چگالی و هزینه بالای سیمهای مس سنتی در اتومبیل ها باعث شده است که این صنعت به دنبال مواد جایگزین برای دستیابی به کاهش هزینه و سبک وزن باشد. به دلیل هدایت خوب ، چگالی کم و کم هزینه ، آلومینیوم به یک جایگزین ایده آل برای مس تبدیل شده است ، اما همچنین دارای مشکلاتی مانند مقاومت کم و اکسیداسیون آسان است. این مقاله بر روی کابل های قدرت خودرو در بخش بزرگ متمرکز شده است و مشکلات فنی را که باید هنگام جایگزینی مس با آلومینیوم از جمله رسانایی ، استحکام ، خزش فشاری ، اکسیداسیون و تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی حل شود ، بررسی می کند. با تجزیه و تحلیل استانداردهای بین المللی سیم اتومبیل ، یک مطالعه امکان سنجی در مورد جایگزینی مس با آلومینیوم انجام شد و یک راه حل فنی خاص ارائه شد: با استفاده از 1 سری سیم آلومینیومی خالص با یک سطح مقطع بزرگتر برای جایگزینی سیم مس ، به دنبال اصل مقاومت معادل. ارائه دو راه حل اتصال سیم و ترمینال: جوشکاری اصطکاک و جوش اولتراسونیک و استفاده از لوله کوچک شدن گرمای چسبنده دو دیواره برای آب بندی. در این مقاله مسیر جدیدی با ارزش مرجع برای شرکتهای خودرو برای دستیابی به کاهش هزینه و سبک وزن فراهم شده است.

سیم کشی سیم کشی اتومبیل در سراسر بدنه ماشین است. سیمهای سنتی از مس الکترولیتی با خلوص بالا جعلی ، ترسیم شده و لولا توسط فرآیندهای ویژه ساخته شده اند. با توجه به چگالی بالای مس ، وزن کل سیم کشی وسیله نقلیه از 20 کیلوگرم فراتر می رود و هزینه آن زیاد است که این امر فشار هزینه را به شرکت ها می آورد. برای این منظور ، این صنعت به طور فعال در حال بررسی مواد جایگزین برای سیم های مس برای دستیابی به اهداف کاهش هزینه و سبک وزن است. در میان مواد هادی مشترک ، آلومینیوم یک جایگزین ایده آل است. این رسانایی خوبی دارد ، دوم فقط در بین فلزات متداول ، و از نظر وزن سبک است. چگالی آن حدود 30 ٪ مس است و هزینه آن تنها 30 ~ 30 ٪ مس است ، اما دارای مشکلاتی مانند مقاومت کم و اکسیداسیون آسان است. در این مقاله یک راه حل فنی مرجع برای جایگزینی مس با آلومینیوم برای کابل های قدرت خودرو در بخش بزرگ ارائه شده است.

1. مسائل فنی که هنگام تعویض مس با آلومینیوم باید حل شوند

آلومینیوم از نظر هزینه و کیفیت از مس برتر است و به یک نقطه داغ برای کاهش هزینه و تحقیقات سبک در شرکت های خودرو تبدیل شده است. با این حال ، جایگزینی آلومینیوم مس هنوز با برخی از مشکلات فنی روبرو است.

1) هدایت آلومینیوم نسبت به مس پایین است. اگر با افزایش سطح مقطع سیم آلومینیوم مشکل حل شود ، مشخصات سیم آلومینیوم باید با سطح 1 ~ 2 افزایش یابد ، که باعث می شود مهار سیم آلومینیوم بزرگتر از مهار سیم مسی باشد. فضای نصب و شعاع خمش هنگام تنظیم مهار باید در نظر گرفته شود.

2) آلومینیوم از استحکام کم برخوردار است. قدرت مکانیکی فقط 1 / 3 از مس است و در هنگام خفه کردن آسان است. هنگامی که ماشین در حال رانندگی است ، سیم ارتعاش می کند و به راحتی می توان آن را شکست داد ، بنابراین باید استحکام سیم آلومینیوم افزایش یابد.

3) آلومینیوم از پدیده خزش قابل توجهی برخوردار است. در حدود 80 ℃ ، خزش تحت فشار شدت می گیرد ، در حالی که مس باید بالاتر از 230 ℃ باشد تا درجه خاصی از خزش فشاری را نشان دهد. خصوصیات خزش فشاری آلومینیوم باعث می شود که با تغییر دما و زمان پس از ترمینال ، نقطه اتصال شل شود و بر عملکرد الکتریکی سیم تأثیر بگذارد.

بنابراین ، فناوری اتصال آلومینیوم مس نیاز به طراحی ویژه دارد تا از عملکرد الکتریکی قابل اعتماد در طول چرخه عمر محصول اطمینان حاصل شود.

4) آلومینیوم از نظر شیمیایی فعال است. در هنگام قرار گرفتن در معرض هوا به راحتی اکسیده می شود و یک فیلم اکسید آلومینیوم متراکم و سخت تشکیل می دهد. اکسید آلومینیوم دارای خواص عایق قوی است و بر هدایت سیمهای آلومینیومی تأثیر می گذارد. هنگامی که آلومینیوم با پایانه های مس در یک محیط مرطوب و پر انرژی تماس می گیرد ، به راحتی می توان یک واکنش گالوانیک را تشکیل داد و باعث خوردگی الکتروشیمیایی در اتصال و خوردگی هادی آلومینیوم می شود. باید از این وضعیت جلوگیری کرد.

5) آلومینیوم و مس دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند. پس از تناوب طولانی مدت گرم و سرد ، اتصال به راحتی شل می شود و بر قابلیت اطمینان نقطه اتصال تأثیر می گذارد.

2. تجزیه و تحلیل امکان پذیر و راه حل های فنی جایگزین مس آلومینیوم

1) تجزیه و تحلیل امکان سنجی

در سطح بین المللی ، سه استاندارد اصلی سیم اتومبیل وجود دارد: آمریکایی ، ژاپنی و اروپایی. با ادغام جهانی فناوری صنعتی در صنعت خودرو ، استانداردهای سیم کشورهای مختلف به تدریج به سری استانداردهای بین المللی ISO نزدیک می شوند. در حال حاضر ، بیشتر OEM های داخلی اتومبیل از سیم های اصلی مس استفاده می کنند و از استانداردهای بین المللی ISO 19642-5 و ISO 6722-1 پیروی می کنند. این دو استاندارد دارای نیازهای فنی مشابهی برای سیمهای هسته مس اتومبیل هستند و هر دو مقاومت ، مقاومت در برابر ولتاژ و سایر خصوصیات سیمها را با جزئیات مشخص می کنند. در میان آنها ، ISO 19642-5 نیازهای مفصلی برای عملکرد سیم دارد.

حداقل 30 سال از سیمهای آلومینیومی خارجی در کاربردهای صنعتی استفاده می شود. آنها برای اولین بار در صنعت حمل و نقل هوایی مورد استفاده قرار گرفتند و در اوایل قرن بیست و یکم در میدان خودرو مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 2013 ، استاندارد رسمی بین المللی ISO 6722-2 برای سیمهای آلومینیومی خودرو منتشر شد و در سال 2019 ، ISO مشابه 19642-6 منتشر شد. استانداردهای بین المللی ISO 19642-6 و ISO 6722-2 الزامات فنی را برای قطر هادی ، مقاومت ، مقاومت به حجم عایق و غیره ارائه می دهند. بنابراین ، طراحی این طرح باید به طور جامع این دو استاندارد بین المللی را در نظر بگیرد.

هادی های آلومینیومی باید معادل هادی های مس باشند و سه نکته را برآورده کنند: اول ، آنها باید اطمینان حاصل کنند که از رساناتی مشابه و سایر خصوصیات با هادی های جایگزین مس برخوردار هستند و اطمینان حاصل می کنند که عملکرد مدار اصلی در حین تعویض مواد هادی حفظ می شود. دوم ، از اکسیداسیون سیم آلومینیوم جلوگیری کنید. سوم ، به یک اتصال قابل اعتماد بین سیم آلومینیوم و ترمینال دست یابید ، زیرا مواد آلومینیومی از سختی کم برخوردار هستند و ممکن است پس از خم شدن ، سیم پیچ و لرزش با فرکانس بالا خستگی و شکسته شود.

2) گزینه های دیگر برای هادی های خط برق

با مقایسه استانداردهای بین المللی ISO 19642-5 و ISO 6722-1 برای هادی های مس ، و ISO 19642-6 و ISO 6722-2 برای هادی های آلومینیومی ، می توان دریافت که وقتی مقاومت مشابه است ، هادی آلومینیوم برای دستیابی به یک هدایت شبیه به رسانای مس نیاز دارد.

ترکیب آلیاژ آلومینیوم و آلومینیوم اروپایی EN 573-3: 2003 تصریح می کند که آلیاژهای آلومینیوم و آلومینیوم می توانند به 8 سری تقسیم شوند. در میان آنها ، سری 1 سیم آلومینیومی خالص با میزان آلومینیومی بیش از 99 ٪ است. سری 2 تا 8 آلیاژهای آلومینیومی آلیاژهای کامپوزیت مبتنی بر آلومینیوم جدید هستند که با افزودن نسبت های مختلف Si ، Fe ، Cu ، MG ، MN ، Nano-Ceramics و نانومواد کربن به آلومینیوم خالص ساخته شده اند. ماتریس آلیاژ تقویت شده با گرما است. تحت شرط اطمینان از هدایت خاص ، مقاومت کششی آلیاژ آلومینیوم به حداکثر می رسد ، در حالی که از کشیدگی کافی اطمینان می یابد.

خصوصیات سیم آلومینیوم خالص 1 سری ، هدایت زیاد ، هدایت حرارتی خوب ، استحکام کششی از 110 mpa 60 mpa و کشیدگی هادی بیشتر از 12 ٪ است. این متداول ترین هادی آلومینیوم برای کابل های خودرو است. این درجه از سیم آلومینیوم برای سیم های برق با قطر بزرگ مناسب است.

به طور خلاصه ، می توان از اصل مقاومت معادل آن برای جایگزینی سیم مسی با سیم آلومینیوم خالص با یک سطح مقطع بزرگتر پیروی کرد و مقاومت سیمها قبل و بعد از تعویض یکسان یا نزدیک است. به عنوان مثال ، سطح مقطع سیم مس اصلی 35 میلی متر مربع است و حداکثر مقاومت هادی در طول واحد در 20 ℃ 0.527mΩ / m است. مشخصات هادی آلومینیوم با نزدیکترین پارامتر مقاومت باید به 60mm2 افزایش یابد. در این زمان ، حداکثر مقاومت هادی در طول واحد در 20 ℃ 0.525mΩ / m است.
3) طرح اتصال بین سیم ها و پایانه ها
راه حل جوشکاری

فناوری جوش اصطکاک بیش از صد سال پیش سرچشمه گرفت. از گرمای ایجاد شده توسط اصطکاک سطح تماس قطعه کار استفاده می کند تا قطعه کار به صورت پلاستیکی تحت فشار قرار بگیرد و از این طریق به جوشکاری برسد. این فناوری به طور گسترده در زمینه های مدنی و هوافضا مورد استفاده قرار می گیرد.

این تجهیزات قطعه کار را به سمت ایجاد گرمای زیادی با اصطکاک سوق می دهد که باعث کاهش سختی فلز می شود ، انعطاف پذیری را بهبود می بخشد و باعث می شود اتمهای فلزی پراکنده و خنک شوند و یکدیگر را متمایز کنند تا یک اتصال جوشکاری اصطکاک محکم ایجاد شود. در عین حال ، اصطکاک با سرعت بالا فیلم اکسید را روی سطح فلز از بین می برد و هدایت مفصل جوش داده شده را بهبود می بخشد. در مقایسه با جوشکاری فیوژن سنتی ، جوشکاری اصطکاک ویژگی های زیر را دارد: اول ، مفصل جوش داده شده دارای استحکام بالا ، کیفیت پایدار ، قوام مؤلفه خوب است و استحکام مشترک معادل ماده والدین است. دوم ، بدون نیاز به میله های جوشکاری و گازهای محافظ ، صرفه جویی در انرژی و سازگار با محیط زیست است ، هیچ گاز سمی یا مضر در طی فرآیند جوشکاری ایجاد نمی شود و تجهیزات از قدرت کمی استفاده می کنند. سوم ، جوشکاری اصطکاک می تواند به جوشکاری مواد متفاوت دست یابد ، مفصل هیچ منافذ یا اجزاء ندارد و هیچ خوردگی الکتروشیمیایی رخ نمی دهد.

در این محلول ، ترمینال کامپوزیت مس-آلومینیوم مس "L" یک فرآیند جوشکاری اصطکاک روتاری را برای اتصال صفحه مس فرفری انتهایی و سیلندر آلومینیوم خالص استفاده می کند. از صفحه مس جعلی برای مونتاژ باتری یا استارت استفاده می شود. این ماده از برنج ساخته شده است ، از استحکام بالایی برخوردار است ، در هنگام نصب شکستن آن آسان نیست و فشار دادن سطح می تواند خوردگی الکتروشیمیایی ناشی از تماس بین برنج و بدنه ماشین را کاهش دهد. سیلندر آلومینیوم خالص دم یک ساختار توخالی ستونی است که برای اتصال هادی آلومینیوم استفاده می شود. پس از قرار دادن هادی آلومینیوم با تجهیزات ویژه در سیلندر آلومینیوم خالص قرار می گیرد ، با جعل تجهیزات فریب می خورد. سیم آلومینیومی خالص و سیلندر آلومینیوم خالص از همان مواد ساخته شده و دارای ضریب انبساط حرارتی یکسانی هستند که می تواند به دلیل تفاوت در ضریب انبساط حرارتی ، از شکستگی خستگی جلوگیری کند.

مزایای این محلول عبارتند از: صفحه مس جعلی می تواند نیازهای مونتاژ را برآورده کند ، و لوله آلومینیومی که سیم آلومینیوم را به هم وصل می کند می تواند از شکستگی خستگی ناشی از ضرایب مختلف گسترش حرارتی ترمینال مس سنتی و هادی آلومینیوم جلوگیری کند ، که نه تنها مشکل استحکام ترمینال را حل می کند ، بلکه مشکل همگام سازی بین ترمینال را نیز حل می کند.

پس از وصل شدن ترمینال به هادی آلومینیوم ، می توان از یک لوله کوچک شدن حرارت دو دیوار با چسب برای آب بندی استفاده کرد. لوله کوچک شدن گرما دارای عایق ، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش است. پس از گرم شدن توسط تجهیزات ویژه ، دیوار بیرونی کوچک می شود و چسب جامد روی دیواره داخلی به چسب مایع ذوب می شود و قسمت اتصال ترمینال و سطح پوست عایق سیم را پوشانده است. پس از خنک کننده و جامد سازی ، می تواند به آب درز و مقاومت در برابر خوردگی برسد و از خوردگی اکسیداسیون در مفصل جلوگیری کند.
راه حل جوشکاری سلولی

از دهه 1980 ، فناوری جوشکاری فلز اولتراسونیک برای جوشکاری سیم با استفاده از انرژی لرزش فرکانس اولتراسونیک برای سازماندهی مجدد ساختار شبکه مولکولی فلزی و اتصال فلزات یکسان یا متفاوت استفاده شده است. مفصل جوش داده شده پیوند متالورژیکی را بدون ذوب ماده والدین ، که متعلق به جوشکاری حالت جامد است ، به دست می آورد و می تواند به طور مؤثر از پراکندگی و اکسیداسیون جوشکاری معمولی جلوگیری کند.

فناوری جوشکاری اولتراسونیک به طور گسترده در اتصال سیم ها و سیم ها ، سیم ها و پایانه ها مورد استفاده قرار می گیرد. فرآیند جوشکاری سریع است و پارامترهای فرآیند را می توان در طول فرآیند کنترل کرد. مفصل جوش داده شده یک کانکتور فلزی خالص است که به راحتی تحت تأثیر پیری ، خزش و خستگی قرار نمی گیرد. اتصال محکم است ، قابلیت اطمینان زیاد است و مقاومت در برابر تماس کم است.

این فناوری می تواند مواد یکسان یا متفاوت مانند مس و آلومینیوم را به هم متصل کند. از آنجا که این فلز به طور مستقیم جوش داده می شود ، هیچ لحیم یا شار اضافی لازم نیست. علاوه بر این ، جوش اولتراسونیک دارای استرس حرارتی کم بر روی مواد است و اساساً خواص مواد جوش داده شده و مواد اطراف آن را تغییر نمی دهد. جوش اولتراسونیک دارای یک فرآیند ساده ، استحکام مفصل بالا ، هدایت خوب و طیف گسترده ای از مشخصات هادی است که می تواند جوش داده شود. هادی هایی که دارای یک سطح مقطعی 160 میلی متر مربع یا حتی بزرگتر هستند می توانند جوش داده شوند. مشابه فناوری جوشکاری اصطکاک ، فناوری جوشکاری اولتراسونیک برای اتصال مواد و اشکال متفاوت مانند مس و آلومینیوم ، سیم و صفحه مناسب است و به طور گسترده در صنعت سیم و کابل مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین ، این محلول از پایانه های برنجی استفاده می کند ، که از طریق فناوری جوشکاری اولتراسونیک به هادی های آلومینیومی خالص متصل می شوند و در انتهای پایانه ها با پنجه ها تثبیت و ثابت می شوند تا قابلیت اطمینان اتصال را افزایش دهند. به طور مشابه ، می توان از لوله کوچک شدن گرمای چسب دو دیواره برای مهر و موم اتصال برای جلوگیری از خوردگی اکسیداسیون در مفصل استفاده کرد.

3 خلاصه

با توجه به وضعیت فعلی هزینه بالا و وزن سنگین سیمهای مس اتومبیل ، این مقاله به بررسی استانداردهای عملکرد سیمهای مس و آلومینیومی می پردازد و یک راه حل فنی برای جایگزینی سیم های مس با سیم های آلومینیومی ارائه می دهد ، و راهی جدید برای شرکت ها برای کاهش هزینه ها و کاهش وزن ارائه می دهد.