自動車の従来の銅線の高密度とコストにより、業界はコスト削減と軽量化を達成するために代替材料を探すようになりました。アルミニウムは、その良好な導電率、低密度、低コストのために銅の理想的な代替品となっていますが、低強度や酸化などの問題もあります。この記事では、大規模な自動車電源ケーブルに焦点を当てており、熱膨張係数の導電率、強度、圧縮クリープ、酸化、違いを含む銅をアルミニウムに置き換えるときに解決する必要がある技術的な困難を深く調査します。国際的な自動車ワイヤ基準を分析することにより、銅の置換に関する実現可能性調査が行われ、特定の技術的ソリューションが提案されました。同等の抵抗の原理に従って、1つのシリーズの純粋なアルミニウムワイヤーを銅線を置き換えるためにより大きな断面積で使用します。摩擦溶接と超音波溶接の2つのワイヤと端子接続ソリューションの提供、およびシーリングのために二重壁の接着熱収縮チューブを使用します。この記事は、自動車会社がコスト削減と軽量化を達成するための参照値を備えた新しいパスを提供します。

自動車のワイヤーハーネスは車体全体にあります。従来のワイヤは、特別なプロセスによって鍛造され、描画され、ヒンジされた高純度の電解銅で作られています。銅の密度が高いため、車両の配線ハーネスの総重量は20kgを超え、コストが高く、企業にコスト圧力がかかります。この目的のために、業界は銅線の代替材料を積極的に調査して、コスト削減と軽量化の目標を達成しています。一般的な導体材料の中で、アルミニウムは理想的な代替品です。それは良好な導電率を持ち、一般的に使用される金属の間で銅に2番目であり、重量が軽いです。その密度は銅の約30％であり、そのコストは銅の20％〜30％に過ぎませんが、低強度や酸化などの問題があります。この記事では、大規模な自動車電源ケーブル用の銅をアルミニウムに置き換えるための参照技術ソリューションを提案しています。

1.銅をアルミニウムに置き換えるときに解決する必要がある技術的な問題

アルミニウムは、コストと品質が銅よりも優れており、自動車企業のコスト削減と軽量研究のホットスポットとなっています。ただし、銅を置き換えるアルミニウムは、まだいくつかの技術的な困難に直面しています。

1）アルミニウムの導電率は銅より劣っています。アルミニウムワイヤの断面積を増やすことで問題が解決する場合、アルミニウムワイヤの仕様を1〜2レベルにする必要があります。これにより、アルミニウムワイヤハーネスが銅線ハーネスよりも大きくなります。ハーネスを配置するときは、設置スペースと曲げ半径を考慮する必要があります。

2）アルミニウムの強度は低い。機械的強度は銅の1 / 3のみであり、圧着中に壊れるのは簡単です。車が運転しているとき、ワイヤーが振動し、壊れやすいので、アルミニウムワイヤの強度を増やす必要があります。

3）アルミニウムには有意な圧縮クリープ現象があります。約80℃では、クリープは圧力下で強化されますが、銅はある程度の圧縮クリープを示すために230℃を超える必要があります。アルミニウムの圧縮クリープ特性により、接続ポイントは温度の変化とターミナルが圧着された後の時間とともに緩み、ワイヤの電気性能に影響します。

したがって、アルミニウムコッパー接続技術では、製品のライフサイクル全体で信頼できる電気性能を確保するために特別な設計が必要です。

4）アルミニウムは化学的に活性です。空気にさらされると簡単に酸化され、密集した硬い酸化アルミニウム膜が形成されます。酸化アルミニウムには強い断熱特性があり、アルミニウム線の導電率に影響します。アルミニウムが湿気とエネルギーの環境で銅端子に接触する場合、ガルバニック反応を形成し、接続で電気化学的腐食を引き起こし、アルミニウム導体を腐食させることが簡単です。この状況は避けなければなりません。

5）アルミニウムと銅には、熱膨張係数が異なります。ホットとコールドの長期的な交互の後、接続は簡単に緩められ、接続ポイントの信頼性に影響します。

2.銅を置き換えるアルミニウムの実現可能性分析と技術ソリューション

1）実現可能性分析

国際的には、アメリカ、日本、ヨーロッパの3つの主要なワイヤー基準があります。自動車産業における産業技術の世界的な統合により、さまざまな国のワイヤー基準は、ISOシリーズの国際基準に徐々に近づいています。現在、ほとんどの国内の自動車OEMは銅コアワイヤを使用しており、ISO 19642-5およびISO 6722-1国際基準に従っています。これらの2つの標準には、自動車銅のコアワイヤに関する同様の技術的要件があり、どちらも抵抗率、電圧に耐えること、およびワイヤのその他の特性に耐えることを詳細に指定しています。その中で、ISO 19642-5には、ワイヤー性能のためのより詳細な要件があります。

外国のアルミニウム線は、少なくとも30年間産業用途で使用されてきました。それらは最初に航空業界で使用され、21世紀初頭に自動車分野で使用され始めました。 2013年には、自動車アルミニウムワイヤの公式の国際標準ISO 6722-2がリリースされ、2019年には同様のISO 19642-6がリリースされました。国際標準ISO 19642-6およびISO 6722-2は、導体の直径、抵抗、断熱量抵抗性などの技術的要件を提供します。2つの基準は内容が類似しており、ISO 19642-6には自動車アルミニウム導体の性能に関するより詳細な要件があります。したがって、スキームの設計は、これら2つの国際基準を包括的に考慮する必要があります。

アルミニウム導体は銅導体と同等であり、3つのポイントを満たす必要があります。まず、交換された銅線と同様の導電率と他の特性があることを確認し、導体材料の交換中に元の回路関数が基本的に維持されるようにしなければなりません。第二に、アルミニウムワイヤーが酸化されないようにします。第三に、アルミニウム材料の硬度が低く、曲げ、巻き、および高周波振動後に疲労して壊れる可能性があるため、アルミニウムワイヤと端子の間に信頼できる接続を実現します。

2）電力線導体の代替

銅導体の国際基準ISO 19642-5およびISO 6722-1、およびアルミニウム導体のISO 19642-6およびISO 6722-2を比較すると、耐性が類似している場合、アルミニウム導体は銅導体と同様の導電率を達成するためにより大きな仕様が必要であることがわかります。

ヨーロッパのアルミニウムおよびアルミニウム合金組成標準EN 573-3：2003は、アルミニウムとアルミニウム合金を8シリーズに分割できることを規定しています。その中で、シリーズ1は、99％以上のアルミニウム含有量を備えた純粋なアルミニウムワイヤです。シリーズ2から8アルミニウム合金は、Si、Fe、Cu、Mg、Mn、ナノセラミクスおよび炭素ナノ材料を純アルミニウムに追加することにより、新しいアルミニウムベースの複合合金です。マトリックスは、熱処理された強化された合金です。特定の導電率を確保する条件下では、十分な伸長を確保しながら、アルミニウム合金の引張強度が最大化されます。

1シリーズの純粋なアルミニウムワイヤの特性は、高い導電率、良好な熱伝導率、60〜110mpaの引張強度、および12％を超える導体の伸長です。これは、自動車ケーブルで最も一般的に使用されるアルミニウム導体です。このグレードのアルミニウムワイヤは、大口径の電源コードに適しています。

要約すると、同等の抵抗の原理に続いて、銅線をより大きな断面積に銅線に置き換えることができ、交換前後のワイヤの抵抗は同じまたは閉じることができます。たとえば、元の銅線の断面積は35mm2であり、20℃での単位長さあたりの導体の最大抵抗は0.527mΩ / mです。最も近い抵抗パラメーターを使用したアルミニウム導体仕様は、60mm2に増やす必要があります。この時点で、20℃での単位長さあたりの導体の最大抵抗は0.525mΩ / mです。
3）ワイヤと端子間の接続スキーム
friction摩擦溶接ソリューション

摩擦溶接技術は100年以上前に生まれました。ワークピース接触面の摩擦によって生成された熱を使用して、ワークピースを圧力下でプラスチックに変形させ、それにより溶接を達成します。この技術は、民事および航空宇宙分野で広く使用されています。

機器は、摩擦によって多くの熱を生成するためにワークピースを駆動し、金属の硬度を低下させ、可塑性を改善し、金属原子をびまんで冷却し、互いに冷却して結晶化してしっかりとした摩擦溶接ジョイントを形成します。同時に、高速摩擦は金属表面の酸化物膜を破壊し、溶接接合部の導電率を向上させます。従来の融合溶接と比較して、摩擦溶接には次の特性があります。まず、溶接接合部は高強度、安定した品質、良好な成分の一貫性を持ち、関節強度は親素材の強度と同等です。第二に、それは省エネと環境に優しいものであり、溶接棒や保護ガスを必要とせずに、溶接プロセス中に有毒または有害なガスは生成されず、機器はほとんど電力を消費しません。第三に、摩擦溶接は異なる材料の溶接を実現することができ、ジョイントには細孔や包含物がなく、電気化学的腐食は発生しません。

この溶液では、「L」字型の銅アルミニウム複合端子は、回転式摩擦溶接プロセスを採用して、端に鍛造された銅板と尾の純粋なアルミニウムシリンダーを接続します。鍛造された銅板は、バッテリーまたはスターターに組み立てるために使用されます。それは真鍮で作られており、強度が高く、設置中に壊れるのは簡単ではありません。また、表面の錫メッキは、真鍮と車の体の接触によって引き起こされる電気化学的腐食を緩和することができます。テールピュアアルミニウムシリンダーは、アルミニウム導体を接続するために使用される円柱中空の構造です。アルミニウム導体を特別な機器によって純粋なアルミニウムシリンダーに入れた後、鍛造機器によって圧着されます。純粋なアルミニウムワイヤと純粋なアルミニウムシリンダーは同じ材料で作られており、同じ熱膨張係数を持っています。これは、熱膨張係数の違いのために高温と低温が交互に交代するときに疲労骨折を避けることができます。

この溶液の利点は次のとおりです。偽造された銅プレートはアセンブリの要件を満たすことができ、アルミニウムワイヤを接続するアルミニウムチューブは、従来の銅末端とアルミニウム導体の異なる熱膨張係数によって引き起こされる疲労骨折を避けることができます。

端子がアルミニウム導体に接続された後、接着剤付きの二重壁熱収縮チューブをシーリングに使用できます。熱収縮チューブには、断熱、耐食性、耐摩耗性があります。特別な機器で加熱された後、外壁が収縮し、内壁の固体接着剤が液体接着剤に溶け、端子接続部分とワイヤ絶縁皮の表面を覆います。冷却と固化後、シーリングと腐食抵抗を達成し、関節での酸化腐食を防ぐことができます。
ultrasonic溶接ソリューション

1980年代以来、超音波金属溶接技術は、超音波周波数振動エネルギーを使用して金属分子格子構造を再編成し、同じまたは異なる金属を接続するために、ワイヤーハーネス溶接に適用されてきました。溶接された関節は、固体溶接に属する親材料を溶かすことなく冶金結合を達成し、通常の溶接のスパッタと酸化を効果的に回避できます。

超音波溶接技術は、ワイヤとワイヤ、ワイヤ、端子の接続に広く使用されています。溶接プロセスは迅速であり、プロセスパラメーターをプロセス全体で監視できます。溶接接合部は純粋な金属コネクタであり、老化、クリープ、疲労によって簡単に影響を受けることはありません。接続はしっかりしており、信頼性は高く、接触抵抗は低いです。

この技術は、銅やアルミニウムなど、同じまたは異なる材料を接続できます。金属は直接溶接されるため、追加のはんだまたはフラックスは必要ありません。さらに、超音波溶接は材料に対する熱応力が低く、基本的に溶接材料と周囲の材料の特性を変えません。超音波溶接には、単純なプロセス、高い関節強度、良好な導電率、および溶接できる幅広い導体仕様があります。 160mm2以上の断面積を持つ導体は溶接できます。摩擦溶接技術と同様に、超音波溶接技術は、銅とアルミニウム、ワイヤー、プレートなどの異なる材料や形態の接続に適しており、ワイヤーおよびケーブル産業で広く使用されています。したがって、このソリューションは真鍮端子を使用します。真鍮端子は、超音波溶接技術を介して純粋なアルミニウム導体に接続され、端子の端に爪で固定され、接続の信頼性を高めます。同様に、二重壁の接着熱収縮チューブを使用して接続を密封して、関節での酸化腐食を防ぐことができます。

3。概要

自動車銅線の高さと重量の重量の現在の状況に基づいて、このペーパーでは、銅とアルミニウムのワイヤの性能基準を研究し、銅線をアルミニウムワイヤに置き換えるための技術的なソリューションを提案し、企業がコストを削減し、体重を減らすための新しい方法を提供します。