Den høye tettheten og kostnadene for tradisjonelle kobberledninger i biler har fått industrien til å søke alternative materialer for å oppnå kostnadsreduksjon og lettvekt. Aluminium har blitt en ideell erstatning for kobber på grunn av sin gode konduktivitet, lave tetthet og lave kostnader, men den har også problemer som lav styrke og enkel oksidasjon. Artikkelen fokuserer på bilkabler med store seksjoner, og utforsker de tekniske vanskene som må løses dypt når de erstatter kobber med aluminium, inkludert konduktivitet, styrke, komprimerende kryp, oksidasjon og forskjeller i termisk ekspansjonskoeffisienter. Ved å analysere internasjonale bilindustrien ble det utført en mulighetsstudie om erstatning av kobber med aluminium, og det ble foreslått en spesifikk teknisk løsning: ved bruk av 1 serie ren aluminiumstråd med et større tverrsnittsareal for å erstatte kobbertråd, etter prinsippet om ekvivalent motstand; Tilbyr to ledninger og terminale tilkoblingsløsninger: friksjonssveising og ultralydsveising, og ved hjelp av dobbeltvegget limkrymping for tetning. Artikkelen gir en ny vei med referanseverdi for bilbedrifter for å oppnå kostnadsreduksjon og lettvekt.

Bilkablingssele er over hele bilkroppen. Tradisjonelle ledninger er laget av elektrolytisk kobber med høy renhet smidd, tegnet og hengslet av spesielle prosesser. På grunn av den høye tettheten av kobber, overstiger den totale vekten av kjøretøyets ledningsnett 20 kg og kostnadene er høye, noe som gir kostnadspress til bedrifter. For dette formål utforsker industrien aktivt alternative materialer for kobberledninger for å oppnå målene for kostnadsreduksjon og lettvekt. Blant vanlige ledermaterialer er aluminium en ideell erstatning. Den har god konduktivitet, bare for nest etter kobber blant ofte brukte metaller, og er lett i vekt. Densiteten er omtrent 30% av kobberet, og kostnadene er bare 20% ~ 30% av kobber, men det har problemer som lav styrke og enkel oksidasjon. Denne artikkelen foreslår en referanseteknisk løsning for å erstatte kobber med aluminium for bilkabler med store seksjoner.

1. Tekniske problemer som må løses når du erstatter kobber med aluminium

Aluminium er overlegen kobber i kostnader og kvalitet, og har blitt et hett sted for kostnadsreduksjon og lett forskning i bilfirmaer. Imidlertid står aluminium som erstatter kobber fremdeles noen tekniske vanskeligheter.

1) Aluminiums konduktivitet er dårligere enn kobber. Hvis problemet løses ved å øke tverrsnittsområdet for aluminiumtråd, må aluminiumtrådspesifikasjonen økes med 1 ~ 2-nivåer, noe som vil gjøre aluminiumtrådselen større enn kobbertrådsele. Installasjonsrommet og bøyningsradius må vurderes når du ordner selen.

2) Aluminium har lav styrke. Den mekaniske styrken er bare 1 / 3 av kobber, og det er lett å bli ødelagt under krymping. Når bilen kjører, vibrerer ledningen og det er lett å bryte, så styrken til aluminiumtråden må økes.

3) Aluminium har betydelig komprimerende krypfenomen. Ved rundt 80 ℃ intensiveres krypen under trykk, mens kobber må være over 230 ℃ for å vise en viss grad av trykkkryp. De komprimerende krypegenskapene til aluminium vil føre til at tilkoblingspunktet løsner med temperaturendringer og tid etter at terminalen er krympet, noe som påvirker ledningenes elektriske ytelse.

Derfor krever aluminium-kobber-tilkoblingsteknologi spesiell design for å sikre pålitelig elektrisk ytelse gjennom hele produktets livssyklus.

4) Aluminium er kjemisk aktivt. Det oksideres lett når den blir utsatt for luft, og danner en tett og hard aluminiumoksydfilm. Aluminiumoksyd har sterke isolasjonsegenskaper og vil påvirke ledningsevnen til aluminiumtråd. Når aluminium kontakter kobberterminaler i et fuktig og energisk miljø, er det enkelt å danne en galvanisk reaksjon, noe som forårsaker elektrokjemisk korrosjon ved forbindelsen og korroderer aluminiumslederen. Denne situasjonen må unngås.

5) Aluminium og kobber har forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter. Etter langvarig veksling av varmt og kaldt, er forbindelsen lett å løsne, noe som påvirker påliteligheten til tilkoblingspunktet.

2.Falkantanalyse og tekniske løsninger av aluminium erstatning av kobber

1) Mulighetsanalyse

Internasjonalt er det tre hovedstandarder for biltråd: amerikansk, japansk og europeisk. Med den globale integrasjonen av industriteknologi i bilindustrien, beveger trådstandardene i forskjellige land gradvis seg nærmere ISO -serien med internasjonale standarder. For tiden bruker de fleste innenlandske bil-OEM-er kobberkjernetrådene og følger ISO 19642-5 og ISO 6722-1 internasjonale standarder. Disse to standardene har lignende tekniske krav til bilkjernetrådene, og begge spesifiserer resistiviteten, tåler spenning og andre egenskaper til ledningene i detalj. Blant dem har ISO 19642-5 mer detaljerte krav til ytelse.

Utenlandske aluminiumsledninger har blitt brukt i industrielle applikasjoner i minst 30 år. De ble først brukt i luftfartsindustrien og begynte å bli brukt i bilfeltet på begynnelsen av det 21. århundre. I 2013 ble den offisielle internasjonale standarden ISO 6722-2 for Automotive Aluminium Wires utgitt, og i 2019 ble den lignende ISO 19642-6 utgitt. Internasjonale standarder ISO 19642-6 og ISO 6722-2 gir tekniske krav til lederdiameter, motstand, isolasjonsvolumresistivitet, etc. De to standardene er like i innhold, og ISO 19642-6 har mer detaljerte krav til ytelsen til bilaluminiumsleder. Derfor må utformingen av ordningen vurdere disse to internasjonale standardene omfattende.

Aluminiumsledere må være ekvivalent med kobberledere og oppfylle tre punkter: For det første må de sørge for at de har lignende ledningsevne og andre egenskaper til de erstattede kobberlederne, noe som sikrer at den opprinnelige kretsfunksjonen i utgangspunktet opprettholdes mens du erstatter ledermaterialet; For det andre, forhindre at aluminiumtråden blir oksidert; For det tredje, oppnå en pålitelig forbindelse mellom aluminiumtråd og terminalen, fordi aluminiumsmaterialet har lav hardhet og kan tretthet og bryte etter bøyning, vikling og høyfrekvent vibrasjon.

2) Alternativer for Power Line -ledere

Sammenlignet de internasjonale standardene ISO 19642-5 og ISO 6722-1 for kobberledere, og ISO 19642-6 og ISO 6722-2 for aluminiumsledere, kan det sees at når motstanden er lik, trenger aluminiumslederen en større spesifikasjon for å oppnå en ledningsevne som den av kobberlederen.

Den europeiske aluminiums- og aluminiumslegeringssammensetningsstandarden EN 573-3: 2003 stipulerer at aluminium og aluminiumlegeringer kan deles inn i 8-serien. Blant dem er serie 1 ren aluminiumtråd med et aluminiuminnhold på mer enn 99%; Serie 2 til 8 aluminiumslegeringer er nye aluminiumsbaserte komposittlegeringer utviklet ved å legge til forskjellige proporsjoner Si, Fe, Cu, MG, MN, nano-keramikk og karbon nanomaterialer til rent aluminium. Matrisen er en varmebehandlet styrket legering. Under betingelse av å sikre viss ledningsevne, maksimeres strekkfastheten til aluminiumslegeringen, samtidig som du sikrer tilstrekkelig forlengelse.

Egenskapene til 1 serie ren aluminiumtråd er høy ledningsevne, god termisk ledningsevne, strekkfasthet på 60 ~ 110MPa og ledningslengde større enn 12%. Det er den mest brukte aluminiumslederen for bilkabler. Denne karakteren av aluminiumtråd er egnet for strømledninger med stor diameter.

Oppsummert kan prinsippet om ekvivalent motstand følges for å erstatte kobbertråd med ren aluminiumtråd med et større tverrsnittsareal, og motstanden til ledningene før og etter erstatning er den samme eller lukkede. For eksempel er tverrsnittsarealet til den originale kobbertråden 35mm2, og den maksimale motstanden til lederen per enhetslengde ved 20 ℃ er 0,527MΩ / m. Aluminiumslederspesifikasjonen med den nærmeste motstandsparameteren må økes til 60 mm2. På dette tidspunktet er den maksimale motstanden til lederen per enhetslengde på 20 ℃ 0,525 mω / m.
3) Tilkoblingsordning mellom ledninger og terminaler
①Friction sveiseløsning

Friksjonssveiseteknologi oppsto for mer enn hundre år siden. Den bruker varmen som genereres av friksjonen til kontaktpunktet kontaktoverflate for å gjøre arbeidsstykket plastisk deform under trykk, og dermed oppnå sveising. Denne teknologien er mye brukt innen sivile og romfartsfelt.

Utstyret driver arbeidsstykket for å generere mye varme ved friksjon, noe som reduserer metallets hardhet, forbedrer plastisiteten og får metallatomene til å diffuse og kjøle og krystallisere hverandre for å danne en fast friksjonssveiseledd. Samtidig ødelegger høyhastighetsfriksjon oksydfilmen på metalloverflaten og forbedrer konduktiviteten til den sveisede leddet. Sammenlignet med tradisjonell fusjonssveising, har friksjonssveising følgende egenskaper: For det første har sveisede leddet høy styrke, stabil kvalitet, god komponentkonsistens, og leddstyrken tilsvarer den for overordnede materiale; For det andre er det energisbesparende og miljøvennlig, uten behov for sveisestenger og beskyttende gasser, ingen giftige eller skadelige gasser genereres under sveiseprosessen, og utstyret bruker lite kraft; For det tredje kan friksjonssveising oppnå sveising av forskjellige materialer, skjøten har ingen porer eller inneslutninger, og ingen elektrokjemisk korrosjon oppstår.

I denne løsningen vedtar den "L" -formede kobberaluminiumkomposittterminalen en roterende friksjonssveiseprosess for å koble den smidde kobberplaten og halen ren aluminiumsylinder. Den smidde kobberplaten brukes til å samles til batteriet eller starteren. Den er laget av messing, har høy styrke, er ikke lett å bryte under installasjonen, og overflate -tinningen kan lindre den elektrokjemiske korrosjonen forårsaket av kontakten mellom messingen og bilkroppen. Halen rene aluminiumsylinder er en søyle hul struktur som brukes til å koble aluminiumslederen. Etter at aluminiumslederen er plassert i den rene aluminiumsylinderen med spesialutstyr, blir den krympet av smiutstyr. Den rene aluminiumtråden og den rene aluminiumsylinderen er laget av det samme materialet og har den samme termiske ekspansjonskoeffisienten, noe som kan unngå utmattingsbrudd når høye og lave temperaturer veksler på grunn av forskjellen i termisk ekspansjonskoeffisient.

Fordelene med denne løsningen er: den smidde kobberplaten kan oppfylle monteringskravene, og aluminiumsrøret som forbinder aluminiumtråden kan unngå utmattingsbrudd forårsaket av den forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienten til den tradisjonelle kobberterminalen og aluminiumslederen, som ikke bare løser problemet med terminalinstallasjon.

Etter at terminalen er koblet til aluminiumslederen, kan et dobbeltvegget varmekrymping med lim brukes til tetning. Varmekrympet har isolasjon, korrosjonsmotstand og slitestyrke. Etter å ha blitt oppvarmet med spesialutstyr, krymper ytterveggen, og det faste limet på den indre veggen smelter inn i flytende lim, og dekker terminalforbindelsesdelen og overflaten på trådisolasjonshuden. Etter avkjøling og størkning kan den oppnå tetnings- og korrosjonsbestandighet, og forhindre oksidasjonskorrosjon ved leddet.
②Ultrasonic sveiseløsning

Siden 1980 -tallet har ultrasonisk metallsveiseteknologi blitt brukt for å sveising av ledningsnett ved bruk av ultralydfrekvensvibrasjonsenergi for å omorganisere metallmolekylær gitterstruktur og koble sammen de samme eller forskjellige metaller. Den sveisede leddet oppnår metallurgisk binding uten å smelte overordnet materiale, som tilhører sveising av fast tilstand og kan effektivt unngå sprut og oksidasjon av vanlig sveising.

Ultrasonic sveiseteknologi er mye brukt i tilkobling av ledninger og ledninger, ledninger og terminaler. Sveiseprosessen er rask, og prosessparametrene kan overvåkes gjennom hele prosessen. Det sveisede leddet er en ren metallkontakt, som ikke lett påvirkes av aldring, kryp og tretthet. Forbindelsen er fast, påliteligheten er høy, og kontaktmotstanden er lav.

Denne teknologien kan koble de samme eller forskjellige materialene, for eksempel kobber og aluminium. Siden metallet er direkte sveiset, er det ikke nødvendig med ekstra lodde eller fluks. I tillegg har ultralydsveising lav termisk belastning på materialet og endrer i utgangspunktet ikke egenskapene til det sveisede materialet og de omkringliggende materialene. Ultralydsveising har en enkel prosess, høy leddstyrke, god konduktivitet og et bredt spekter av ledende spesifikasjoner som kan sveises. Ledere med et tverrsnittsareal på 160 mm2 eller enda større kan sveises. I likhet med friksjonssveiseteknologi er ultralydsveiseteknologi egnet for tilkobling av forskjellige materialer og former, for eksempel kobber og aluminium, ledning og plate, og brukes mye i ledningen og kabelindustrien. Derfor bruker denne løsningen messingterminaler, som er koblet til rene aluminiumsledere gjennom ultralyds sveiseteknologi, og er krympet og fikset med klør i endene av terminalene for å forbedre påliteligheten til forbindelsen. Tilsvarende kan dobbeltvegget klebende varmekrymping brukes til å tette forbindelsen for å forhindre oksidasjonskorrosjon ved leddet.

3. Sammendrag

Basert på dagens situasjon med høye kostnader og tung vekt på bilkobberledninger, studerer denne artikkelen ytelsesstandardene for kobber- og aluminiumsledninger, og foreslår en teknisk løsning for å erstatte kobberledninger med aluminiumsledninger, og gir en ny måte for bedrifter å redusere kostnader og redusere vekten.