Ketumpatan tinggi dan kos wayar tembaga tradisional dalam kereta telah mendorong industri untuk mencari bahan alternatif untuk mencapai pengurangan kos dan ringan. Aluminium telah menjadi pengganti yang ideal untuk tembaga kerana kekonduksiannya yang baik, ketumpatan rendah dan kos rendah, tetapi ia juga mempunyai masalah seperti kekuatan rendah dan pengoksidaan yang mudah. Artikel ini memberi tumpuan kepada kabel kuasa automotif seksyen besar, dan secara mendalam meneroka kesukaran teknikal yang perlu diselesaikan apabila menggantikan tembaga dengan aluminium, termasuk kekonduksian, kekuatan, rayapan mampatan, pengoksidaan dan perbezaan pekali pengembangan terma. Dengan menganalisis piawaian wayar automotif antarabangsa, kajian kemungkinan mengenai penggantian tembaga dengan aluminium telah dijalankan, dan penyelesaian teknikal khusus dicadangkan: menggunakan 1 siri aluminium murni dengan kawasan keratan rentas yang lebih besar untuk menggantikan dawai tembaga, berikutan prinsip rintangan yang sama; Menyediakan dua penyelesaian sambungan wayar dan terminal: kimpalan geseran dan kimpalan ultrasonik, dan menggunakan tiub penyusutan haba pelekat berganda untuk pengedap. Artikel ini menyediakan laluan baru dengan nilai rujukan bagi syarikat automotif untuk mencapai pengurangan kos dan ringan.

Harnesses pendawaian automotif adalah seluruh badan kereta. Kabel tradisional diperbuat daripada tembaga elektrolitik tinggi yang dipalsukan, ditarik dan bergantung kepada proses khas. Oleh kerana ketumpatan tinggi tembaga, jumlah berat pendawaian kenderaan melebihi 20kg dan kosnya tinggi, yang membawa tekanan kepada perusahaan. Untuk tujuan ini, industri secara aktif meneroka bahan alternatif untuk wayar tembaga untuk mencapai matlamat pengurangan kos dan ringan. Antara bahan konduktor biasa, aluminium adalah pengganti yang ideal. Ia mempunyai kekonduksian yang baik, kedua hanya untuk tembaga di kalangan logam yang biasa digunakan, dan ringan. Ketumpatannya adalah kira -kira 30% tembaga dan kosnya hanya 20% ~ 30% tembaga, tetapi ia mempunyai masalah seperti kekuatan rendah dan pengoksidaan mudah. Artikel ini mencadangkan penyelesaian teknikal rujukan untuk menggantikan tembaga dengan aluminium untuk kabel kuasa automotif bahagian besar.

1. Isu Teknikal yang Perlu Dipecahkan Apabila Mengganti Tembaga Dengan Aluminium

Aluminium lebih tinggi daripada tembaga dalam kos dan kualiti, dan telah menjadi tempat yang panas untuk pengurangan kos dan penyelidikan ringan di syarikat kereta. Walau bagaimanapun, aluminium menggantikan tembaga masih menghadapi beberapa kesukaran teknikal.

1) Kekonduksian aluminium lebih rendah daripada tembaga. Sekiranya masalah itu diselesaikan dengan meningkatkan kawasan keratan rentas aluminium, spesifikasi dawai aluminium perlu ditingkatkan dengan 1 ~ 2 tahap, yang akan menjadikan abah-abah aluminium lebih besar daripada abah-abah dawai tembaga. Ruang pemasangan dan jejari lentur perlu dipertimbangkan ketika mengatur abah -abah.

2) Aluminium mempunyai kekuatan yang rendah. Kekuatan mekanikal hanya 1 / 3 dari tembaga, dan mudah dipecahkan semasa crimping. Apabila kereta memandu, dawai bergetar dan mudah untuk pecah, jadi kekuatan kawat aluminium perlu ditingkatkan.

3) Aluminium mempunyai fenomena rayap mampatan yang signifikan. Pada sekitar 80 ℃, rayapan semakin meningkat di bawah tekanan, sementara tembaga perlu melebihi 230 ℃ untuk menunjukkan tahap creep mampatan tertentu. Ciri -ciri rayap mampatan aluminium akan menyebabkan titik sambungan melonggarkan dengan perubahan suhu dan masa selepas terminal dikelompokkan, yang mempengaruhi prestasi elektrik dawai.

Oleh itu, teknologi sambungan tembaga aluminium memerlukan reka bentuk khas untuk memastikan prestasi elektrik yang boleh dipercayai sepanjang kitaran hayat produk.

4) Aluminium aktif secara kimia. Ia mudah dioksidakan apabila terdedah kepada udara, membentuk filem aluminium oksida yang padat dan keras. Aluminium oksida mempunyai sifat penebat yang kuat dan akan menjejaskan kekonduksian wayar aluminium. Apabila aluminium menghubungkan terminal tembaga dalam persekitaran yang lembap dan bertenaga, mudah untuk membentuk tindak balas galvanik, menyebabkan kakisan elektrokimia pada sambungan dan menghancurkan konduktor aluminium. Keadaan ini mesti dielakkan.

5) Aluminium dan tembaga mempunyai pekali pengembangan terma yang berbeza. Selepas penggantian jangka panjang panas dan sejuk, sambungannya mudah dilonggarkan, mempengaruhi kebolehpercayaan titik sambungan.

2. Analisis Kelestarian dan Penyelesaian Teknikal Aluminium Menggantikan Tembaga

1) Analisis kemungkinan

Di peringkat antarabangsa, terdapat tiga piawaian wayar automotif utama: Amerika, Jepun, dan Eropah. Dengan integrasi global teknologi perindustrian dalam industri automotif, piawaian wayar pelbagai negara secara beransur -ansur bergerak lebih dekat dengan siri ISO standard antarabangsa. Pada masa ini, kebanyakan OEM kereta domestik menggunakan wayar teras tembaga dan mengikuti piawaian antarabangsa ISO 19642-5 dan ISO 6722-1. Kedua -dua piawaian ini mempunyai keperluan teknikal yang sama untuk wayar teras tembaga automotif, dan kedua -duanya menentukan resistiviti, menahan voltan dan ciri -ciri lain wayar secara terperinci. Antaranya, ISO 19642-5 mempunyai keperluan yang lebih terperinci untuk prestasi wayar.

Kabel aluminium asing telah digunakan dalam aplikasi perindustrian selama sekurang -kurangnya 30 tahun. Mereka mula -mula digunakan dalam industri penerbangan dan mula digunakan dalam bidang automotif pada awal abad ke -21. Pada tahun 2013, standard rasmi ISO 6722-2 untuk wayar aluminium automotif telah dikeluarkan, dan pada tahun 2019, ISO 19642-6 yang sama telah dikeluarkan. Piawaian Antarabangsa ISO 19642-6 dan ISO 6722-2 menyediakan keperluan teknikal untuk diameter konduktor, rintangan, penentuan volum penebat, dan lain-lain. Kedua-dua piawaian adalah serupa dalam kandungan, dan ISO 19642-6 mempunyai keperluan yang lebih terperinci untuk prestasi konduktor aluminium automotif. Oleh itu, reka bentuk skim ini perlu secara komprehensif mempertimbangkan kedua -dua piawaian antarabangsa ini.

Konduktor aluminium mestilah bersamaan dengan konduktor tembaga dan memenuhi tiga mata: pertama, mereka mesti memastikan bahawa mereka mempunyai kekonduksian yang sama dan sifat lain untuk konduktor tembaga yang diganti, memastikan fungsi litar asal pada dasarnya dikekalkan semasa menggantikan bahan konduktor; kedua, menghalang wayar aluminium daripada teroksida; Ketiga, mencapai sambungan yang boleh dipercayai antara dawai aluminium dan terminal, kerana bahan aluminium mempunyai kekerasan yang rendah dan mungkin keletihan dan pecah selepas getaran lenturan, penggulungan, dan frekuensi tinggi.

2) Alternatif untuk konduktor talian kuasa

Membandingkan piawaian antarabangsa ISO 19642-5 dan ISO 6722-1 untuk konduktor tembaga, dan ISO 19642-6 dan ISO 6722-2 untuk konduktor aluminium, dapat dilihat bahawa apabila rintangan adalah sama, konduktor aluminium memerlukan spesifikasi yang lebih besar untuk mencapai kekonduksian yang sama dengan konduktor tembaga.

Piawaian aluminium dan aluminium aluminium Eropah EN 573-3: 2003 menyatakan bahawa aloi aluminium dan aluminium boleh dibahagikan kepada 8 siri. Antaranya, Siri 1 adalah wayar aluminium tulen dengan kandungan aluminium lebih daripada 99%; Siri 2 hingga 8 aloi aluminium adalah aloi komposit berasaskan aluminium baru yang dibangunkan dengan menambahkan perkadaran yang berbeza dari Si, Fe, Cu, Mg, Mn, nano-seramik dan nanomaterials karbon kepada aluminium tulen. Matriks adalah aloi yang diperkuatkan oleh haba. Di bawah keadaan memastikan kekonduksian tertentu, kekuatan tegangan aloi aluminium dimaksimumkan, sambil memastikan pemanjangan yang mencukupi.

Ciri -ciri wayar aluminium tulen 1 adalah kekonduksian yang tinggi, kekonduksian terma yang baik, kekuatan tegangan 60 ~ 110MPa, dan pemanjangan konduktor lebih daripada 12%. Ia adalah konduktor aluminium yang paling biasa digunakan untuk kabel automotif. Gred dawai aluminium ini sesuai untuk tali kuasa diameter besar.

Ringkasnya, prinsip rintangan setara boleh diikuti untuk menggantikan dawai tembaga dengan dawai aluminium tulen dengan kawasan keratan rentas yang lebih besar, dan rintangan wayar sebelum dan selepas penggantian adalah sama atau dekat. Sebagai contoh, kawasan keratan rentas dawai tembaga asal adalah 35mm2, dan rintangan maksimum konduktor per unit panjang pada 20 ℃ ialah 0.527mΩ / m. Spesifikasi konduktor aluminium dengan parameter rintangan yang paling dekat perlu ditingkatkan kepada 60mm2. Pada masa ini, rintangan maksimum konduktor per unit panjang pada 20 ℃ ialah 0.525mΩ / m.
3) Skim sambungan antara wayar dan terminal
Penyelesaian kimpalan ①friction

Teknologi kimpalan geseran berasal lebih dari seratus tahun yang lalu. Ia menggunakan haba yang dihasilkan oleh geseran permukaan sentuhan bahan kerja untuk membuat bahan kerja secara plastik di bawah tekanan, dengan itu mencapai kimpalan. Teknologi ini digunakan secara meluas dalam bidang sivil dan aeroangkasa.

Peralatan ini memacu bahan kerja untuk menghasilkan banyak haba dengan geseran, yang mengurangkan kekerasan logam, meningkatkan keplastikan, dan menjadikan atom logam meresap dan sejuk dan mengkristalisasi satu sama lain untuk membentuk sendi kimpalan geseran yang kukuh. Pada masa yang sama, geseran berkelajuan tinggi memusnahkan filem oksida pada permukaan logam dan meningkatkan kekonduksian sendi yang dikimpal. Berbanding dengan kimpalan gabungan tradisional, kimpalan geseran mempunyai ciri -ciri berikut: Pertama, sendi yang dikimpal mempunyai kekuatan yang tinggi, kualiti yang stabil, konsistensi komponen yang baik, dan kekuatan bersama bersamaan dengan bahan induk; Kedua, ia adalah penjimatan tenaga dan mesra alam, tanpa memerlukan rod kimpalan dan gas pelindung, tiada gas toksik atau berbahaya dihasilkan semasa proses kimpalan, dan peralatan menggunakan sedikit kuasa; Ketiga, kimpalan geseran dapat mencapai kimpalan bahan -bahan yang berbeza, sendi tidak mempunyai liang atau kemasukan, dan tidak ada kakisan elektrokimia.

Dalam penyelesaian ini, terminal komposit tembaga-aluminium "L" mengamalkan proses kimpalan geseran berputar untuk menghubungkan plat tembaga yang dipalsukan dan silinder aluminium tulen. Plat tembaga palsu digunakan untuk memasang bateri atau starter. Ia diperbuat daripada tembaga, mempunyai kekuatan yang tinggi, tidak mudah dipecahkan semasa pemasangan, dan timah permukaan dapat mengurangkan kakisan elektrokimia yang disebabkan oleh hubungan antara tembaga dan badan kereta. Silinder aluminium tulen ekor adalah struktur berongga kolumnar yang digunakan untuk menyambungkan konduktor aluminium. Selepas konduktor aluminium dimasukkan ke dalam silinder aluminium tulen oleh peralatan khas, ia dikebumikan dengan memalsukan peralatan. Kawat aluminium tulen dan silinder aluminium tulen diperbuat daripada bahan yang sama dan mempunyai pekali pengembangan terma yang sama, yang boleh mengelakkan patah keletihan apabila suhu tinggi dan rendah bergantian disebabkan oleh perbezaan pekali pengembangan terma.

Kelebihan penyelesaian ini adalah: plat tembaga yang dipalsukan dapat memenuhi keperluan pemasangan, dan tiub aluminium yang menghubungkan wayar aluminium dapat mengelakkan patah keletihan yang disebabkan oleh pekali pengembangan termal yang berlainan dan juga masalah.

Selepas terminal disambungkan ke konduktor aluminium, tiub pengecutan haba berdinding dua dengan gam boleh digunakan untuk pengedap. Tiub mengecut haba mempunyai penebat, rintangan kakisan dan rintangan haus. Setelah dipanaskan oleh peralatan khas, dinding luar mengecut, dan gam pepejal di dinding dalaman mencairkan ke dalam gam cecair, meliputi bahagian sambungan terminal dan permukaan kulit penebat dawai. Selepas penyejukan dan pemejalan, ia dapat mencapai rintangan pengedap dan kakisan, dan mencegah kakisan pengoksidaan pada sendi.
②Ultrasonic Welding Solution

Sejak tahun 1980 -an, teknologi kimpalan logam ultrasonik telah digunakan untuk mengimpal kimpalan wayar, menggunakan tenaga getaran frekuensi ultrasonik untuk menyusun semula struktur kisi molekul logam dan menghubungkan logam yang sama atau berbeza. Sendi yang dikimpal mencapai ikatan metalurgi tanpa mencairkan bahan induk, yang tergolong dalam kimpalan keadaan pepejal dan secara efektif dapat mengelakkan spatter dan pengoksidaan kimpalan biasa.

Teknologi kimpalan ultrasonik digunakan secara meluas dalam sambungan wayar dan wayar, wayar dan terminal. Proses kimpalan adalah cepat dan parameter proses dapat dipantau sepanjang proses. Sendi yang dikimpal adalah penyambung logam tulen, yang tidak mudah dipengaruhi oleh penuaan, rayapan dan keletihan. Sambungannya tegas, kebolehpercayaannya tinggi, dan rintangan hubungan rendah.

Teknologi ini boleh menyambung bahan yang sama atau berbeza, seperti tembaga dan aluminium. Oleh kerana logam itu dikimpal secara langsung, tiada solder tambahan atau fluks diperlukan. Di samping itu, kimpalan ultrasonik mempunyai tekanan haba yang rendah pada bahan dan pada dasarnya tidak mengubah sifat bahan yang dikimpal dan bahan -bahan sekitarnya. Kimpalan ultrasonik mempunyai proses yang mudah, kekuatan sendi yang tinggi, kekonduksian yang baik, dan pelbagai spesifikasi konduktor yang boleh dikimpal. Konduktor dengan kawasan keratan rentas 160mm2 atau bahkan lebih besar boleh dikimpal. Sama seperti teknologi kimpalan geseran, teknologi kimpalan ultrasonik sesuai untuk sambungan bahan dan bentuk yang berbeza, seperti tembaga dan aluminium, dawai dan plat, dan digunakan secara meluas dalam industri dawai dan kabel. Oleh itu, penyelesaian ini menggunakan terminal tembaga, yang disambungkan kepada konduktor aluminium tulen melalui teknologi kimpalan ultrasonik, dan dikelilingi dan ditetapkan dengan cakar di hujung terminal untuk meningkatkan kebolehpercayaan sambungan. Begitu juga, tiub pengecutan haba berdinding dua kali boleh digunakan untuk menutup sambungan untuk mengelakkan kakisan pengoksidaan pada sendi.

3. Ringkasan

Berdasarkan keadaan semasa kos tinggi dan berat wayar tembaga automotif, kertas ini mengkaji piawaian prestasi wayar tembaga dan aluminium, dan mencadangkan penyelesaian teknikal untuk menggantikan wayar tembaga dengan wayar aluminium, menyediakan cara baru bagi perusahaan untuk mengurangkan kos dan mengurangkan berat badan.