הצפיפות הגבוהה והעלות של חוטי נחושת מסורתיים ברכב, הניעו את התעשייה לחפש חומרים אלטרנטיביים להשגת הפחתת עלויות ומשקל קל. אלומיניום הפך לתחליף אידיאלי לנחושת בגלל המוליכות הטובה שלו, צפיפות נמוכה ועלות נמוכה, אך יש לו גם בעיות כמו חוזק נמוך וחמצון קל. המאמר מתמקד בכבלי כוח רכב גדולים, ובוחן עמוק את הקשיים הטכניים שצריך לפתור בעת החלפת הנחושת באלומיניום, כולל מוליכות, חוזק, זחילה דחיסה, חמצון והבדלים במקדמי התפשטות תרמית. על ידי ניתוח תקני חוט רכב בינלאומיים, נערך מחקר היתכנות על החלפת נחושת באלומיניום, והוצע פיתרון טכני ספציפי: באמצעות חוט אלומיניום טהור בסדרה עם שטח חתך גדול יותר שיחליף חוט נחושת, בעקבות עקרון ההתנגדות השווה; מתן שני פתרונות חיבור תיל וטרמינל: ריתוך חיכוך וריתוך קולי, ושימוש בצינורות חום דבק כפול-קירות לצינורות איטום. המאמר מספק נתיב חדש עם ערך התייחסות לחברות רכב כדי להשיג הפחתת עלויות ומשקל קל.

רתמות חיווט לרכב נמצאות בכל גוף המכונית. חוטים מסורתיים עשויים מחתך אלקטרוליטי טוהר גבוה מזויף, נמשכים ומוכרים על ידי תהליכים מיוחדים. בשל הצפיפות הגבוהה של הנחושת, המשקל הכולל של רתמת חיווט הרכב עולה על 20 ק"ג והעלות גבוהה, מה שמביא לחץ עלות לארגונים. לשם כך, התעשייה בוחנת באופן פעיל חומרים אלטרנטיביים לחוטי נחושת כדי להשיג את המטרות של הפחתת עלויות וקלות משקל. בקרב חומרי מוליך נפוצים, אלומיניום הוא תחליף אידיאלי. יש לו מוליכות טובה, שנייה רק לנחושת בין מתכות נפוצות, והיא קלה במשקל. צפיפותו היא כ- 30% מהנחושת והעלות שלו היא רק 20% ~ 30% מהנחושת, אך יש לה בעיות כמו חוזק נמוך וחמצון קל. מאמר זה מציע פיתרון טכני להתייחסות להחלפת נחושת באלומיניום לכבלי כוח רכב גדולים.

1. סוגיות טכניות שצריך לפתור בעת החלפת הנחושת באלומיניום

אלומיניום עדיף על הנחושת בעלות ובאיכות, והפך למקום חם להפחתת עלויות ומחקר קל משקל בחברות רכב. עם זאת, אלומיניום מחליף נחושת עדיין עומד בפני כמה קשיים טכניים.

1) המוליכות של האלומיניום נחותה מהנחושת. אם הבעיה נפתרת על ידי הגדלת שטח החתך של חוט האלומיניום, יש להגדיל את מפרט חוט האלומיניום ברמות של 1 ~ 2, מה שיהפוך את רתמת חוט האלומיניום לגדולה מרתמת חוט הנחושת. יש לקחת בחשבון את שטח ההתקנה ורדיוס הכיפוף בעת סידור הרתמה.

2) לאלומיניום יש חוזק נמוך. הכוח המכני הוא רק 1 / 3 מזה של הנחושת, וקל לשבור במהלך לחיצה. כאשר המכונית נוהגת, החוט רוטט וקל לשבור, כך שצריך להגדיל את חוזק חוט האלומיניום.

3) לאלומיניום יש תופעת זחילה דחוסית משמעותית. בסביבות 80 ℃ הזחילה מתעצמת בלחץ, בעוד הנחושת צריכה להיות מעל 230 ℃ כדי להראות מידה מסוימת של זחילה דחוסית. מאפייני הזחילה הדחיסה של אלומיניום יגרמו לנקודת החיבור להשתחרר עם שינויי טמפרטורה וזמן לאחר הטרמינל מכווץ, ומשפיע על הביצועים החשמליים של החוט.

לפיכך, טכנולוגיית חיבור אלומיניום-נחושת דורשת תכנון מיוחד כדי להבטיח ביצועים חשמליים אמינים לאורך מחזור חיי המוצר.

4) אלומיניום פעיל כימית. הוא מחומצן בקלות כאשר הוא נחשף לאוויר, ויוצר סרט תחמוצת אלומיניום צפופה וקשה. לתחמוצת האלומיניום תכונות בידוד חזקות וישפיעו על המוליכות של חוטי אלומיניום. כאשר אלומיניום נוגע במסופי נחושת בסביבה לחה ומלאת אנרגיה, קל ליצור תגובה גלוונית, מה שגורם לקורוזיה אלקטרוכימית בחיבור ולהשית את מוליך האלומיניום. יש להימנע מהמצב הזה.

5) לאלומיניום ונחושת יש מקדמי התרחבות תרמיים שונים. לאחר חילופין לטווח הארוך של חם וקור, קל לשחרור את החיבור, ומשפיע על אמינות נקודת החיבור.

2. ניתוח היתרון ופתרונות טכניים של אלומיניום החלפת נחושת

1) ניתוח היתכנות

באופן בינלאומי, ישנם שלושה תקני חוט רכב עיקריים: אמריקאים, יפניים ואירופיים. עם השילוב הגלובלי של הטכנולוגיה התעשייתית בענף הרכב, תקני החוט של מדינות שונות מתקרבים בהדרגה לסדרת ISO של סטנדרטים בינלאומיים. נכון לעכשיו, מרבית יצרני היצרנים המקומיים ברכב המקומי משתמשים בחוטי ליבת נחושת ועוקבים אחר התקנים הבינלאומיים של ISO 19642-5 ו- ISO 6722-1. לשני תקנים אלה יש דרישות טכניות דומות לחוטי ליבת נחושת רכב, ושניהם מציינים את ההתנגדות, עומדים בפני מתח ומאפיינים אחרים של החוטים בפירוט. ביניהם, ISO 19642-5 יש דרישות מפורטות יותר לביצועי החוט.

חוטי אלומיניום זרים משמשים ביישומים תעשייתיים במשך 30 שנה לפחות. הם שימשו לראשונה בענף התעופה והחלו לשמש בתחום הרכב בראשית המאה ה -21. בשנת 2013 שוחרר התקן הבינלאומי הרשמי ISO 6722-2 לחוטי אלומיניום רכב, ובשנת 2019 שוחרר ISO 19642-6 הדומה. תקנים בינלאומיים ISO 19642-6 ו- ISO 6722-2 מספקים דרישות טכניות לקוטר המוליך, התנגדות, התנגדות לנפח בידוד וכו '. שני הסטנדרטים דומים בתוכן, ו- ISO 19642-6 יש דרישות מפורטות יותר לביצועים של מוליכי אלומיניום לרכב. לפיכך, תכנון התוכנית צריך לשקול באופן מקיף שני סטנדרטים בינלאומיים אלה.

מוליכי אלומיניום חייבים להיות שקולים למוליכי נחושת ולפגוש שלוש נקודות: ראשית, עליהם להבטיח שיש להם מוליכות דומה ותכונות אחרות למוליכי הנחושת שהוחלפו, ולהבטיח כי פונקציית המעגל המקורית נשמרת בעצם בעת החלפת חומר המוליך; שנית, למנוע מחמצן חוט האלומיניום; שלישית, השג חיבור אמין בין חוט האלומיניום לטרמינל, מכיוון שלחומר האלומיניום יש קשיות נמוכה ועשוי לעייף ולהישבר לאחר כיפוף, פיתול ורטט בתדירות גבוהה.

2) אלטרנטיבות למוליכי קו חשמל

בהשוואה בין התקנים הבינלאומיים ISO 19642-5 ו- ISO 6722-1 למוליכי נחושת, ו- ISO 19642-6 ו- ISO 6722-2 למוליכי אלומיניום, ניתן לראות שכאשר ההתנגדות דומה, מוליך האלומיניום זקוק למפרט גדול יותר כדי להשיג מוליכות הדומה לזה של מוליך הנחושת.

תקן הרכב האלומיניום והאלומיניום האירופי ואלומיניום EN 573-3: 2003 קובע כי ניתן לחלק סגסוגות אלומיניום ואלומיניום לשמונה סדרות. ביניהם, סדרה 1 היא חוט אלומיניום טהור עם תכולת אלומיניום של יותר מ- 99%; סדרה 2 עד 8 סגסוגות אלומיניום הן סגסוגות מורכבות מבוססות אלומיניום חדשות שפותחו על ידי הוספת פרופורציות שונות של Si, Fe, Cu, Mg, Mn, Nano-Ceramics וננו-חומרים פחמניים לאלומיניום טהור. המטריצה היא סגסוגת מחוזקת מטופלת בחום. בתנאי הבטחת מוליכות מסוימת, חוזק המתיחה של סגסוגת האלומיניום ממקסם, תוך הבטחת התארכות מספקת.

המאפיינים של חוט אלומיניום טהור של סדרה 1 הם מוליכות גבוהה, מוליכות תרמית טובה, חוזק מתיחה של 60 ~ 110MPA, והתארכות מוליכים העולה על 12%. זהו מוליך האלומיניום הנפוץ ביותר עבור כבלי רכב. ציון זה של חוט אלומיניום מתאים למיתרי חשמל בקוטר גדול.

לסיכום, ניתן לעקוב אחר עקרון ההתנגדות המקבילה כדי להחליף את חוט הנחושת בחוט אלומיניום טהור בשטח חתך גדול יותר, והתנגדות החוטים לפני ואחרי ההחלפה זהה או קרובה. לדוגמה, שטח החתך של חוט הנחושת המקורי הוא 35 מ"מ2, וההתנגדות המרבית של המוליך לכל אורך יחידה ב 20 ℃ היא 0.527mΩ / m. יש להגדיל את מפרט מוליך האלומיניום עם פרמטר ההתנגדות הקרוב ביותר ל 60 מ"מ 2. נכון לעכשיו, ההתנגדות המרבית של המוליך לכל אורך יחידה ב 20 ℃ היא 0.525mΩ / m.
3) ערכת חיבור בין חוטים למסופים
① פתרון ריתוך ריתוך

מקורו של טכנולוגיית ריתוך לחיכוך לפני יותר ממאה שנה. הוא משתמש בחום שנוצר על ידי חיכוך משטח המגע של חומר העבודה כדי להפוך את חומר העבודה לעיוות בפלסט בלחץ, ובכך להשיג ריתוך. טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש נרחב בשדות האזרחים והחלל.

הציוד מניע את חומר העבודה ליצירת חום רב על ידי חיכוך, מה שמפחית את קשיות המתכת, משפר את הפלסטיות, וגורם לאטומי המתכת להתפזר ולקרר ומגבשים זה את זה ליצירת מפרק ריתוך חיכוך יציב. במקביל, חיכוך במהירות גבוהה הורס את סרט תחמוצת על פני המתכת ומשפר את המוליכות של המפרק המרתך. בהשוואה לריתוך היתוך מסורתי, לריתוך החיכוך יש את המאפיינים הבאים: ראשית, למפרק המרותך יש חוזק גבוה, איכות יציבה, עקביות רכיב טוב, והעוצמה המפרקית שווה לזו של חומר האב; שנית, מדובר בחיסכון באנרגיה וידידותי לסביבה, ללא צורך במוטות ריתוך וגזים מגנים, לא נוצרים גזים רעילים או מזיקים במהלך תהליך הריתוך, והציוד צורך כוח מועט; שלישית, ריתוך חיכוך יכול להשיג ריתוך של חומרים שונים, למפרק אין נקבוביות או תכלילים, ולא מתרחש קורוזיה אלקטרוכימית.

בפתרון זה, המסוף המורכב של נחושת-אלומיניום בצורת "L" נוקט בתהליך ריתוך חיכוך סיבובי כדי לחבר את צלחת הנחושת המזויפת לקצה ואת גליל האלומיניום הטהור של הזנב. לוחית הנחושת המזויפת משמשת להרכבה לסוללה או למתנע. הוא עשוי מפליז, בעל חוזק גבוה, לא קל לשבור במהלך ההתקנה, והפח השטח יכול להקל על הקורוזיה האלקטרוכימית הנגרמת על ידי המגע בין הפליז לגוף המכונית. צילינדר האלומיניום הטהור של הזנב הוא מבנה חלול עמודים המשמש לחיבור מוליך האלומיניום. לאחר שהמוליך האלומיניום יושב בתוך צילינדר האלומיניום הטהור על ידי ציוד מיוחד, הוא מכורב על ידי ציוד זיוף. חוט האלומיניום הטהור וגליל האלומיניום הטהור עשויים מאותו חומר ויש להם מקדם התפשטות תרמי זהה, שיכול להימנע משבר בעייפות כאשר טמפרטורות גבוהות ונמוכות מתחלפות בגלל ההבדל במקדם ההתרחבות התרמית.

היתרונות של פיתרון זה הם: לוחית הנחושת המזויפת יכולה לעמוד בדרישות ההרכבה, וצינור האלומיניום המחבר בין חוט האלומיניום יכול להימנע משבר עייפות הנגרם על ידי מקדמי ההתרחבות התרמיים השונים של מסוף הנחושת המסורתי ומוליך אלומיניום, אשר לא רק פותר את הבעיה של התקנת הטרמינל, אלא גם פותר את הבעייה בין המוליך.

לאחר שהטרמינל מחובר למוליך האלומיניום, ניתן להשתמש בצינור מכווץ חום כפול קירות עם דבק לאיטום. בצינור התכווצות החום יש בידוד, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בלאי. לאחר שחיממה על ידי ציוד מיוחד, הקיר החיצוני מתכווץ והדבק המוצק על הקיר הפנימי נמס לדבק נוזלי, ומכסה את חלק החיבור הסופני ואת פני עור בידוד החוט. לאחר קירור והתמצקות, הוא יכול להשיג עמידות לאיטום וקורוזיה, ולמנוע קורוזיה חמצון במפרק.
פתרון ריתוך אולטרסוני

מאז שנות השמונים הוחלה טכנולוגיית ריתוך מתכת קולי על ריתוך לרתום תיל, תוך שימוש באנרגיית רטט תדר קולי כדי לארגן מחדש את מבנה הסריג המולקולרי המתכת ולחבר את אותו מתכות או שונות. המפרק המרותך משיג מליטה מתכתית מבלי להמיס את חומר האב, השייך לריתוך במצב מוצק ויכול להימנע ביעילות מהפיצוץ וחמצון הריתוך הרגיל.

טכנולוגיית ריתוך קולית נמצאת בשימוש נרחב בחיבור חוטים וחוטים, חוטים ומסופים. תהליך הריתוך מהיר וניתן לעקוב אחר פרמטרי התהליך לאורך כל התהליך. המפרק המרותך הוא מחבר מתכת טהור, שאינו מושפע בקלות מהזדקנות, זחילה ועייפות. החיבור הוא יציב, האמינות גבוהה והתנגדות המגע נמוכה.

טכנולוגיה זו יכולה לחבר בין אותם חומרים או שונים, כמו נחושת ואלומיניום. מכיוון שהמתכת מרותכת ישירות, אין צורך בהלחמה או שטף נוספים. בנוסף, לריתוך קולי יש לחץ תרמי נמוך על החומר ובעצם אינו משנה את תכונות החומר המרותך והחומרים הסובבים אותו. לריתוך קולי יש תהליך פשוט, חוזק מפרק גבוה, מוליכות טובה ומגוון רחב של מפרטי מוליכים שניתן לרתך. ניתן לרתך מוליכים עם שטח חתך של 160 מ"מ 2 ואף גדולים יותר. בדומה לטכנולוגיית ריתוך חיכוך, טכנולוגיית ריתוך קולי מתאימה לחיבור של חומרים וצורות שונות, כמו נחושת ואלומיניום, חוט וצלחת, והיא נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית התיל והכבלים. לפיכך, פיתרון זה משתמש במסופי פליז, המחוברים למוליכי אלומיניום טהורים באמצעות טכנולוגיית ריתוך קולי, והם מכווצים וקבועים עם טפרים בקצות הטרמינלים כדי לשפר את אמינות החיבור. באופן דומה, ניתן להשתמש בצינורות מכווץ חום דבק כפול קירות כדי לאטום את החיבור כדי למנוע קורוזיה של חמצון במפרק.

3. סיכום

בהתבסס על המצב הנוכחי של עלות גבוהה ומשקל כבד של חוטי נחושת לרכב, מאמר זה חוקר את תקני הביצועים של חוטי נחושת ואלומיניום, ומציע פיתרון טכני להחלפת חוטי נחושת בחוטי אלומיניום, ומספק דרך חדשה לארגונים להפחתת עלויות ולהפחתת משקל.