Wysoka gęstość i koszt tradycyjnych przewodów miedzianych w samochodach skłoniły branżę do poszukiwania alternatywnych materiałów w celu osiągnięcia redukcji kosztów i lekkiej. Aluminium stało się idealnym substytutem miedzi ze względu na dobrą przewodność, niską gęstość i niski koszt, ale ma również takie problemy, jak niska wytrzymałość i łatwe utlenianie. Artykuł koncentruje się na dużych kablach motoryzacyjnych i głęboko bada trudności techniczne, które należy rozwiązać podczas zastępowania miedzi aluminium, w tym przewodnictwem, wytrzymałością, pełzaniem ściskającym, utlenianiem i różnicami współczynników rozszerzania termicznego. Analizując międzynarodowe standardy drutu motoryzacyjnego, przeprowadzono studium wykonalności zastąpienia miedzi aluminium i zaproponowano specyficzne rozwiązanie techniczne: przy użyciu czystego drutu aluminiowego z serii z większym obszarem przekroju w celu zastąpienia drutu miedzianego, zgodnie z zasadą równoważnej oporności; Dostarczanie dwóch roztworów połączenia drutu i zacisków: spawanie tarcia i spawanie ultradźwiękowe oraz stosowanie podwójnie ściany rurki kurczącego ciepła do uszczelnienia. Artykuł zawiera nową ścieżkę z wartością odniesienia dla firm motoryzacyjnych w celu osiągnięcia redukcji kosztów i lekkiej.

Połączenia przewodów samochodowych są w całym nadwoziu samochodu. Tradycyjne przewody są wykonane z elektrolitycznej miedzi o wysokiej czystości, narysowanych i zawiasowych przez specjalne procesy. Ze względu na wysoką gęstość miedzi całkowita masa wiązki przewodów pojazdu przekracza 20 kg, a koszt jest wysoki, co przynosi presję na przedsiębiorstwa. W tym celu branża aktywnie bada alternatywne materiały dla przewodów miedzianych w celu osiągnięcia celów redukcji kosztów i lekkiej. Wśród wspólnych materiałów przewodowych glin jest idealnym substytutem. Ma dobrą przewodność, drugą tylko miedź wśród powszechnie używanych metali i ma lekką wagę. Jego gęstość wynosi około 30% miedzi, a jej koszt wynosi tylko 20% ~ 30% miedzi, ale ma takie problemy, jak niska wytrzymałość i łatwe utlenianie. W tym artykule zaproponowano referencyjne rozwiązanie techniczne do zastąpienia miedzi aluminium dla dużych kabli zasilających motoryzację.

1. Problemy techniczne, które należy rozwiązać podczas wymiany miedzi aluminium

Aluminium jest lepsze od miedzi pod względem kosztów i jakości i stało się gorącym miejscem do redukcji kosztów i lekkich badań w firmach motoryzacyjnych. Jednak aluminium zastępująca miedź nadal ma pewne trudności techniczne.

1) Przewodność glinu jest gorsza od miedzi. Jeśli problem zostanie rozwiązany przez zwiększenie powierzchni przekroju drutu aluminiowego, specyfikacja drutu aluminiowego musi zostać zwiększona o 1 ~ 2 poziomy, co spowoduje większą wiązkę przewodów aluminiowych niż wiązka przewodów miedzianych. Podczas aranżacji wiązki wiązki należy wziąć pod uwagę przestrzeń instalacyjną i promień zginania.

2) Aluminium ma niską wytrzymałość. Siła mechaniczna wynosi tylko 1 / 3 z miedzi i łatwo jest zostać złamanym podczas zaciskania. Kiedy samochód jedzie, drut wibruje i jest łatwy do złamania, więc należy zwiększyć wytrzymałość drutu aluminiowego.

3) Aluminium ma znaczące zjawisko pełzania ściskającego. Przy około 80 ℃ pełzanie nasila się pod ciśnieniem, podczas gdy miedź musi przekraczać 230 ℃, aby wykazać pewien stopień pełzania ściskającego. Charakterystyka pełzania ściskającej aluminium spowoduje rozluźnienie punktu połączenia ze zmianami temperatury i czasu po zacięciu terminalu, wpływając na wydajność elektryczną drutu.

Dlatego technologia połączenia aluminium wymaga specjalnego projektu, aby zapewnić niezawodną wydajność elektryczną w całym cyklu życia produktu.

4) Aluminium jest aktywne chemicznie. Łatwo jest utleniać się po wystawieniu na powietrze, tworząc gęstą i twardą folię tlenku aluminium. Tlenek glinu ma silne właściwości izolacyjne i wpłynie na przewodność drutów aluminiowych. Gdy aluminiowe kontakty z końcem miedzi w wilgotnym i energetyzowanym środowisku, łatwo jest utworzyć reakcję galwaniczną, powodując korozję elektrochemiczną przy połączeniu i korodując przewodnik aluminiowy. Tej sytuacji należy unikać.

5) Aluminium i miedź mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej. Po długoterminowej naprzemienie gorącej i zimnej połączenie jest łatwe do rozluźnienia, wpływając na niezawodność punktu połączenia.

2. Analiza funkcji i rozwiązania techniczne aluminium zastępujące miedź

1) Analiza wykonalności

Na arenie międzynarodowej istnieją trzy główne standardy drutu samochodowego: amerykański, japoński i europejski. Dzięki globalnej integracji technologii przemysłowej w branży motoryzacyjnej standardy w różnych krajach stopniowo zbliżają się do serii międzynarodowych ISO. Obecnie większość krajowych producentów OEM samochodowych używa miedzianych przewodów rdzeniowych i podąża za międzynarodowymi standardami ISO 19642-5 i ISO 6722-1. Te dwa standardy mają podobne wymagania techniczne dla motoryzacyjnych przewodów rdzenia miedzianego i oba szczegółowo określają rezystywność, napięcie i inne charakterystyki przewodów. Wśród nich ISO 19642-5 ma bardziej szczegółowe wymagania dotyczące wydajności drutu.

Obce aluminiowe przewody były stosowane w zastosowaniach przemysłowych od co najmniej 30 lat. Po raz pierwszy wykorzystano je w branży lotniczej i zaczęły być używane na polu motoryzacyjnym na początku XXI wieku. W 2013 r. Zostało wydane oficjalne międzynarodowe standard ISO 6722-2 dla aluminiowych drutów samochodowych, aw 2019 r. Zostało wydane podobne ISO 19642-6. Międzynarodowe standardy ISO 19642-6 i ISO 6722-2 zapewniają wymagania techniczne dotyczące średnicy przewodnika, oporności, rezystywności objętości izolacji itp. Dwa standardy są podobne pod względem treści, a ISO 19642-6 ma bardziej szczegółowe wymagania dotyczące wydajności przewodów aluminiowych motoryzacyjnych. Dlatego projekt programu musi kompleksowo rozważyć te dwa międzynarodowe standardy.

Przewody aluminiowe muszą być równoważne z przewodnikami miedzi i spełniać trzy punkty: po pierwsze, muszą upewnić się, że mają podobną przewodność i inne właściwości do wymienionych przewodów miedzianych, zapewniając, że pierwotna funkcja obwodu jest zasadniczo utrzymywana podczas wymiany materiału przewodnika; po drugie, zapobiec utlenianiu drutu aluminiowego; Po trzecie, osiągnij wiarygodne połączenie między drutem aluminiowym a zaciskiem, ponieważ materiał aluminiowy ma niską twardość i może zmęczyć i pękać po zginaniu, uzwojeniu i wibracji o wysokiej częstotliwości.

2) Alternatywy dla przewodów linii energetycznych

Porównując międzynarodowe standardy ISO 19642-5 i ISO 6722-1 dla przewodów miedzianych oraz ISO 19642-6 i ISO 6722-2 dla przewodów aluminiowych, można zauważyć, że gdy oporność jest podobna, przewodnik glinu potrzebuje większej specyfikacji, aby osiągnąć przewodność podobną do tego przewodu miedzi.

Europejski skład aluminium i stopu aluminium Standard EN 573-3: 2003 stanowi, że stopy aluminium i aluminium można podzielić na serię 8. Wśród nich seria 1 to czysty drut aluminiowy o zawartości aluminium ponad 99%; Stopy z serii 2 do 8 aluminium to nowe aluminiowe stopy kompozytowe opracowane przez dodanie różnych proporcji SI, Fe, Cu, MG, MN, Nano-Ceramics i Nanomaterals węglowych do czystego aluminium. Matryca to traktowany ciepłem stopem wzmocnionym. Pod warunkiem zapewnienia pewnej przewodności wytrzymałość na rozciąganie stopu aluminium jest zmaksymalizowana, zapewniając wystarczające wydłużenie.

Charakterystyką czystego aluminiowego drutu z serii 1 to wysoka przewodność, dobra przewodność cieplna, wytrzymałość na rozciąganie 60 ~ 110 MPa i wydłużenie przewodu większe niż 12%. Jest to najczęściej stosowany przewód aluminiowy do kabli motoryzacyjnych. Ta ocena drutu aluminiowego jest odpowiednia do przewodów zasilających o dużej średnicy.

Podsumowując, zasadę równoważnej rezystancji można przestrzegać, aby zastąpić drut miedziany czystym drutem aluminiowym większym obszarem przekroju, a rezystancja przewodów przed i po wymianie jest taka sama lub zamknięta. Na przykład powierzchnia przekroju oryginalnego drutu miedzianego wynosi 35 mm2, a maksymalna rezystancja przewodu na jednostkę długości 20 ℃ wynosi 0,527 mΩ / m. Specyfikacja przewodu aluminiowego z najbliższym parametrem rezystancyjnym należy zwiększyć do 60 mm2. W tym czasie maksymalna rezystancja przewodu na jednostkę długości przy 20 ℃ wynosi 0,525 mΩ / m.
3) Schemat połączenia między przewodami i terminalami
① Rozwiązanie spawania

Technologia spawania tarcia powstała ponad sto lat temu. Wykorzystuje ciepło generowane przez tarcie powierzchni kontaktowej przedmiotu obrabianego, aby element obrabia obrabia deforma się pod ciśnieniem, osiągając w ten sposób spawanie. Ta technologia jest szeroko stosowana w dziedzinach cywilnych i lotniczych.

Sprzęt napędza przedmiot obrabiany, aby wytwarzać dużo ciepła przez tarcie, co zmniejsza twardość metalu, poprawia plastyczność i sprawia, że atomy metalu rozpraszają i chłodne i krystalizują się, tworząc mocne połączenie spawania tarcia. Jednocześnie szybkie tarcie niszczy folię tlenkową na powierzchni metalowej i poprawia przewodność spawanego stawu. W porównaniu z tradycyjnym spawaniem fuzyjnym spawanie tarcia ma następujące cechy: po pierwsze, spawany staw ma wysoką wytrzymałość, stabilną jakość, dobrą konsystencję komponentów, a siła stawu jest równoważna wytrzymałości materiału macierzystego; Po drugie, jest energooszczędny i przyjazny dla środowiska, bez potrzeby spawania prętów i gazów ochronnych, podczas procesu spawania nie powstaje toksycznych lub szkodliwych gazów, a sprzęt zużywa niewielką moc; Po trzecie, spawanie tarcia może osiągnąć spawanie odmiennych materiałów, staw nie ma porów ani wtrąceń i nie wystąpi żadna korozja elektrochemiczna.

W tym roztworze kompozytowy zacisk miedzi-aluminiowy w kształcie „L” przyjmuje proces spawania tarcia obrotowego, aby podłączyć końcową płytkę miedzianą i cylinder z czystym aluminium. Wykuta miedziana płyta służy do montażu na akumulator lub starter. Jest wykonany z mosiądzu, ma wysoką wytrzymałość, nie jest łatwy do rozbicia podczas instalacji, a cynowanie powierzchniowe może złagodzić korozję elektrochemiczną spowodowaną kontaktem między mosiądzem a korpusem samochodu. Ogon czysty aluminiowy cylinder to pusta struktura kolumnowa używana do podłączenia przewodnika aluminiowego. Po umieszczeniu aluminiowego przewodu w czystym cylindrze aluminiowym za pomocą specjalnego sprzętu, jest on zacięty przez sprzęt do kucia. Czysty drut aluminiowy i czysty cylinder aluminiowy są wykonane z tego samego materiału i mają ten sam współczynnik rozszerzania cieplnego, który może uniknąć złamania zmęczeniowego, gdy wysokie i niskie temperatury naprzemiennie ze względu na różnicę współczynnika rozszerzania termicznego.

Zaletą tego rozwiązania są: kuta płyta miedziana może spełniać wymagania dotyczące montażu, a rurka glinu łącząca drut aluminiowy może uniknąć pęknięcia zmęczeniowego spowodowanego różnymi współczynnikami rozszerzania termicznego tradycyjnego przewodu miedzianego i aluminiowego przewodu, który nie tylko rozwiązuje problem instalacji końcowej, ale także rozwiązuje problem związki aluminium i terminal.

Po podłączeniu zacisku z przewodnikiem aluminiowym do uszczelnienia można zastosować podwójnie ściany rurkę kurczącą ciepła z klejem. Rurka kurczenia cieplnego ma izolację, odporność na korozję i odporność na zużycie. Po podgrzaniu przez specjalny sprzęt ściana zewnętrzna kurczy się, a solidny klej na wewnętrznej ścianie topi się w kleju płynnym, pokrywając końcową część połączenia i powierzchnię skóry izolacyjnej. Po chłodzeniu i zestaleniu może osiągnąć uszczelnienie i odporność na korozję oraz zapobiegać korozji utleniania na stawie.
Roztwór spawania zlotyzowy

Od lat 80. XX wieku zastosowano technologię spawania metali ultradźwiękowego do spawania wiązki przewodów, wykorzystując energię drgań ultradźwiękowych do reorganizacji struktury sieci molekularnej metali i połączenia tych samych lub różnych metali. Spawany staw osiąga wiązanie metalurgiczne bez topienia materiału macierzystego, który należy do spawania w stanie stałym i może skutecznie unikać rozprysków i utleniania zwykłego spawania.

Technologia spawania ultradźwiękowego jest szeroko stosowana w połączeniu z przewodami i przewodami, przewodami i zaciskami. Proces spawania jest szybki, a parametry procesu mogą być monitorowane przez cały proces. Spawany złącze jest czystym metalowym złączem, na które nie wpływa łatwo starzenie się, pełzanie i zmęczenie. Połączenie jest silne, niezawodność jest wysoka, a odporność kontaktowa jest niska.

Ta technologia może łączyć te same lub różne materiały, takie jak miedź i aluminium. Ponieważ metal jest bezpośrednio spawany, nie jest wymagany dodatkowy lut ani strumień. Ponadto spawanie ultradźwiękowe ma niski naprężenie termiczne na materiał i zasadniczo nie zmienia właściwości spawanego materiału i otaczających materiałów. Spawanie ultradźwiękowe ma prosty proces, wysoką wytrzymałość stawów, dobrą przewodność i szeroki zakres specyfikacji przewodników, które można spawać. Przewodu o powierzchni przekroju 160 mm2 lub nawet większych można przyspawać. Podobnie jak technologia spawania tarcia, technologia spawania ultradźwiękowego jest odpowiednia do połączenia odmiennych materiałów i form, takich jak miedź i aluminium, drut i płyta, i jest szeroko stosowana w przemyśle drucianym i kablowym. Dlatego rozwiązanie to wykorzystuje mosiężne terminale, które są połączone z czystymi przewodami aluminiowymi za pomocą technologii spawania ultradźwiękowego, i są zaciśnięte i ustalone pazurami na końcach terminali w celu zwiększenia wiarygodności połączenia. Podobnie, podwójnie ściany rurka skurczowa ciepła można zastosować do uszczelnienia połączenia, aby zapobiec korozji utleniania na stawie.

3. Podsumowanie

W oparciu o obecną sytuację wysokiej kosztów i dużej wagi motoryzacyjnych przewodów miedzianych, niniejszy artykuł bada standardy wydajności przewodów miedzianych i aluminiowych oraz proponuje techniczne rozwiązanie do wymiany przewodów miedzianych przewodami aluminiowymi, zapewniając nowy sposób przedsiębiorstw w celu zmniejszenia kosztów i zmniejszenia wagi.