκλώματος διατηρείται βασικά κατά την αντικατάσταση του υλικού του αγωγού. Δεύτερον, αποτρέψτε το οξειδωμένο καλώδιο αλουμινίου. Τρίτον, επιτύχετε μια αξιόπιστη σύνδεση μεταξύ του καλωδίου αλουμινίου και του τερματικού, επειδή το υλικό αλουμινίου έχει χαμηλή σκληρότητα και μπορεί να κόπηκε και να σπάσει μετά από κάμψη, περιέλιξη και δόνηση υψηλής συχνότητας.

2) Εναλλακτικές λύσεις για αγωγούς γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας

Συγκρίνοντας τα διεθνή πρότυπα ISO 19642-5 και ISO 6722-1 για τους αγωγούς χαλκού και το ISO 19642-6 και το ISO 6722-2 για τους αγωγούς αλουμινίου, μπορεί να φανεί ότι όταν η αντίσταση είναι παρόμοια, ο αγωγός αλουμινίου χρειάζεται μεγαλύτερη προδιαγραφή για να επιτευχθεί αγωγιμότητα παρόμοια με εκείνη του αγωγού χαλκού.

Το ευρωπαϊκό πρότυπο σύνθεσης αλουμινίου και κράματος αλουμινίου EN 573-3: 2003 ορίζει ότι τα κράματα αλουμινίου και αλουμινίου μπορούν να χωριστούν σε 8 σειρές. Μεταξύ αυτών, η σειρά 1 είναι καθαρό σύρμα αλουμινίου με περιεκτικότητα σε αλουμίνιο άνω του 99%. Τα κράματα της σειράς 2 έως 8 αλουμινίου είναι νέα σύνθετα κράματα με βάση το αλουμίνιο που αναπτύχθηκαν προσθέτοντας διαφορετικές αναλογίες Si, Fe, Cu, Mg, MN, νανο-κεραμικών και νανοϋλικών άνθρακα σε καθαρό αλουμίνιο. Το Matrix είναι ένα ενισχυμένο κράμα που υποβλήθηκε σε θεραπεία με θερμότητα. Υπό την προϋπόθεση της εξασφάλισης ορισμένης αγωγιμότητας, η αντοχή εφελκυσμού του κράματος αλουμινίου μεγιστοποιείται, εξασφαλίζοντας παράλληλα επαρκή επιμήκυνση.

Τα χαρακτηριστικά του καθαρού καλωδίου αλουμινίου 1 σειράς είναι η υψηλή αγωγιμότητα, η καλή θερμική αγωγιμότητα, η αντοχή σε εφελκυσμό των 60 ~ 110MPa και η επιμήκυνση του αγωγού μεγαλύτερη από 12%. Είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος αγωγός αλουμινίου για καλώδια αυτοκινήτων. Αυτός ο βαθμός καλωδίου αλουμινίου είναι κατάλληλος για καλώδια τροφοδοσίας μεγάλης διαμέτρου.

Συνοπτικά, η αρχή της ισοδύναμης αντίστασης μπορεί να ακολουθηθεί για να αντικατασταθεί το καλώδιο χαλκού με καθαρό καλώδιο αλουμινίου με μεγαλύτερη επιφάνεια διατομής και η αντίσταση των καλωδίων πριν και μετά την αντικατάσταση είναι η ίδια ή κοντά. Για παράδειγμα, η περιοχή εγκάρσιας τομής του αρχικού καλωδίου χαλκού είναι 35mm2 και η μέγιστη αντίσταση του αγωγού ανά μονάδα μήκους στα 20 ℃ είναι 0.527mΩ / m. Η προδιαγραφή αγωγού αλουμινίου με την πλησιέστερη παράμετρο αντίστασης πρέπει να αυξηθεί στα 60mm2. Αυτή τη στιγμή, η μέγιστη αντίσταση του αγωγού ανά μήκος μονάδας στα 20 ℃ είναι 0.525mΩ / m.
3) Σχέδιο σύνδεσης μεταξύ καλωδίων και τερματικών
Λύση συγκόλλησης

Η τεχνολογία συγκόλλησης τριβής προήλθε πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια. Χρησιμοποιεί τη θερμότητα που παράγεται από την τριβή της επιφάνειας επαφής του τεμαχίου για να καταστήσει το τεμάχιο εργασίας πλαστικά παραμορφωμένο υπό πίεση, επιτυγχάνοντας έτσι τη συγκόλληση. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται ευρέως στους αστικούς και αεροδιαστημικούς τομείς.

Ο εξοπλισμός οδηγεί το τεμάχιο εργασίας για να παράγει πολλή θερμότητα με τριβή, η οποία μειώνει τη σκληρότητα του μετάλλου, βελτιώνει την πλαστικότητα και κάνει τα άτομα να διαχέονται και να κρυσταλλώνουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια σταθερή άρθρωση συγκόλλησης τριβής. Ταυτόχρονα, η τριβή υψηλής ταχύτητας καταστρέφει την μεμβράνη οξειδίου στην μεταλλική επιφάνεια και βελτιώνει την αγωγιμότητα της συγκολλημένης άρθρωσης. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή συγκόλληση σύντηξης, η συγκόλληση τριβής έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Πρώτον, η συγκολλημένη άρθρωση έχει υψηλή αντοχή, σταθερή ποιότητα, καλή συνέπεια των συστατικών και η δύναμη της άρθρωσης είναι ισοδύναμη με εκείνη του γονικού υλικού. Δεύτερον, είναι φιλική προς την εξοικονόμηση ενέργειας και φιλικό προς το περιβάλλον, χωρίς την ανάγκη για ράβδους συγκόλλησης και προστατευτικά αέρια, δεν παράγονται τοξικά ή επιβλαβή αέρια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης και ο εξοπλισμός καταναλώνει μικρή ισχύ. Τρίτον, η συγκόλληση τριβής μπορεί να επιτύχει τη συγκόλληση ανόμοιων υλικών, η άρθρωση δεν έχει πόρους ή εγκλείσματα και δεν συμβαίνει ηλεκτροχημική διάβρωση.

Σε αυτό το διάλυμα, το σύνθετο ακροδέκτη "L"-σχήματος-κλιμακωτή υιοθετεί μια διαδικασία συγκόλλησης περιστροφικής τριβής για να συνδέσει το άκρο σφυρήλατο πλάκα χαλκού και τον καθαρό αλουμινένιο κύλινδρο ουράς. Η πλαστή πλάκα χαλκού χρησιμοποιείται για τη συναρμολόγηση της μπαταρίας ή του εκκινητή. Είναι κατασκευασμένο από ορείχαλκο, έχει υψηλή αντοχή, δεν είναι εύκολο να σπάσει κατά τη διάρκεια της εγκατάστασης και η επιφανειακή κλάδος μπορεί να ανακουφίσει την ηλεκτροχημική διάβρωση που προκαλείται από την επαφή μεταξύ του ορείχαλκου και του σώματος του αυτοκινήτου. Ο κύλινδρος καθαρού αλουμινίου ουράς είναι μια στήλη κοίλη δομή που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση του αγωγού αλουμινίου. Αφού τοποθετηθεί ο αγωγός αλουμινίου στον κύλινδρο καθαρού αλουμινίου με ειδικό εξοπλισμό, είναι πορφυρό με εξοπλισμό σφυρηλάτησης. Το καθαρό καλώδιο αλουμινίου και ο καθαρός κύλινδρος αλουμινίου είναι κατασκευασμένα από το ίδιο υλικό και έχουν τον ίδιο συντελεστή θερμικής διαστολής, ο οποίος μπορεί να αποφύγει το κάταγμα κόπωσης όταν εναλλάσσονται υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες λόγω της διαφοράς του συντελεστή θερμικής διαστολής.

Τα πλεονεκτήματα αυτού του διαλύματος είναι: η σφυρήλατη πλάκα χαλκού μπορεί να πληροί τις απαιτήσεις συναρμολόγησης και ο σωλήνας αλουμινίου που συνδέει το καλώδιο αλουμινίου μπορεί να αποφύγει το πρόβλημα της σύνδεσης που προκαλείται από τους διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής του παραδοσιακού ακροδέκτη χαλκού και του αγωγού αλουμινίου, ο οποίος όχι μόνο επιλύει το πρόβλημα της αντοχής της τερματικής εγκατάστασης αλλά και το πρόβλημα της σύνδεσης μεταξύ του αγωγού αλουμινίου και του τερματικού.

Αφού συνδεθεί ο τερματικός σταθμός με τον αγωγό αλουμινίου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας σωλήνας με διπλά τοιχώματα με κόλλα για σφράγιση. Ο σωλήνας συρρίκνωσης θερμότητας έχει μόνωση, αντίσταση στη διάβρωση και αντίσταση στη φθορά. Αφού θερμαίνεται με ειδικό εξοπλισμό, ο εξωτερικός τοίχος συρρικνώνεται και η στερεή κόλλα στο εσωτερικό τοίχωμα λιώνει σε υγρή κόλλα, καλύπτοντας το τμήμα τερματικού σύνδεσης και την επιφάνεια του δέρματος μόνωσης καλωδίων. Μετά την ψύξη και τη στερεοποίηση, μπορεί να επιτύχει τη σφράγιση και την αντοχή στη διάβρωση και να αποτρέψει τη διάβρωση οξείδωσης στην άρθρωση.
②ultrasonic λύση συγκόλλησης

Από τη δεκαετία του 1980, η τεχνολογία συγκόλλησης υπερήχων μετάλλων έχει εφαρμοστεί στη συγκόλληση καλωδίων, χρησιμοποιώντας ενέργεια κραδασμών υπερήχων για την αναδιοργάνωση της μεταλλικής δομής μοριακού πλέγματος και τη σύνδεση των ίδιων ή διαφορετικών μετάλλων. Η συγκολλημένη άρθρωση επιτυγχάνει μεταλλουργική σύνδεση χωρίς να λιώνει το μητρικό υλικό, το οποίο ανήκει στη συγκόλληση στερεάς κατάστασης και μπορεί να αποφύγει αποτελεσματικά την εκτόξευση και την οξείδωση της συνηθισμένης συγκόλλησης.

Η τεχνολογία υπερηχητικής συγκόλλησης χρησιμοποιείται ευρέως στη σύνδεση των καλωδίων και των καλωδίων, των καλωδίων και των τερματικών. Η διαδικασία συγκόλλησης είναι γρήγορη και οι παράμετροι της διαδικασίας μπορούν να παρακολουθούνται σε όλη τη διαδικασία. Ο συγκολλημένος σύνδεσμος είναι ένας καθαρός μεταλλικός σύνδεσμος, ο οποίος δεν επηρεάζεται εύκολα από τη γήρανση, την ερπυσμό και την κόπωση. Η σύνδεση είναι σταθερή, η αξιοπιστία είναι υψηλή και η αντίσταση επαφής είναι χαμηλή.

Αυτή η τεχνολογία μπορεί να συνδέσει τα ίδια ή διαφορετικά υλικά, όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο. Δεδομένου ότι το μέταλλο είναι άμεσα συγκολλημένο, δεν απαιτείται πρόσθετη συγκόλληση ή ροή. Επιπλέον, η υπερηχητική συγκόλληση έχει χαμηλή θερμική τάση στο υλικό και βασικά δεν αλλάζει τις ιδιότητες του συγκολλημένου υλικού και των γύρω υλικών. Η υπερηχητική συγκόλληση έχει μια απλή διαδικασία, υψηλή αντοχή στην άρθρωση, καλή αγωγιμότητα και ένα ευρύ φάσμα προδιαγραφών αγωγού που μπορούν να συγκολληθούν. Οι αγωγοί με μια διατομεακή περιοχή 160mm2 ή ακόμα και μεγαλύτερες μπορούν να συγκολληθούν. Παρόμοια με την τεχνολογία συγκόλλησης τριβής, η τεχνολογία υπερηχητικής συγκόλλησης είναι κατάλληλη για τη σύνδεση ανόμοιων υλικών και μορφών, όπως χαλκό και αλουμίνιο, σύρμα και πλάκα, και χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία καλωδίων και καλωδίων. Ως εκ τούτου, αυτή η λύση χρησιμοποιεί τερματικά ορείχαλκου, τα οποία συνδέονται με καθαρούς αγωγούς αλουμινίου μέσω υπερηχητικής τεχνολογίας συγκόλλησης, και έχουν εγκριθεί και σταθεροποιηθεί με νύχια στα άκρα των τερματικών για την ενίσχυση της αξιοπιστίας της σύνδεσης. Παρομοίως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σωληνώσεις συγκολλητικής συγκόλλησης με διπλά τοιχώματα για να σφραγίσουν τη σύνδεση για να αποφευχθεί η διάβρωση οξείδωσης στην άρθρωση.

3. Περίληψη

Με βάση την τρέχουσα κατάσταση του υψηλού κόστους και το βαρύ βάρος των καλωδίων χαλκού αυτοκινήτων, το παρόν έγγραφο μελετά τα πρότυπα απόδοσης των καλωδίων χαλκού και αλουμινίου και προτείνει μια τεχνική λύση για την αντικατάσταση των καλωδίων χαλκού με καλώδια αλουμινίου, παρέχοντας έναν νέο τρόπο για τις επιχειρήσεις να μειώσουν το κόστος και να μειώσουν το βάρος.