L'elevata densità e il costo dei tradizionali fili di rame nelle automobili hanno spinto l'industria a cercare materiali alternativi per ottenere una riduzione dei costi e leggero. L'alluminio è diventato un sostituto ideale per il rame a causa della sua buona conducibilità, bassa densità e basso costo, ma ha anche problemi come bassa resistenza e facile ossidazione. L'articolo si concentra sui cavi di potenza automobilistica di grandi sezioni ed esplora profondamente le difficoltà tecniche che devono essere risolte quando si sostituiscono il rame con alluminio, tra cui conducibilità, resistenza, creep di compressione, ossidazione e differenze nei coefficienti di espansione termica. Analizzando gli standard di filo automobilistico internazionale, è stato condotto uno studio di fattibilità sulla sostituzione del rame con alluminio e è stata proposta una soluzione tecnica specifica: utilizzando filo di alluminio puro 1 serie con un'area trasversale più ampia per sostituire il filo di rame, seguendo il principio di resistenza equivalente; Fornire due soluzioni di collegamento a filo e terminale: saldatura ad attrito e saldatura ad ultrasuoni e utilizzando tubi di restringimento del calore adesivo a doppia parete per la tenuta. L'articolo fornisce un nuovo percorso con valore di riferimento per le aziende automobilistiche per raggiungere la riduzione dei costi e il leggero.

I cablaggi automobilistici sono su tutto il corpo dell'auto. I fili tradizionali sono realizzati in rame elettrolitico ad alta purezza forgiato, disegnato e incernierati da processi speciali. A causa dell'elevata densità del rame, il peso totale del cablaggio del veicolo supera i 20 kg e il costo è elevato, il che porta la pressione dei costi alle imprese. A tal fine, l'industria sta esplorando attivamente materiali alternativi per i fili di rame per raggiungere gli obiettivi di riduzione dei costi e leggero. Tra i materiali di conduttore comune, l'alluminio è un sostituto ideale. Ha una buona conduttività, seconda solo al rame tra i metalli comunemente usati, ed è leggero. La sua densità è di circa il 30% di rame e il suo costo è solo del 20% ~ 30% di rame, ma ha problemi come bassa resistenza e facile ossidazione. Questo articolo propone una soluzione tecnica di riferimento per sostituire il rame con alluminio per cavi di alimentazione automobilistica di grandi sezioni.

1. Problemi tecnici che devono essere risolti quando si sostituiscono il rame con alluminio

L'alluminio è superiore al rame in termini di costi e qualità ed è diventato un punto caldo per la riduzione dei costi e la ricerca leggera nelle aziende automobilistiche. Tuttavia, l'alluminio che sostituisce il rame deve ancora affrontare alcune difficoltà tecniche.

1) La conduttività dell'alluminio è inferiore al rame. Se il problema viene risolto aumentando l'area della sezione trasversale del filo di alluminio, le specifiche del filo di alluminio devono essere aumentate di 1 ~ 2 livelli, il che renderà il cablaggio in alluminio più grande del cablaggio del filo di rame. Lo spazio di installazione e il raggio di flessione devono essere considerati quando si dispone dell'imbracatura.

2) L'alluminio ha una bassa resistenza. La resistenza meccanica è solo 1 / 3 di quella del rame ed è facile essere rotti durante la crimpatura. Quando l'auto guida, il filo vibra ed è facile da rompere, quindi la resistenza del filo di alluminio deve essere aumentata.

3) L'alluminio ha un fenomeno di creep di compressione significativo. A circa 80 ℃, il creep si intensifica sotto pressione, mentre il rame deve essere superiore a 230 ℃ per mostrare un certo grado di creep di compressione. Le caratteristiche di creep di compressione dell'alluminio causano l'allevamento del punto di connessione con variazioni di temperatura e tempo dopo che il terminale è stato piegato, influenzando le prestazioni elettriche del filo.

Pertanto, la tecnologia di connessione in alluminio richiede un design speciale per garantire prestazioni elettriche affidabili durante il ciclo di vita del prodotto.

4) L'alluminio è chimicamente attivo. È facilmente ossidato quando esposto all'aria, formando un film di ossido di alluminio denso e duro. L'ossido di alluminio ha forti proprietà di isolamento e influenzerà la conduttività dei fili di alluminio. Quando l'alluminio contatta i terminali di rame in un ambiente umido ed energizzato, è facile formare una reazione galvanica, causando corrosione elettrochimica sulla connessione e corrosi nel conduttore di alluminio. Questa situazione deve essere evitata.

5) L'alluminio e il rame hanno diversi coefficienti di espansione termica. Dopo l'alternamento a lungo termine di caldo e freddo, la connessione è facile da allentare, influenzando l'affidabilità del punto di connessione.

2. Analisi della funzionalità e soluzioni tecniche dell'alluminio che sostituisce il rame

1) Analisi di fattibilità

A livello internazionale, ci sono tre principali standard di filo automobilistico: americano, giapponese ed europeo. Con l'integrazione globale della tecnologia industriale nell'industria automobilistica, gli standard Wire di vari paesi si stanno avvicinando gradualmente alla serie ISO di standard internazionali. Allo stato attuale, la maggior parte degli OEM automobilistici domestici utilizza fili del nucleo di rame e seguiranno gli standard internazionali ISO 19642-5 e ISO 6722-1. Questi due standard hanno requisiti tecnici simili per i fili del nucleo di rame automobilistico, ed entrambi specificano la resistività, la tensione di resistenza e altre caratteristiche dei fili in dettaglio. Tra questi, ISO 19642-5 ha requisiti più dettagliati per le prestazioni del filo.

I fili di alluminio estero sono stati utilizzati in applicazioni industriali per almeno 30 anni. Furono usati per la prima volta nel settore dell'aviazione e iniziarono ad essere utilizzati nel campo automobilistico all'inizio del 21 ° secolo. Nel 2013 è stata rilasciata la Standard International ufficiale ISO 6722-2 per i fili di alluminio automobilistico e nel 2019 è stato rilasciato l'ISO simile 19642-6. Standard internazionali ISO 19642-6 e ISO 6722-2 forniscono requisiti tecnici per il diametro del conduttore, la resistenza, la resistività del volume dell'isolamento, ecc. I due standard sono simili nel contenuto e ISO 19642-6 ha requisiti più dettagliati per le prestazioni dei direttori di alluminio automobilistico. Pertanto, la progettazione dello schema deve considerare in modo completo questi due standard internazionali.

I conduttori di alluminio devono essere equivalenti ai conduttori di rame e soddisfare tre punti: in primo luogo, devono assicurarsi che abbiano una conduttività simile e altre proprietà ai conduttori di rame sostituiti, garantendo che la funzione del circuito originale sia sostanzialmente mantenuta durante la sostituzione del materiale del conduttore; In secondo luogo, impedire che il filo di alluminio venga ossidato; In terzo luogo, ottenere una connessione affidabile tra il filo di alluminio e il terminale, poiché il materiale in alluminio ha una bassa durezza e può affaticamento e rottura dopo la flessione, l'avvolgimento e le vibrazioni ad alta frequenza.

2) Alternative per i conduttori della linea elettrica

Confrontando gli standard internazionali ISO 19642-5 e ISO 6722-1 per i conduttori di rame e ISO 19642-6 e ISO 6722-2 per i conduttori di alluminio, si può vedere che quando la resistenza è simile, il conduttore di alluminio ha bisogno di una specifica più ampia per ottenere una conduttività simile al direttore del coper.

Lo standard di composizione in lega di alluminio e alluminio europeo EN 573-3: 2003 stabilisce che le leghe di alluminio e alluminio possono essere divise in 8 serie. Tra questi, la serie 1 è un filo di alluminio puro con un contenuto di alluminio superiore al 99%; Le leghe di alluminio delle serie 2 a 8 sono nuove leghe composite a base di alluminio sviluppate aggiungendo diverse proporzioni di SI, Fe, Cu, MG, MN, nano-ceramica e nanomateriali di carbonio in alluminio puro. La matrice è una lega rafforzata trattata dal calore. Sotto la condizione di garantire una certa conduttività, la resistenza alla trazione della lega di alluminio viene massimizzata, garantendo al contempo un allungamento sufficiente.

Le caratteristiche del filo in alluminio puro in serie sono elevati conducibilità, buona conducibilità termica, resistenza alla trazione di 60 ~ 110 MPA e allungamento del conduttore superiore al 12%. È il conduttore di alluminio più comunemente usato per i cavi automobilistici. Questo grado di filo in alluminio è adatto per cavi di alimentazione di grandi diametro.

In sintesi, il principio di resistenza equivalente può essere seguito per sostituire il filo di rame con filo di alluminio puro con un'area di sezione trasversale più ampia e la resistenza dei fili prima e dopo la sostituzione è la stessa o vicina. Ad esempio, l'area della sezione trasversale del filo di rame originale è di 35 mm2 e la resistenza massima del conduttore per unità di lunghezza a 20 ℃ è 0,527MΩ / m. La specifica del conduttore in alluminio con il parametro di resistenza più vicino deve essere aumentata a 60 mm2. Al momento, la massima resistenza del conduttore per unità di lunghezza a 20 ℃ è 0,525 mΩ / m.
3) Schema di connessione tra fili e terminali
① Soluzione di saldatura a frizione

La tecnologia di saldatura ad attrito è nata più di cento anni fa. Utilizza il calore generato dall'attrito della superficie di contatto del pezzo per far deformare in modo plastico il pezzo sotto pressione, raggiungendo così la saldatura. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata nei campi civili e aerospaziali.

L'attrezzatura spinge il pezzo a generare molto calore per attrito, il che riduce la durezza del metallo, migliora la plasticità e rende gli atomi di metallo diffusi e raffreddati e si cristallizzano a vicenda per formare un'articolazione saldata. Allo stesso tempo, l'attrito ad alta velocità distrugge il film di ossido sulla superficie del metallo e migliora la conduttività dell'articolazione saldata. Rispetto alla saldatura di fusione tradizionale, la saldatura di attrito ha le seguenti caratteristiche: in primo luogo, l'articolazione saldata ha un'alta resistenza, una qualità stabile, una buona coerenza dei componenti e la resistenza all'articolazione è equivalente a quella del materiale genitore; In secondo luogo, è risparmio energetico e rispettoso dell'ambiente, senza la necessità di barre di saldatura e gas protettivi, durante il processo di saldatura non vengono generati gas tossici o dannosi e l'attrezzatura consuma scarsa energia; In terzo luogo, la saldatura ad attrito può raggiungere la saldatura di materiali diversi, l'articolazione non ha pori o inclusioni e non si verifica la corrosione elettrochimica.

In questa soluzione, il terminale composito a forma di rame-alluminio a forma di "L" adotta un processo di saldatura ad attrito rotante per collegare la piastra di rame forgiata e il cilindro di alluminio puro della coda. La piastra di rame forgiata viene utilizzata per assemblare la batteria o il antipasto. È realizzato in ottone, ha un'alta resistenza, non è facile da rompere durante l'installazione e la stagna di superficie può alleviare la corrosione elettrochimica causata dal contatto tra l'ottone e il corpo dell'auto. Il cilindro in alluminio puro della coda è una struttura cavata colonnare utilizzata per collegare il conduttore di alluminio. Dopo che il conduttore di alluminio è stato inserito nel cilindro di alluminio puro da attrezzature speciali, è arricchito da attrezzature di forgiatura. Il filo di alluminio puro e il cilindro di alluminio puro sono realizzati con lo stesso materiale e hanno lo stesso coefficiente di espansione termica, che può evitare la frattura da fatica quando temperature elevate e basse si alternano a causa della differenza nel coefficiente di espansione termica.

I vantaggi di questa soluzione sono: la piastra di rame forgiata può soddisfare i requisiti di assemblaggio e il tubo di alluminio che collega il filo di alluminio può evitare la frattura da fatica causata dai diversi coefficienti di espansione termica del terminale di rame tradizionale e al terminale di alluminio.

Dopo che il terminale è stato collegato al conduttore di alluminio, è possibile utilizzare un tubo di restringimento del calore a doppia parete con colla per la tenuta. Il tubo di restringimento del calore ha isolamento, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura. Dopo essere stata riscaldata da attrezzature speciali, la parete esterna si restringe e la colla solida sulla parete interna si scioglie in colla liquida, coprendo la parte di connessione del terminale e la superficie della pelle dell'isolamento del filo. Dopo il raffreddamento e la solidificazione, può ottenere resistenza alla sigillatura e alla corrosione e prevenire la corrosione di ossidazione sul giunto.
②Ultrasonic Soluzione di saldatura

Dagli anni '80, la tecnologia di saldatura in metallo ad ultrasuoni è stata applicata per la saldatura del cablaggio, utilizzando l'energia di vibrazione della frequenza ad ultrasuoni per riorganizzare la struttura del reticolo molecolare metallico e collegare i metalli stessi o diversi. L'articolazione saldata raggiunge un legame metallurgico senza sciogliere il materiale genitore, che appartiene alla saldatura a stato solido e può effettivamente evitare gli schizzi e l'ossidazione della saldatura ordinaria.

La tecnologia di saldatura ad ultrasuoni è ampiamente utilizzata nella connessione di fili e fili, fili e terminali. Il processo di saldatura è rapido e i parametri di processo possono essere monitorati durante il processo. L'articolazione saldata è un connettore metallico puro, che non è facilmente influenzato dall'invecchiamento, dal creep e dalla fatica. La connessione è ferma, l'affidabilità è elevata e la resistenza di contatto è bassa.

Questa tecnologia può collegare gli stessi o diversi materiali, come rame e alluminio. Poiché il metallo è saldato direttamente, non è necessaria alcuna saldatura o flusso aggiuntiva. Inoltre, la saldatura ad ultrasuoni ha una bassa sollecitazione termica sul materiale e sostanzialmente non cambia le proprietà del materiale saldato e dei materiali circostanti. La saldatura ad ultrasuoni ha un processo semplice, alta resistenza articolare, buona conducibilità e una vasta gamma di specifiche di conduttore che possono essere saldate. Possono essere saldati i conduttori con una sezione trasversale di 160 mm2 o anche più grande. Simile alla tecnologia di saldatura dell'attrito, la tecnologia di saldatura ad ultrasuoni è adatta alla connessione di materiali e forme diversi, come rame e alluminio, filo e piastra ed è ampiamente utilizzata nel settore del filo e dei cavi. Pertanto, questa soluzione utilizza terminali di ottone, che sono collegati a conduttori di alluminio puri attraverso la tecnologia di saldatura ad ultrasuoni e sono piegati e fissati con artigli alle estremità dei terminali per migliorare l'affidabilità della connessione. Allo stesso modo, il tubo di restringimento del calore adesivo a doppia parete può essere utilizzato per sigillare la connessione per prevenire la corrosione di ossidazione sul giunto.

3. Riepilogo

Sulla base dell'attuale situazione di alto costo e pesante peso dei fili di rame automobilistico, questo documento studia gli standard di prestazione dei fili di rame e alluminio e propone una soluzione tecnica per la sostituzione di fili di rame con fili di alluminio, fornendo un nuovo modo per ridurre i costi e ridurre il peso.