La alta densidad y el costo de los cables de cobre tradicionales en los automóviles han llevado a la industria a buscar materiales alternativos para lograr la reducción de costos y el peso ligero. El aluminio se ha convertido en un sustituto ideal para el cobre debido a su buena conductividad, baja densidad y bajo costo, pero también tiene problemas como baja resistencia y fácil oxidación. El artículo se centra en los cables de potencia automotriz de la sección grande, y explora profundamente las dificultades técnicas que deben resolverse al reemplazar el cobre con aluminio, incluida conductividad, resistencia, fluencia compresiva, oxidación y diferencias en los coeficientes de expansión térmica. Al analizar los estándares internacionales de alambre automotriz, se realizó un estudio de factibilidad sobre el reemplazo de cobre con aluminio, y se propuso una solución técnica específica: utilizando un cable de aluminio puro de 1 serie con un área de sección transversal más grande para reemplazar el cable de cobre, siguiendo el principio de resistencia equivalente; Proporcionando dos soluciones de conexión de alambre y terminal: soldadura por fricción y soldadura ultrasónica, y utilizando tubos de retroceso adhesivo de doble pared para el sellado. El artículo proporciona una nueva ruta con valor de referencia para que las empresas automotrices logren la reducción de costos y el peso ligero.

Los arneses de cableado automotriz están en todo el cuerpo del automóvil. Los cables tradicionales están hechos de cobre electrolítico de alta pureza forjado, dibujado y articulado por procesos especiales. Debido a la alta densidad de cobre, el peso total del arnés de cableado del vehículo supera los 20 kg y el costo es alto, lo que provoca una presión de costo a las empresas. Con este fin, la industria está explorando activamente materiales alternativos para los cables de cobre para lograr los objetivos de reducción de costos y peso ligero. Entre los materiales de conductores comunes, el aluminio es un sustituto ideal. Tiene buena conductividad, solo superada por el cobre entre los metales de uso común, y tiene un peso ligero. Su densidad es de aproximadamente el 30% de cobre y su costo es solo del 20% ~ 30% de cobre, pero tiene problemas como baja resistencia y oxidación fácil. Este artículo propone una solución técnica de referencia para reemplazar el cobre con aluminio para cables de alimentación automotriz de sección grande.

1. Problemas técnicos que deben resolverse al reemplazar el cobre con aluminio

El aluminio es superior al cobre en costo y calidad, y se ha convertido en un punto de acceso para la reducción de costos e investigación ligera en empresas de automóviles. Sin embargo, el aluminio que reemplazar el cobre todavía enfrenta algunas dificultades técnicas.

1) La conductividad del aluminio es inferior al cobre. Si el problema se resuelve aumentando el área de sección transversal del alambre de aluminio, la especificación de alambre de aluminio debe aumentar en 1 ~ 2 niveles, lo que hará que el arnés de alambre de aluminio sea más grande que el arnés de alambre de cobre. El espacio de instalación y el radio de flexión deben considerarse al organizar el arnés.

2) El aluminio tiene baja resistencia. La resistencia mecánica es solo 1 / 3 de la del cobre, y es fácil ser roto durante el enrollamiento. Cuando el automóvil conduce, el cable vibra y es fácil de romper, por lo que la resistencia del cable de aluminio debe aumentar.

3) El aluminio tiene un fenómeno de fluencia compresivo significativo. Alrededor de 80 ℃, la fluencia se intensifica bajo presión, mientras que el cobre debe estar por encima de 230 ℃ para mostrar un cierto grado de fluencia de compresión. Las características de fluencia de compresión del aluminio hará que el punto de conexión se afloje con los cambios de temperatura y el tiempo después de que el terminal esté engullado, afectando el rendimiento eléctrico del cable.

Por lo tanto, la tecnología de conexión de aluminio-cobre requiere un diseño especial para garantizar un rendimiento eléctrico confiable durante todo el ciclo de vida del producto.

4) El aluminio es químicamente activo. Se oxida fácilmente cuando se expone al aire, formando una película de óxido de aluminio densa y dura. El óxido de aluminio tiene fuertes propiedades de aislamiento y afectará la conductividad de los cables de aluminio. Cuando el aluminio contacta a los terminales de cobre en un entorno húmedo y energizado, es fácil formar una reacción galvánica, causando corrosión electroquímica a la conexión y corroe el conductor de aluminio. Esta situación debe evitarse.

5) El aluminio y el cobre tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Después de la alternancia a largo plazo de calor y frío, la conexión es fácil de aflojar, lo que afecta la confiabilidad del punto de conexión.

2. Análisis de plato y soluciones técnicas de aluminio que reemplaza el cobre

1) Análisis de viabilidad

A nivel internacional, hay tres estándares principales de cable automotriz: americanos, japoneses y europeos. Con la integración global de la tecnología industrial en la industria automotriz, los estándares de cable de varios países se están acercando gradualmente a la serie ISO de estándares internacionales. En la actualidad, la mayoría de los OEM de automóviles nacionales usan cables de núcleo de cobre y siguen los estándares internacionales ISO 19642-5 e ISO 6722-1. Estos dos estándares tienen requisitos técnicos similares para los cables de núcleo de cobre automotriz, y ambos especifican la resistividad, el voltaje de resistencia y otras características de los cables en detalle. Entre ellos, ISO 19642-5 tiene requisitos más detallados para el rendimiento del cable.

Los cables de aluminio extranjeros se han utilizado en aplicaciones industriales durante al menos 30 años. Se usaron por primera vez en la industria de la aviación y comenzaron a usarse en el campo automotriz a principios del siglo XXI. En 2013, se lanzó el ISO 6722-2 oficial de Estándar Oficial para Automotriz Aluminio, y en 2019, se lanzó el ISO 19642-6 similar. Estándares internacionales ISO 19642-6 e ISO 6722-2 proporcionan requisitos técnicos para el diámetro del conductor, la resistencia, la resistividad del volumen de aislamiento, etc. Las dos normas son similares en contenido e ISO 19642-6 tiene requisitos más detallados para el rendimiento de los conductores de aluminio automotriz. Por lo tanto, el diseño del esquema debe considerar de manera integral estos dos estándares internacionales.

Los conductores de aluminio deben ser equivalentes a los conductores de cobre y cumplir con tres puntos: primero, deben asegurarse de que tengan una conductividad similar y otras propiedades a los conductores de cobre reemplazados, asegurando que la función del circuito original se mantenga básicamente mientras reemplazan el material del conductor; segundo, evite que el cable de aluminio se oxida; En tercer lugar, lograr una conexión confiable entre el cable de aluminio y el terminal, porque el material de aluminio tiene baja dureza y puede fatiga y romperse después de doblar, devanar y vibración de alta frecuencia.

2) Alternativas para conductores de línea eléctrica

Comparando los estándares internacionales ISO 19642-5 e ISO 6722-1 para conductores de cobre e ISO 19642-6 e ISO 6722-2 para conductores de aluminio, se puede ver que cuando la resistencia es similar, el conductor de aluminio necesita una especificación mayor para lograr una conductividad similar a la del conductor de cobre.

El estándar de composición europea de aluminio y aleación de aluminio EN 573-3: 2003 estipula que las aleaciones de aluminio y aluminio se pueden dividir en la serie 8. Entre ellos, la Serie 1 es alambre de aluminio puro con un contenido de aluminio de más del 99%; Las aleaciones de aluminio de la Serie 2 a 8 son nuevas aleaciones compuestas a base de aluminio desarrolladas agregando diferentes proporciones de SI, Fe, Cu, Mg, Mn, nano-cerámica y nanomateriales de carbono al aluminio puro. La matriz es una aleación fortalecida tratada con calor. Bajo la condición de garantizar cierta conductividad, se maximiza la resistencia a la tracción de la aleación de aluminio, al tiempo que garantiza una alargamiento suficiente.

Las características del cable de aluminio puro de la serie 1 son una alta conductividad, buena conductividad térmica, resistencia a la tracción de 60 ~ 110MPa y alargamiento del conductor superior al 12%. Es el conductor de aluminio más utilizado para cables automotrices. Este grado de alambre de aluminio es adecuado para cables de alimentación de gran diámetro.

En resumen, el principio de resistencia equivalente se puede seguir para reemplazar el cable de cobre con alambre de aluminio puro con un área de sección transversal más grande, y la resistencia de los cables antes y después del reemplazo es el mismo o cerca. Por ejemplo, el área de sección transversal del cable de cobre original es de 35 mm2, y la resistencia máxima del conductor por unidad de longitud a 20 ℃ es 0.527MΩ / m. La especificación del conductor de aluminio con el parámetro de resistencia más cercano debe aumentar a 60 mm2. En este momento, la resistencia máxima del conductor por unidad de longitud a 20 ℃ es 0.525mΩ / m.
3) Esquema de conexión entre cables y terminales
① Solución de soldadura de fricción

La tecnología de soldadura por fricción se originó hace más de cien años. Utiliza el calor generado por la fricción de la superficie de contacto de la pieza de trabajo para hacer que la pieza de trabajo se deforma plásticamente bajo presión, logrando así la soldadura. Esta tecnología se usa ampliamente en los campos civiles y aeroespaciales.

El equipo impulsa la pieza de trabajo para generar mucho calor por fricción, lo que reduce la dureza del metal, mejora la plasticidad y hace que los átomos de metal se difundan y se enfríen y se cristalicen mutuamente para formar una articulación de soldadura de fricción firme. Al mismo tiempo, la fricción de alta velocidad destruye la película de óxido en la superficie del metal y mejora la conductividad de la articulación soldada. En comparación con la soldadura de fusión tradicional, la soldadura por fricción tiene las siguientes características: primero, la articulación soldada tiene alta resistencia, calidad estable, buena consistencia del componente y la resistencia de la articulación es equivalente a la del material principal; En segundo lugar, es de ahorro de energía y ecológico, sin la necesidad de varillas de soldadura y gases protectores, no se generan gases tóxicos o dañinos durante el proceso de soldadura, y el equipo consume poca potencia; Tercero, la soldadura por fricción puede lograr la soldadura de materiales diferentes, la articulación no tiene poros ni inclusiones, y no se produce corrosión electroquímica.

En esta solución, el terminal compuesto de aluminio de cobre en forma de "L" adopta un proceso de soldadura de fricción giratoria para conectar la placa de cobre forjada final y el cilindro de aluminio puro de la cola. La placa de cobre forjada se usa para ensamblar a la batería o arrancador. Está hecho de latón, tiene alta resistencia, no es fácil de romper durante la instalación, y el tintineo de la superficie puede aliviar la corrosión electroquímica causada por el contacto entre el latón y el cuerpo del automóvil. El cilindro de aluminio puro de cola es una estructura hueca columnar utilizada para conectar el conductor de aluminio. Después de que el conductor de aluminio se coloca en el cilindro de aluminio puro mediante equipos especiales, se engullece al forjar equipos. El cilindro de aluminio puro y el cilindro de aluminio puro están hechos del mismo material y tienen el mismo coeficiente de expansión térmica, lo que puede evitar la fractura por fatiga cuando las temperaturas altas y bajas se alternan debido a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica.

Las ventajas de esta solución son: la placa de cobre forjada puede cumplir con los requisitos de ensamblaje, y el tubo de aluminio que conecta el cable de aluminio puede evitar la fractura por fatiga causada por los diferentes coeficientes de expansión térmica del terminal de cobre tradicional y el conductor de aluminio, que no solo resuelve el problema de la resistencia a la intensidad de la instalación, sino que también resuelve el problema entre el conductor de aluminio y el terminal terminal.

Después de que el terminal está conectado al conductor de aluminio, se puede usar un tubo de retiro de calor de doble pared con pegamento para el sellado. El tubo de retiro de calor tiene aislamiento, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste. Después de ser calentado por un equipo especial, la pared externa se encoge y el pegamento sólido en la pared interna se derrite en pegamento líquido, cubriendo la parte de conexión terminal y la superficie de la piel del aislamiento del alambre. Después del enfriamiento y la solidificación, puede lograr la resistencia al sellado y la corrosión, y evitar la corrosión de oxidación en la articulación.
Solución de soldadura a la planta de soluciones

Desde la década de 1980, la tecnología de soldadura de metal ultrasónico se ha aplicado a la soldadura del arnés de cables, utilizando energía de vibración de frecuencia ultrasónica para reorganizar la estructura de la red molecular de metal y conectar los mismos o diferentes metales. La articulación soldada logra la unión metalúrgica sin derretir el material principal, que pertenece a la soldadura en estado sólido y puede evitar efectivamente las salpicaduras y la oxidación de la soldadura ordinaria.

La tecnología de soldadura ultrasónica se usa ampliamente en la conexión de cables y cables, cables y terminales. El proceso de soldadura es rápido y los parámetros del proceso se pueden monitorear durante todo el proceso. La junta soldada es un conector de metal puro, que no se ve fácilmente afectado por el envejecimiento, la fluencia y la fatiga. La conexión es firme, la confiabilidad es alta y la resistencia de contacto es baja.

Esta tecnología puede conectar los mismos o diferentes materiales, como el cobre y el aluminio. Como el metal está directamente soldado, no se requiere soldadura o flujo adicional. Además, la soldadura ultrasónica tiene baja tensión térmica en el material y básicamente no cambia las propiedades del material soldado y los materiales circundantes. La soldadura ultrasónica tiene un proceso simple, alta resistencia articular, buena conductividad y una amplia gama de especificaciones de conductores que pueden soldarse. Los conductores con un área de sección transversal de 160 mm2 o incluso más se pueden soldar. Similar a la tecnología de soldadura por fricción, la tecnología de soldadura ultrasónica es adecuada para la conexión de materiales y formas diferentes, como cobre y aluminio, alambre y placa, y se usa ampliamente en la industria de alambre y cables. Por lo tanto, esta solución utiliza terminales de latón, que están conectados a conductores de aluminio puro a través de la tecnología de soldadura ultrasónica, y se engullan y se fijan con garras en los extremos de los terminales para mejorar la confiabilidad de la conexión. Del mismo modo, se puede utilizar tubos de retiro de calor adhesivo de doble pared para sellar la conexión para evitar la corrosión de oxidación en la junta.

3. Resumen

Según la situación actual de alto costo y peso pesado de los cables de cobre automotriz, este documento estudia los estándares de rendimiento de los cables de cobre y aluminio, y propone una solución técnica para reemplazar los cables de cobre con cables de aluminio, proporcionando una nueva forma para que las empresas reduzcan los costos y reduzcan el peso.