A alta densidade e o custo dos fíos tradicionais de cobre nos automóbiles levaron á industria a buscar materiais alternativos para lograr a redución de custos e a lixeira. O aluminio converteuse nun substituto ideal para o cobre debido á súa boa condutividade, baixa densidade e baixo custo, pero tamén ten problemas como a baixa resistencia e a oxidación fácil. O artigo céntrase nos cables de enerxía automotriz de gran sección e explora profundamente as dificultades técnicas que hai que resolver ao substituír o cobre por aluminio, incluíndo condutividade, forza, rampas de compresión, oxidación e diferenzas nos coeficientes de expansión térmica. Analizando os estándares internacionais de fíos automotivos, realizouse un estudo de viabilidade sobre a substitución do cobre con aluminio e propúxose unha solución técnica específica: empregando un fío de aluminio puro de 1 serie 1 cunha área transversal máis grande para substituír o fío de cobre, seguindo o principio de resistencia equivalente; Proporcionando dúas solucións de conexión de fíos e terminais: soldadura de fricción e soldadura por ultrasóns e empregando un tubo de encollemento de calor adhesivo de dobre parede para o selado. O artigo ofrece un novo camiño con valor de referencia para as empresas de automóbiles para lograr a redución de custos e a lixeira.

Os arneses de cableado de automoción están por todo o corpo. Os fíos tradicionais están feitos de cobre electrolítico de alta pureza forxada, debuxada e articulada por procesos especiais. Debido á alta densidade de cobre, o peso total do cableado do vehículo supera os 20kg e o custo é elevado, o que trae presión de custo ás empresas. Para este fin, a industria está a explorar activamente materiais alternativos para os fíos de cobre para alcanzar os obxectivos de redución de custos e peso lixeiro. Entre os materiais de condutores comúns, o aluminio é un substituto ideal. Ten boa condutividade, segundo só para cobre entre metais de uso común e ten un peso lixeiro. A súa densidade é de aproximadamente o 30% do cobre e o seu custo é só do 20% ~ 30% do cobre, pero ten problemas como a baixa resistencia e a oxidación fácil. Este artigo propón unha solución técnica de referencia para substituír o cobre por aluminio para cables de alimentación de automóbiles de gran sección.

1. Problemas técnicos que deben resolverse ao substituír o cobre por aluminio

O aluminio é superior ao cobre en custo e calidade e converteuse nun punto quente para a redución de custos e a investigación lixeira en empresas de automóbiles. Non obstante, o aluminio que substitúe o cobre aínda ten algunhas dificultades técnicas.

1) A condutividade do aluminio é inferior ao cobre. Se o problema se resolve aumentando a área de sección transversal do fío de aluminio, a especificación de fío de aluminio debe incrementarse en 1 ~ 2 niveis, o que fará que o arnés de fío de aluminio sexa maior que o arnés de fío de cobre. Hai que ter en conta o espazo de instalación e o radio de flexión ao organizar o arnés.

2) O aluminio ten pouca resistencia. A resistencia mecánica é só 1 / 3 da do cobre, e é fácil de romper durante a crimping. Cando o coche conduce, o fío vibra e é fácil de romper, polo que hai que aumentar a forza do fío de aluminio.

3) O aluminio ten un fenómeno de creep compresivo importante. Ao redor de 80 ℃, o fluído intensifícase baixo presión, mentres que o cobre debe estar por encima dos 230 ℃ para amosar un certo grao de rampas de compresión. As características de fluxo de compresión do aluminio farán que o punto de conexión se afrouxase cos cambios de temperatura e o tempo despois de que o terminal sexa crimpado, afectando o rendemento eléctrico do fío.

Polo tanto, a tecnoloxía de conexión de cobre de aluminio require un deseño especial para garantir un rendemento eléctrico fiable ao longo do ciclo de vida do produto.

4) O aluminio é químicamente activo. É facilmente oxidado cando está exposto ao aire, formando unha película de óxido de aluminio denso e duro. O óxido de aluminio ten fortes propiedades de illamento e afectará á condutividade dos fíos de aluminio. Cando o aluminio contacta cos terminais de cobre nun ambiente húmido e energizado, é fácil formar unha reacción galvánica, provocando corrosión electroquímica na conexión e corroía o condutor de aluminio. Debe evitarse esta situación.

5) O aluminio e o cobre teñen diferentes coeficientes de expansión térmica. Despois da alternancia a longo prazo de quente e frío, a conexión é fácil de soltar, afectando a fiabilidade do punto de conexión.

2. Análise de frecuencia e solucións técnicas de aluminio que substitúe o cobre

1) Análise de viabilidade

A nivel internacional, hai tres normas principais de fío automotriz: americano, xaponés e europeo. Coa integración global da tecnoloxía industrial na industria do automóbil, os estándares de fíos de varios países están a achegarse gradualmente á serie ISO de estándares internacionais. Na actualidade, a maioría dos OEM domésticos de automóbiles usan fíos de núcleo de cobre e seguen os estándares internacionais ISO 19642-5 e ISO 6722-1. Estas dúas normas teñen requisitos técnicos similares para os fíos do núcleo de cobre automotriz, e ambos especifican en detalle a resistividade, soportan a tensión e outras características dos fíos. Entre eles, a ISO 19642-5 ten requisitos máis detallados para o rendemento do fío.

Os fíos estranxeiros de aluminio utilizáronse en aplicacións industriais durante polo menos 30 anos. Primeiro usáronse na industria da aviación e comezaron a usarse no campo do automóbil a principios do século XXI. En 2013, lanzouse a norma internacional oficial ISO 6722-2 para fíos de aluminio automotriz e en 2019 foi lanzada a ISO similar 19642-6. Estándares internacionais ISO 19642-6 e ISO 6722-2 proporcionan requisitos técnicos para o diámetro do condutor, a resistencia, a resistividade do volume de illamento, etc. Os dous estándares son similares en contido, e a ISO 19642-6 ten requisitos máis detallados para o rendemento de condutores de aluminio automotriz. Polo tanto, o deseño do réxime debe considerar de xeito exhaustivo estes dous estándares internacionais.

Os condutores de aluminio deben ser equivalentes aos condutores de cobre e cumprir tres puntos: en primeiro lugar, deben asegurarse de que teñan condutividade similares e outras propiedades aos condutores de cobre substituídos, asegurando que a función do circuíto orixinal se mantén basicamente ao substituír o material condutor; segundo, evitar que o fío de aluminio sexa oxidado; En terceiro lugar, acadar unha conexión fiable entre o fío de aluminio e o terminal, porque o material de aluminio ten unha dureza baixa e pode fatiga e romper despois de dobrar, enrolamento e vibración de alta frecuencia.

2) Alternativas para os condutores de liña eléctrica

Comparando os estándares internacionais ISO 19642-5 e ISO 6722-1 para condutores de cobre, e ISO 19642-6 e ISO 6722-2 para condutores de aluminio, pódese ver que cando a resistencia é similar, o condutor de aluminio necesita unha especificación maior para conseguir unha condutividade similar á do condutor de coper.

A composición de aluminio e aluminio europeo estándar de composición de aluminio EN 573-3: 2003 estipula que as aliaxes de aluminio e aluminio poden dividirse en 8 series. Entre eles, a serie 1 está puro fío de aluminio cun contido en aluminio superior ao 99%; As aliaxes de aluminio da serie 2 a 8 son novas aliaxes compostas baseadas en aluminio desenvolvidas engadindo diferentes proporcións de nanomateriais SI, Fe, Cu, MG, MN, nano-cerámica e carbono ao aluminio puro. A matriz é unha aliaxe reforzada con calor. Baixo a condición de garantir certa condutividade, maximízase a resistencia á tracción da aleación de aluminio, ao tempo que se asegura unha alargación suficiente.

As características do fío de aluminio puro da serie 1 son de alta condutividade, boa condutividade térmica, resistencia á tracción de 60 ~ 110MPA e alargamento de condutores superiores ao 12%. É o condutor de aluminio máis usado para cables de automoción. Este grao de fío de aluminio é adecuado para cables de alimentación de gran diámetro.

En resumo, pódese seguir o principio de resistencia equivalente para substituír o fío de cobre por fío puro de aluminio por unha área de sección transversal maior, e a resistencia dos fíos antes e despois da substitución é a mesma ou próxima. Por exemplo, a área de sección transversal do fío de cobre orixinal é de 35 mm2, e a resistencia máxima do condutor por unidade de lonxitude a 20 ℃ é de 0,527mΩ / m. A especificación do condutor de aluminio co parámetro de resistencia máis próxima debe aumentar a 60 mm2. Neste momento, a resistencia máxima do condutor por unidade de lonxitude a 20 ℃ é de 0,525mΩ / m.
3) Esquema de conexión entre fíos e terminais
Solución de soldadura por fricción

A tecnoloxía de soldadura por fricción orixinouse hai máis de cen anos. Emprega a calor xerada pola fricción da superficie de contacto da peza para que a peza se deforme plasticamente baixo presión, conseguindo así a soldadura. Esta tecnoloxía é amplamente utilizada nos campos civís e aeroespaciais.

O equipo conduce a peza de traballo a xerar moita calor por fricción, o que reduce a dureza do metal, mellora a plasticidade e fai que os átomos metálicos difundan e frescos e se cristalicen mutuamente para formar unha firme articulación de soldadura de fricción. Ao mesmo tempo, a fricción de alta velocidade destrúe a película de óxido na superficie metálica e mellora a condutividade da articulación soldada. En comparación coa soldadura de fusión tradicional, a soldadura por fricción ten as seguintes características: En primeiro lugar, a articulación soldada ten alta resistencia, calidade estable, boa coherencia de compoñentes e a forza da articulación equivalente á do material pai; En segundo lugar, é de aforro de enerxía e ecolóxico, sen necesidade de soldadura e gases de protección, non se xeran gases tóxicos ou nocivos durante o proceso de soldadura e o equipo consume pouca potencia; En terceiro lugar, a soldadura por fricción pode conseguir a soldadura de materiais diferentes, a articulación non ten poros nin inclusións e non se produce corrosión electroquímica.

Nesta solución, o terminal composto de cobre-aluminio en forma de "L" adopta un proceso de soldadura de fricción rotativa para conectar a placa de cobre forxada final e o cilindro de aluminio puro de cola. A placa de cobre forxada úsase para montar a batería ou o arranque. Está feito de latón, ten alta resistencia, non é fácil de romper durante a instalación, e o enlace superficial pode aliviar a corrosión electroquímica causada polo contacto entre o latón e o corpo do coche. O cilindro de aluminio puro de cola é unha estrutura oca columna usada para conectar o condutor de aluminio. Despois de que o condutor de aluminio sexa colocado no cilindro de aluminio puro por equipos especiais, é arruinado por equipos de forxa. O fío puro de aluminio e o cilindro puro de aluminio están feitos do mesmo material e teñen o mesmo coeficiente de expansión térmica, o que pode evitar a fractura de fatiga cando as temperaturas altas e baixas alternan debido á diferenza no coeficiente de expansión térmica.

As vantaxes desta solución son: a placa de cobre forxada pode cumprir os requisitos de montaxe e o tubo de aluminio que conecta o fío de aluminio pode evitar a fractura de fatiga causada polos distintos coeficientes de expansión térmica da terminal de cobre tradicional e o condutor de aluminio, que non só soluciona o problema e a resistencia terminal.

Despois de que o terminal estea conectado ao condutor de aluminio, pódese usar un tubo de encollemento de calor de dobre parede con cola para o selado. O tubo de encollemento de calor ten illamento, resistencia á corrosión e resistencia ao desgaste. Despois de ser quentado por equipos especiais, a parede exterior encólvese e a cola sólida da parede interna derrete en cola líquida, cubrindo a parte de conexión terminal e a superficie da pel de illamento de arame. Despois do arrefriamento e solidificación, pode lograr a resistencia ao selado e á corrosión e evitar a corrosión da oxidación na articulación.
Solución de soldadura ②Ultrasonic

Desde a década de 1980, a tecnoloxía de soldadura de metais ultrasóns aplicouse á soldadura do arnés de arame, empregando enerxía de vibración de frecuencia ultrasónica para reorganizar a estrutura de celosía molecular metálica e conectar os mesmos ou diferentes metais. A articulación soldada consegue unión metalúrxica sen fundir o material pai, que pertence á soldadura en estado sólido e pode evitar efectivamente a salpicadura e a oxidación da soldadura común.

A tecnoloxía de soldadura por ultrasóns é amplamente utilizada na conexión de fíos e fíos, fíos e terminais. O proceso de soldadura é rápido e os parámetros do proceso pódense controlar durante todo o proceso. A articulación soldada é un conector de metal puro, que non é facilmente afectado polo envellecemento, o rastro e a fatiga. A conexión é firme, a fiabilidade é alta e a resistencia de contacto é baixa.

Esta tecnoloxía pode conectar os mesmos ou diferentes materiais, como o cobre e o aluminio. Dado que o metal está directamente soldado, non se precisa soldadura ou fluxo adicional. Ademais, a soldadura por ultrasóns ten un baixo estrés térmico no material e basicamente non cambia as propiedades do material soldado e dos materiais circundantes. A soldadura por ultrasóns ten un proceso sinxelo, unha alta forza articular, unha boa condutividade e unha ampla gama de especificacións de condutores que se poden soldar. Pódense soldar os condutores cunha área de sección transversal de 160 mm2 ou aínda máis grande. Semellante á tecnoloxía de soldadura de fricción, a tecnoloxía de soldadura por ultrasóns é adecuada para a conexión de materiais e formas diferentes, como cobre e aluminio, fío e placa, e é moi utilizado na industria de fíos e cable. Polo tanto, esta solución usa terminais de latón, que están conectados a condutores de aluminio puro a través da tecnoloxía de soldadura por ultrasóns, e que están arruinados e fixados con garras nos extremos dos terminais para mellorar a fiabilidade da conexión. Do mesmo xeito, pódese usar o tubo de encollemento de calor adhesivo de dobre parede para selar a conexión para evitar a corrosión da oxidación na articulación.

3. Resumo

Con base na situación actual de alto custo e peso pesado dos fíos de cobre automotriz, este artigo estuda os estándares de rendemento dos fíos de cobre e aluminio e propón unha solución técnica para substituír os fíos de cobre por fíos de aluminio, proporcionando un novo xeito de que as empresas reduzan os custos e reduzan o peso.