La densité élevée et le coût des fils de cuivre traditionnels dans les automobiles ont incité l'industrie à rechercher des matériaux alternatifs pour obtenir une réduction des coûts et une légèreté. L'aluminium est devenu un substitut idéal au cuivre en raison de sa bonne conductivité, de sa faible densité et de son faible coût, mais il a également des problèmes tels qu'une faible résistance et une oxydation facile. L'article se concentre sur les câbles de puissance automobile à grande section et explore profondément les difficultés techniques qui doivent être résolues lors du remplacement du cuivre par de l'aluminium, notamment la conductivité, la résistance, le fluage de compression, l'oxydation et les différences de coefficients de dilatation thermique. En analysant les normes internationales de fil automobile, une étude de faisabilité sur le remplacement du cuivre par de l'aluminium a été menée, et une solution technique spécifique a été proposée: l'utilisation d'un fil d'aluminium pur 1 série avec une zone transversale plus grande pour remplacer le fil de cuivre, suivant le principe de résistance équivalente; Fournir deux solutions de connexion en fil et en bornes: soudage à la friction et soudage à ultrasons, et utilisant des tubes de rétrécissement thermique adhésif à double paroi pour scellage. L'article fournit un nouveau chemin de référence pour les entreprises automobiles afin d'atteindre la réduction des coûts et la légèreté.

Les faisceaux de câbles automobiles sont partout dans le corps de la voiture. Les fils traditionnels sont en cuivre électrolytique de haute pureté forgé, dessiné et articulé par des processus spéciaux. En raison de la forte densité de cuivre, le poids total du faisceau de câbles du véhicule dépasse 20 kg et le coût est élevé, ce qui entraîne une pression des coûts aux entreprises. À cette fin, l'industrie explore activement des matériaux alternatifs pour les fils de cuivre afin d'atteindre les objectifs de réduction des coûts et de légers. Parmi les matériaux du conducteur commun, l'aluminium est un substitut idéal. Il a une bonne conductivité, deuxième seulement derrière le cuivre parmi les métaux couramment utilisés et est léger. Sa densité est d'environ 30% du cuivre et son coût n'est que de 20% ~ 30% du cuivre, mais il a des problèmes tels qu'une faible résistance et une oxydation facile. Cet article propose une solution technique de référence pour remplacer le cuivre par de l'aluminium pour les câbles d'alimentation automobile à grande section.

1. Problèmes techniques qui doivent être résolus lors du remplacement du cuivre par l'aluminium

L'aluminium est supérieur au cuivre en coût et en qualité, et est devenu un point chaud pour la réduction des coûts et la recherche légère dans les entreprises automobiles. Cependant, le remplacement de l'aluminium en cuivre fait toujours face à des difficultés techniques.

1) La conductivité de l'aluminium est inférieure au cuivre. Si le problème est résolu en augmentant la surface en coupe transversale du fil d'aluminium, la spécification du fil en aluminium doit être augmentée de 1 ~ 2 niveaux, ce qui rendra le faisceau de fil d'aluminium plus grand que le faisceau de fil de cuivre. L'espace d'installation et le rayon de flexion doivent être pris en compte lors de la disposition du harnais.

2) L'aluminium a une faible résistance. La résistance mécanique n'est que 1 / 3 de celle du cuivre, et il est facile d'être brisé pendant le sertissage. Lorsque la voiture conduit, le fil vibre et il est facile de se casser, de sorte que la résistance du fil en aluminium doit être augmentée.

3) L'aluminium a un phénomène de fluage de compression significatif. À environ 80 ℃, le fluage s'intensifie sous pression, tandis que le cuivre doit être supérieur à 230 ℃ pour montrer un certain degré de fluage de compression. Les caractéristiques de fluage de compression de l'aluminium entraîneront un desserrer le point de connexion avec les changements de température et le temps après le raccourci du terminal, affectant les performances électriques du fil.

Par conséquent, la technologie de connexion en aluminium-cuivre nécessite une conception spéciale pour assurer des performances électriques fiables tout au long du cycle de vie du produit.

4) L'aluminium est chimiquement actif. Il est facilement oxydé lorsqu'il est exposé à l'air, formant un film d'oxyde d'aluminium dense et dur. L'oxyde d'aluminium a de fortes propriétés d'isolation et affectera la conductivité des fils en aluminium. Lorsque l'aluminium contacte les terminaux de cuivre dans un environnement humide et énergique, il est facile de former une réaction galvanique, provoquant une corrosion électrochimique à la connexion et corrodant le conducteur d'aluminium. Cette situation doit être évitée.

5) L'aluminium et le cuivre ont différents coefficients de dilatation thermique. Après une alternance à long terme de chaud et de froid, la connexion est facile à desserrer, affectant la fiabilité du point de connexion.

2. Analyse de la failabilité et solutions techniques de remplaçant en aluminium

1) Analyse de faisabilité

À l'international, il existe trois principales normes de fil automobile: américain, japonais et européen. Avec l'intégration mondiale de la technologie industrielle dans l'industrie automobile, les normes filaires de divers pays se rapprochent progressivement de la série ISO de normes internationales. À l'heure actuelle, la plupart des OEM d'automobile nationaux utilisent des fils de cuivre et suivent les normes internationales ISO 19642-5 et ISO 6722-1. Ces deux normes ont des exigences techniques similaires pour les fils de noyau en cuivre automobile, et tous deux spécifient en détail la résistivité, résiste à la tension et à d'autres caractéristiques des fils. Parmi eux, l'ISO 19642-5 a des exigences plus détaillées pour les performances métalliques.

Des fils d'aluminium étrangers sont utilisés dans des applications industrielles depuis au moins 30 ans. Ils ont d'abord été utilisés dans l'industrie de l'aviation et ont commencé à être utilisés dans le domaine automobile au début du 21e siècle. En 2013, la norme internationale officielle ISO 6722-2 pour les fils en aluminium automobile a été publiée et en 2019, le similaire ISO 19642-6 a été publié. Normes internationales ISO 19642-6 et ISO 6722-2 fournissent des exigences techniques pour le diamètre du conducteur, la résistance, la résistivité du volume d'isolation, etc. Les deux normes sont similaires dans le contenu, et ISO 19642-6 a des exigences plus détaillées pour les performances des conducteurs d'aluminium automobile. Par conséquent, la conception du programme doit prendre en considération de manière approfondie ces deux normes internationales.

Les conducteurs en aluminium doivent être équivalents aux conducteurs de cuivre et répondre à trois points: Premièrement, ils doivent s'assurer qu'ils ont une conductivité similaire et d'autres propriétés aux conducteurs de cuivre remplacés, garantissant que la fonction de circuit d'origine est essentiellement maintenue lors du remplacement du conducteur; deuxièmement, empêcher le fil d'aluminium d'être oxydé; Troisièmement, obtenez une connexion fiable entre le fil d'aluminium et le terminal, car le matériau en aluminium a une faible dureté et peut fatiguer et casser après la flexion, l'enroulement et les vibrations à haute fréquence.

2) Alternatives pour les conducteurs de ligne électrique

En comparant les normes internationales ISO 19642-5 et ISO 6722-1 pour les conducteurs de cuivre, et ISO 19642-6 et ISO 6722-2 pour les conducteurs en aluminium, on peut voir que lorsque la résistance est similaire, le conducteur d'aluminium a besoin d'une spécification plus importante pour atteindre une conductivité similaire à celle du conducteur en cuivre.

La norme européenne de composition en aluminium et en aluminium en aluminium EN 573-3: 2003 stipule que les alliages en aluminium et en aluminium peuvent être divisés en séries 8. Parmi eux, la série 1 est un fil d'aluminium pur avec une teneur en aluminium de plus de 99%; Les alliages en aluminium de la série 2 à 8 sont de nouveaux alliages composites à base d'aluminium développés en ajoutant différentes proportions de Si, Fe, Cu, Mg, MN, nano-ceramiques et nanomatériaux de carbone en aluminium pur. La matrice est un alliage renforcé traité à la chaleur. Dans la condition d'assurer une certaine conductivité, la résistance à la traction de l'alliage en aluminium est maximisée, tout en assurant un allongement suffisant.

Les caractéristiques de 1 fil en aluminium pur de la série sont une conductivité élevée, une bonne conductivité thermique, une résistance à la traction de 60 à 110 MPa et un allongement du conducteur supérieur à 12%. Il s'agit du conducteur d'aluminium le plus utilisé pour les câbles automobiles. Cette qualité de fil en aluminium convient aux cordons d'alimentation de grand diamètre.

En résumé, le principe de résistance équivalente peut être suivi pour remplacer le fil de cuivre par du fil d'aluminium pur par une zone transversale plus grande, et la résistance des fils avant et après le remplacement est identique ou proche. Par exemple, la zone en coupe transversale du fil de cuivre d'origine est de 35 mm2, et la résistance maximale du conducteur par unité de longueur à 20 ℃ est de 0,527mΩ / m. La spécification du conducteur d'aluminium avec le paramètre de résistance le plus proche doit être augmentée à 60 mm2. À l'heure actuelle, la résistance maximale du conducteur par unité de longueur à 20 ℃ est de 0,525mΩ / m.
3) Schéma de connexion entre les fils et les terminaux
Solution de soudage de fiction

La technologie de soudage à la friction est née il y a plus de cent ans. Il utilise la chaleur générée par le frottement de la surface de contact de la pièce pour faire déformer la pièce plastiquement sous pression, réalisant ainsi le soudage. Cette technologie est largement utilisée dans les champs civils et aérospatiaux.

L'équipement pousse la pièce pour générer beaucoup de chaleur par frottement, ce qui réduit la dureté du métal, améliore la plasticité et fait que les atomes de métal se diffusent et se refroidissent et se cristallisent pour former une articulation de soudage de frottement ferme. Dans le même temps, la friction à grande vitesse détruit le film d'oxyde sur la surface métallique et améliore la conductivité de l'articulation soudée. Par rapport au soudage traditionnel de fusion, le soudage à la friction a les caractéristiques suivantes: Premièrement, l'articulation soudée a une résistance élevée, une qualité stable, une bonne consistance de composants et la résistance aux articulations équivaut à celle du matériau parent; Deuxièmement, il est économique et respectueux de l'environnement, sans avoir besoin de tiges de soudage et de gaz protecteurs, aucun gaz toxique ou nocif n'est généré pendant le processus de soudage, et l'équipement consomme peu de puissance; Troisièmement, le soudage à la friction peut atteindre le soudage de matériaux différents, l'articulation n'a pas de pores ni d'inclusions, et aucune corrosion électrochimique ne se produit.

Dans cette solution, la borne composite en cuivre-aluminium en forme de "L" adopte un processus de soudage à la frottement rotatif pour connecter la plaque de cuivre forgée d'extrémité et le cylindre d'aluminium pur de la queue. La plaque de cuivre forgée est utilisée pour s'assembler à la batterie ou au démarreur. Il est fait de laiton, a une résistance élevée, n'est pas facile à casser pendant l'installation, et le l'étagère de surface peut atténuer la corrosion électrochimique causée par le contact entre le laiton et le carrosserie. Le cylindre en aluminium Pure Tail est une structure creuse en colonnes utilisée pour connecter le conducteur en aluminium. Une fois que le conducteur d'aluminium a été placé dans le cylindre en aluminium pur par un équipement spécial, il est serré par des équipements de forgeage. Le fil d'aluminium pur et le cylindre en aluminium pur sont faits du même matériau et ont le même coefficient de dilatation thermique, ce qui peut éviter la fracture de la fatigue lorsque des températures élevées et basses alternent en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique.

Les avantages de cette solution sont: la plaque de cuivre forgée peut répondre aux besoins d'assemblage, et le tube en aluminium reliant le fil d'aluminium peut éviter la fracture de la fatigue causée par les différents coefficients de détente thermique du terminal de cuivre traditionnel et le conducteur d'aluminium, ce qui résout non seulement le problème de l'installation du terminal, mais résout également le problème de la connexion entre le conducteur de l'alumin et la résistance à l'installation terminale, mais également le problème du connexion entre le conducteur de l'alumin et le terminal.

Une fois le terminal connecté au conducteur d'aluminium, un tube de rétrécissement thermique à double paroi avec de la colle peut être utilisé pour le scellement. Le tube thermique a une isolation, une résistance à la corrosion et une résistance à l'usure. Après avoir été chauffée par un équipement spécial, la paroi extérieure se rétrécit et la colle solide sur la paroi intérieure fond en colle liquide, couvrant la partie de connexion terminale et la surface de la peau d'isolation du fil. Après refroidissement et solidification, il peut atteindre la résistance à l'étanchéité et à la corrosion et empêcher la corrosion d'oxydation à l'articulation.
Solution de soudage ②Ultrasonic

Depuis les années 1980, la technologie de soudage à ultrasons métalliques a été appliquée au soudage du faisceau de câbles, en utilisant une énergie de vibration de fréquence à ultrasons pour réorganiser la structure du réseau moléculaire métallique et connecter les mêmes métaux ou différents. L'articulation soudée atteint un lien métallurgique sans fondre le matériau parent, qui appartient au soudage à l'état solide et peut éviter efficacement les éclaboussures et l'oxydation du soudage ordinaire.

La technologie de soudage à ultrasons est largement utilisée dans la connexion des fils et des fils, des fils et des bornes. Le processus de soudage est rapide et les paramètres du processus peuvent être surveillés tout au long du processus. Le joint soudé est un connecteur métallique pur, qui n'est pas facilement affecté par le vieillissement, le fluage et la fatigue. La connexion est ferme, la fiabilité est élevée et la résistance de contact est faible.

Cette technologie peut connecter les mêmes matériaux ou différents, comme le cuivre et l'aluminium. Étant donné que le métal est directement soudé, aucune soudure ou flux supplémentaire n'est requis. De plus, le soudage à ultrasons a une faible contrainte thermique sur le matériau et ne modifie essentiellement pas les propriétés du matériau soudé et des matériaux environnants. Le soudage à ultrasons a un processus simple, une forte résistance articulaire, une bonne conductivité et un large éventail de spécifications de conducteur qui peuvent être soudées. Les conducteurs avec une zone transversale de 160 mm2 ou même plus peuvent être soudés. Semblable à la technologie de soudage par friction, la technologie de soudage à ultrasons convient à la connexion de matériaux et de formes différents, tels que le cuivre et l'aluminium, le fil et la plaque, et est largement utilisé dans l'industrie des fils et des câbles. Par conséquent, cette solution utilise des terminaux en laiton, qui sont connectés à des conducteurs en aluminium pur par le biais de la technologie de soudage à ultrasons, et sont serties et fixées avec des griffes aux extrémités des bornes pour améliorer la fiabilité de la connexion. De même, les tubes thermiques adhésifs à double paroi peuvent être utilisés pour sceller la connexion afin de prévenir la corrosion d'oxydation au niveau de l'articulation.

3. Résumé

Sur la base de la situation actuelle du coût élevé et du poids lourd des fils de cuivre automobile, cet article étudie les normes de performance des fils en cuivre et en aluminium, et propose une solution technique pour remplacer les fils de cuivre par des fils en aluminium, fournissant un nouveau moyen pour les entreprises de réduire les coûts et de réduire le poids.