A alta densidade e o custo dos fios de cobre tradicionais em automóveis levaram o setor a buscar materiais alternativos para obter redução de custos e peso leve. O alumínio tornou -se um substituto ideal para o cobre devido à sua boa condutividade, baixa densidade e baixo custo, mas também tem problemas como baixa resistência e oxidação fácil. O artigo se concentra em cabos de energia automotiva de seção de grande seção e explora profundamente as dificuldades técnicas que precisam ser resolvidas ao substituir o cobre por alumínio, incluindo condutividade, força, fluência compressiva, oxidação e diferenças nos coeficientes de expansão térmica. Analisando os padrões internacionais de fios automotivos, foi realizado um estudo de viabilidade sobre a substituição de cobre por alumínio e uma solução técnica específica foi proposta: usando 1 série de fios de alumínio puro em série com uma área transversal maior para substituir o fio de cobre, seguindo o princípio da resistência equivalente; Fornecendo duas soluções de conexão de fios e terminais: soldagem por atrito e soldagem ultrassônica e usando tubos de encolhimento de calor adesivo de parede dupla para vedação. O artigo fornece um novo caminho com o valor de referência para as empresas automotivas alcançarem redução de custos e peso leve.

Os arnês de fiação automotiva estão em todo o corpo do carro. Os fios tradicionais são feitos de cobre eletrolítico de alta pureza forjado, desenhado e dependente de processos especiais. Devido à alta densidade do cobre, o peso total do chicote de fiação do veículo excede 20 kg e o custo é alto, o que traz pressão de custo para as empresas. Para esse fim, o setor está explorando ativamente materiais alternativos para fios de cobre para atingir os objetivos de redução de custos e peso leve. Entre os materiais condutores comuns, o alumínio é um substituto ideal. Possui boa condutividade, perdendo apenas para cobre entre metais comumente usados, e tem peso leve. Sua densidade é de cerca de 30% do cobre e seu custo é de apenas 20% ~ 30% do cobre, mas possui problemas como baixa resistência e fácil oxidação. Este artigo propõe uma solução técnica de referência para substituir o cobre por alumínio por cabos de energia automotiva de grande seção.

1. Questões técnicas que precisam ser resolvidas ao substituir o cobre por alumínio

O alumínio é superior ao cobre em custo e qualidade e tornou -se um ponto quente para redução de custos e pesquisas leves em empresas de automóveis. No entanto, o alumínio que substitui o cobre ainda enfrenta algumas dificuldades técnicas.

1) A condutividade do alumínio é inferior ao cobre. Se o problema for resolvido aumentando a área da seção transversal do fio de alumínio, a especificação do fio de alumínio precisa ser aumentada em níveis 1 ~ 2, o que tornará o chicote do fio de alumínio maior que o chicote de fio de cobre. O espaço de instalação e o raio de flexão precisam ser considerados ao organizar o arnês.

2) O alumínio tem baixa resistência. A força mecânica é de apenas 1 / 3 do de cobre, e é fácil ser quebrado durante a crimpagem. Quando o carro está dirigindo, o fio vibra e é fácil quebrar; portanto, a força do fio de alumínio precisa ser aumentada.

3) O alumínio possui um fenômeno de fluência compressiva significativa. Por volta de 80 ℃, a fluência se intensifica sob pressão, enquanto o cobre precisa estar acima de 230 ℃ para mostrar um certo grau de fluência compressiva. As características de fluência da compressão do alumínio causarão que o ponto de conexão se solte com as mudanças de temperatura e o tempo após o terminal ser crimicado, afetando o desempenho elétrico do fio.

Portanto, a tecnologia de conexão de alumínio-cobre requer um design especial para garantir um desempenho elétrico confiável ao longo do ciclo de vida do produto.

4) O alumínio é quimicamente ativo. É facilmente oxidado quando exposto ao ar, formando um filme denso e duro de óxido de alumínio. O óxido de alumínio tem fortes propriedades de isolamento e afetará a condutividade dos fios de alumínio. Quando o alumínio entra em contato com os terminais de cobre em um ambiente úmido e energizado, é fácil formar uma reação galvânica, causando corrosão eletroquímica na conexão e corroendo o condutor de alumínio. Esta situação deve ser evitada.

5) O alumínio e o cobre têm diferentes coeficientes de expansão térmica. Após a alternância a longo prazo do quente e do frio, a conexão é fácil de soltar, afetando a confiabilidade do ponto de conexão.

2. Análise de inatividade e soluções técnicas de alumínio substituindo o cobre

1) Análise de viabilidade

Internacionalmente, existem três principais padrões de arame automotivo: americano, japonês e europeu. Com a integração global da tecnologia industrial na indústria automotiva, os padrões de arame de vários países estão gradualmente se aproximando da série ISO de padrões internacionais. Atualmente, a maioria dos OEMs de automóveis domésticos usa os fios do núcleo de cobre e segue os padrões internacionais ISO 19642-5 e ISO 6722-1. Esses dois padrões têm requisitos técnicos semelhantes para os fios do núcleo de cobre automotivos e especificam a resistividade, a tensão e outras características dos fios em detalhes. Entre eles, a ISO 19642-5 possui requisitos mais detalhados para o desempenho do fio.

Os fios de alumínio estrangeiros são usados em aplicações industriais há pelo menos 30 anos. Eles foram usados pela primeira vez na indústria da aviação e começaram a ser usados no campo automotivo no início do século XXI. Em 2013, foi lançado o padrão internacional oficial da ISO 6722-2 para fios de alumínio automotivo e, em 2019, o ISO semelhante 19642-6 foi lançado. Os padrões internacionais ISO 19642-6 e ISO 6722-2 fornecem requisitos técnicos para diâmetro do condutor, resistência, resistividade do volume de isolamento etc. Os dois padrões são semelhantes em conteúdo e a ISO 19642-6 tem requisitos mais detalhados para o desempenho de condutores de alumínio automotivo. Portanto, o design do esquema precisa considerar de maneira abrangente esses dois padrões internacionais.

Os condutores de alumínio devem ser equivalentes aos condutores de cobre e atender a três pontos: primeiro, eles devem garantir que eles tenham condutividade semelhante e outras propriedades aos condutores de cobre substituídos, garantindo que a função de circuito original seja basicamente mantida ao substituir o material do condutor; Segundo, impeça a de que o fio de alumínio seja oxidado; Terceiro, obtenha uma conexão confiável entre o fio de alumínio e o terminal, porque o material de alumínio tem baixa dureza e pode cansar e quebrar após a flexão, enrolamento e vibração de alta frequência.

2) Alternativas para condutores de linha de energia

Comparando os padrões internacionais ISO 19642-5 e ISO 6722-1 para condutores de cobre e ISO 19642-6 e ISO 6722-2 para condutores de alumínio, pode-se observar que, quando a resistência é semelhante, o condutor de alumínio precisa de uma especificação maior para alcançar uma condutividade semelhante à da conduta do cobre.

O padrão europeu de composição de alumínio e alumínio EN 573-3: 2003 estipula que as ligas de alumínio e alumínio podem ser divididas em 8 séries. Entre eles, a série 1 é um fio de alumínio puro com um teor de alumínio superior a 99%; As ligas de alumínio da série 2 a 8 são novas ligas compostas à base de alumínio desenvolvidas adicionando diferentes proporções de Si, Fe, Cu, Mg, Mn, nano-cerâmica e nanomateriais de carbono para alumínio puro. A matriz é uma liga fortalecida tratada pelo calor. Sob a condição de garantir certa condutividade, a resistência à tração da liga de alumínio é maximizada, garantindo um alongamento suficiente.

As características do fio de alumínio puro da 1 série são alta condutividade, boa condutividade térmica, resistência à tração de 60 ~ 110MPa e alongamento do condutor superior a 12%. É o condutor de alumínio mais usado para cabos automotivos. Este grau de fio de alumínio é adequado para cabos de alimentação de grande diâmetro.

Em resumo, o princípio da resistência equivalente pode ser seguido para substituir o fio de cobre por fio de alumínio puro por uma área de seção transversal maior, e a resistência dos fios antes e após a substituição é a mesma ou próxima. Por exemplo, a área da seção transversal do fio de cobre original é de 35 mm2 e a resistência máxima do condutor por unidade de comprimento a 20 ℃ é de 0,527mΩ / m. A especificação do condutor de alumínio com o parâmetro de resistência mais próximo precisa ser aumentado para 60 mm2. Neste momento, a resistência máxima do condutor por unidade de comprimento a 20 ℃ é 0,525mΩ / m.
3) Esquema de conexão entre fios e terminais
① Solding de filtragem

A tecnologia de soldagem por fricção se originou mais de cem anos atrás. Ele usa o calor gerado pelo atrito da superfície de contato da peça de trabalho para fazer com que a peça de trabalho se deforme plasticamente sob pressão, alcançando assim a soldagem. Essa tecnologia é amplamente utilizada nos campos civis e aeroespacial.

O equipamento aciona a peça de trabalho para gerar muito calor por atrito, o que reduz a dureza do metal, melhora a plasticidade e faz com que os átomos de metal se difundam e esfriem e se cristalizem para formar uma junta de solda de fricção firme. Ao mesmo tempo, o atrito de alta velocidade destrói o filme de óxido na superfície do metal e melhora a condutividade da articulação soldada. Comparado com a soldagem tradicional de fusão, a soldagem por fricção tem as seguintes características: primeiro, a articulação soldada possui alta resistência, qualidade estável, boa consistência de componentes e a força da articulação é equivalente à do material pai; Segundo, é economizando energia e ecologicamente correto, sem a necessidade de hastes de soldagem e gases de proteção, não são gerados gases tóxicos ou nocivos durante o processo de soldagem, e o equipamento consome pouca energia; Terceiro, a soldagem por fricção pode atingir a soldagem de materiais diferentes, a articulação não tem poros ou inclusões e não ocorre corrosão eletroquímica.

Nesta solução, o terminal compósito de alumínio de cobre em forma de "L" adota um processo de soldagem por atrito rotativo para conectar a placa de cobre forjada final e o cilindro de alumínio puro da cauda. A placa de cobre forjada é usada para montar na bateria ou iniciante. É feito de latão, tem alta resistência, não é fácil de quebrar durante a instalação, e a tonalidade da superfície pode aliviar a corrosão eletroquímica causada pelo contato entre o latão e o corpo do carro. O cilindro de alumínio puro da cauda é uma estrutura oca colunar usada para conectar o condutor de alumínio. Depois que o condutor de alumínio é colocado no cilindro de alumínio puro por equipamento especial, ele é crimicado por forjamento de equipamentos. O fio de alumínio puro e o cilindro de alumínio puro são feitos do mesmo material e têm o mesmo coeficiente de expansão térmica, o que pode evitar a fratura por fadiga quando temperaturas altas e baixas alternam devido à diferença no coeficiente de expansão térmica.

As vantagens desta solução são: a placa de cobre forjada pode atender aos requisitos de montagem, e o tubo de alumínio que conecta o fio de alumínio pode evitar a fratura por fadiga causada pelos diferentes coeficientes de expansão térmica do terminal de cobre tradicional e o condutor de alumínio, que não apenas resolve o problema da força de instalação do terminal, mas também os solucionários.

Depois que o terminal é conectado ao condutor de alumínio, um tubo de encolhimento de calor de parede dupla com cola pode ser usada para vedação. O tubo de encolhimento de calor possui isolamento, resistência à corrosão e resistência ao desgaste. Depois de serem aquecidos por equipamentos especiais, a parede externa diminui e a cola sólida na parede interna derrete em cola líquida, cobrindo a parte da conexão do terminal e a superfície da pele do isolamento do fio. Após o resfriamento e a solidificação, pode atingir a resistência à vedação e a corrosão e impedir a corrosão da oxidação na articulação.
Solution Solding Solding

Desde a década de 1980, a tecnologia de soldagem por metal ultrassônica foi aplicada à soldagem do chicote de arame, usando energia de vibração de frequência ultrassônica para reorganizar a estrutura da treliça molecular de metal e conectar os mesmos metais ou diferentes metais. A articulação soldada atinge a ligação metalúrgica sem derreter o material pai, que pertence à soldagem de estado sólido e pode evitar efetivamente a respingo e a oxidação da soldagem comum.

A tecnologia de soldagem ultrassônica é amplamente utilizada na conexão de fios e fios, fios e terminais. O processo de soldagem é rápido e os parâmetros do processo podem ser monitorados durante todo o processo. A articulação soldada é um conector de metal puro, que não é facilmente afetado pelo envelhecimento, fluência e fadiga. A conexão é firme, a confiabilidade é alta e a resistência ao contato é baixa.

Essa tecnologia pode conectar os mesmos materiais ou diferentes materiais, como cobre e alumínio. Como o metal é soldado diretamente, não é necessário solda ou fluxo adicional. Além disso, a soldagem ultrassônica tem baixa tensão térmica no material e basicamente não altera as propriedades do material soldado e dos materiais circundantes. A soldagem ultrassônica tem um processo simples, alta resistência da articulação, boa condutividade e uma ampla gama de especificações do condutor que podem ser soldadas. Condutores com uma área transversal de 160 mm2 ou até maiores podem ser soldados. Semelhante à tecnologia de soldagem por fricção, a tecnologia de soldagem ultrassônica é adequada para a conexão de materiais e formas diferentes, como cobre e alumínio, arame e placa, e é amplamente utilizado na indústria de fios e cabos. Portanto, esta solução usa terminais de latão, que são conectados a condutores de alumínio puro por meio da tecnologia de soldagem ultrassônica e são crimpados e fixados com garras nas extremidades dos terminais para aumentar a confiabilidade da conexão. Da mesma forma, a tubulação de encolhimento de calor adesivo de parede dupla pode ser usada para selar a conexão para evitar a corrosão da oxidação na articulação.

3. Resumo

Com base na situação atual de alto custo e peso pesado dos fios de cobre automotivo, este artigo estuda os padrões de desempenho dos fios de cobre e alumínio e propõe uma solução técnica para substituir os fios de cobre por fios de alumínio, fornecendo uma nova maneira de as empresas reduzirem os custos e reduzir o peso.