Vysoká hustota a náklady na tradičné medené drôty v automobiloch prinútili odvetvie k hľadaniu alternatívnych materiálov na dosiahnutie zníženia nákladov a ľahkej váhy. Hliník sa stal ideálnou náhradou za meď kvôli svojej dobrej vodivosti, nízkej hustote a nízkych nákladoch, ale má tiež problémy, ako je nízka pevnosť a ľahká oxidácia. Článok sa zameriava na veľkoobjemové automobilové napájacie káble a hlboko skúma technické ťažkosti, ktoré je potrebné vyriešiť pri nahradení medi hliníkom, vrátane vodivosti, pevnosti, tlačného tečenia, oxidácie a rozdielov v koeficientoch tepelnej expanzie. Analýzou medzinárodných štandardov automobilového drôtu sa uskutočnila štúdia uskutočniteľnosti o výmene medi hliníkom a bolo navrhnuté špecifické technické riešenie: použitím čistého hliníkového drôtu série 1 s väčšou prierezovou plochou, ktorá nahradí medený drôt, podľa princípu ekvivalentného odporu; Poskytovanie dvoch riešení pripojenia s drôtom a terminálom: zváranie trecieho a ultrazvukové zváranie a pomocou dvojitého stienového tepelného zmrštiaceho hadičky na utesnenie. Článok poskytuje novú cestu s referenčnou hodnotou pre automobilové spoločnosti na dosiahnutie zníženia nákladov a ľahkej váhy.

Automobilové káblové zväzky sú po celom tele auta. Tradičné drôty sú vyrobené z vysoko čistoty elektrolytických kovaných, kovaných, nakreslené a zavesené špeciálnymi procesmi. V dôsledku vysokej hustoty medi celá hmotnosť káblového zväzku vozidla presahuje 20 kg a náklady sú vysoké, čo prináša nákladový tlak na podniky. Z tohto dôvodu priemysel aktívne skúma alternatívne materiály pre medené drôty, aby dosiahol ciele znižovania nákladov a ľahkej váhy. Medzi bežnými materiálmi vodičov je hliník ideálnou náhradou. Má dobrú vodivosť, druhá iba na meď medzi bežne používanými kovmi a má svetlo. Jeho hustota je asi 30% medi a jej náklady sú iba 20% ~ 30% medi, ale má problémy, ako je nízka pevnosť a ľahká oxidácia. Tento článok navrhuje referenčné technické riešenie na výmenu meďnatého hliníkom pre veľkoobjemové automobilové napájacie káble.

1.Technické problémy, ktoré je potrebné vyriešiť pri nahradení meďnatého hliníkom

Hliník je lepší ako náklady a kvalita medi a stal sa horúcim miestom na zníženie nákladov a ľahký výskum v automobilových spoločnostiach. Hliník, ktorý nahradí meď, však stále čelí určitým technickým ťažkostiam.

1) Hliníková vodivosť je nižšia ako meď. Ak sa problém vyrieši zvýšením prierezovej plochy hliníkového drôtu, je potrebné zvýšiť špecifikáciu hliníkového drôtu o 1 ~ 2 úrovne, čo zvýši zväzok hliníka drôtu väčší ako zväzok medených drôtov. Pri usporiadaní postroja je potrebné zvážiť inštalačný priestor a polomer ohybu.

2) Hliník má nízku pevnosť. Mechanická pevnosť je iba 1 / 3 z medi a je ľahké ju prelomiť počas krimovania. Keď vozidlo jazdí, drôt vibruje a je ľahké sa zlomiť, takže je potrebné zvýšiť pevnosť hliníkového drôtu.

3) Hliník má významný fenomén tlakového tečenia. Približne 80 ° sa tečnie zintenzívňuje pod tlakom, zatiaľ čo meď musí byť nad 230 ℃, aby sa ukázal určitý stupeň tlaku. Charakteristiky hliníka v tlaku spôsobia uvoľnenie bodu pripojenia s zmenami teploty a časom po tom, čo je terminál zatlačený, čo ovplyvňuje elektrický výkon drôtu.

Preto technológia pripojenia z hliníka vyžaduje špeciálny návrh na zabezpečenie spoľahlivého elektrického výkonu počas celého životného cyklu produktu.

4) Hliník je chemicky aktívny. Pri vystavení vzduchu sa ľahko oxiduje a vytvára hustý a tvrdý oxid hliník. Oxid hliníka má silné izolačné vlastnosti a ovplyvní vodivosť hliníkových vodičov. Keď hliník kontaktuje medené terminály vo vlhkom a napájanom prostredí, je ľahké vytvoriť galvanickú reakciu, čo spôsobuje elektrochemickú koróziu pri pripojení a koroduje hliníkový vodič. Tomuto situácii sa treba vyhnúť.

5) Hliník a meď majú rôzne koeficienty tepelnej expanzie. Po dlhodobej striedaní horúceho a studeného spojenia je ľahko uvoľnené, čo ovplyvňuje spoľahlivosť bodu pripojenia.

2. Analýza zlyhania a technické riešenia hliníka nahradenie meďnatiny

1) Analýza uskutočniteľnosti

V medzinárodnom meradle existujú tri hlavné štandardy automobilového drôtu: americký, japonský a európsky. Vďaka globálnej integrácii priemyselných technológií v automobilovom priemysle sa drôtové štandardy rôznych krajín postupne priblížia bližšie k sérii medzinárodných štandardov ISO. V súčasnosti väčšina domácich automobilových OEM používa medené jadrové vodiče a sleduje medzinárodné normy ISO 19642-5 a ISO 6722-1. Tieto dva štandardy majú podobné technické požiadavky na vodiče jadrového jadra medi a obidve určujú odpor, odolávajú napätiu a ďalšie charakteristiky vodičov podrobne. Medzi nimi má ISO 19642-5 podrobnejšie požiadavky na výkon drôtu.

Zahraničné hliníkové drôty sa používajú v priemyselných aplikáciách najmenej 30 rokov. Prvýkrát sa používali v leteckom priemysle a začali sa používať v automobilovom poli na začiatku 21. storočia. V roku 2013 bol vydaný oficiálny medzinárodný štandard ISO 6722-2 pre automobilové hliníkové drôty av roku 2019 bol vydaný podobný ISO 19642-6. Medzinárodné normy ISO 19642-6 a ISO 6722-2 poskytujú technické požiadavky na priemer vodiča, odpor, odpor izolácie objemu atď. Tieto dva normy sú podobné obsahu a ISO 19642-6 má podrobnejšie požiadavky na výkonnosť automobilových hliníkových vodičov. Návrh schémy preto musí komplexne zvážiť tieto dve medzinárodné normy.

Hliníkové vodiče musia byť ekvivalentné vodičom medi a spĺňajú tri body: Po prvé, musia zabezpečiť, aby mali podobnú vodivosť a ďalšie vlastnosti ako nahradené vodiče medi, čím sa zabezpečí, že pôvodná funkcia obvodu je v podstate udržiavaná pri výmene materiálu vodiča; Po druhé, zabrániť oxidácii hliníkového drôtu; Po tretie, dosiahnite spoľahlivé spojenie medzi hliníkovým drôtom a terminálom, pretože hliníkový materiál má nízku tvrdosť a môže sa po ohýbaní, vinutí a vysokofrekvenčných vibráciách unavovať a zlomiť.

2) Alternatívy pre vodiče elektrického vedenia

Pri porovnaní medzinárodných štandardov ISO 19642-5 a ISO 6722-1 pre vodiče medi a ISO 19642-6 a ISO 6722-2 pre hliníkové vodiče, je zrejmé, že keď je odpor podobný, vodič hliníka potrebuje väčšiu špecifikáciu na dosiahnutie vodivosti podobnej vodivosti vodiča medi.

Európsky zloženie hliníka a zliatiny hliníka štandardu EN 573-3: 2003 stanovuje, že zliatiny hliníka a hliníka sa dajú rozdeliť do 8 sérií. Medzi nimi je séria 1 čistý hliníkový drôt s obsahom hliníka viac ako 99%; zliatiny hliníkových zliatin série 2 až 8 sú nové kompozitné zliatiny na báze hliníka vyvinuté pridaním rôznych rozmerov SI, Fe, Cu, Mg, Mn, nano-ceramiky a uhlíkových nanomateriálov do čistého hliníka. Matica je tepelne ošetrená zliatina. Pod podmienkou zabezpečenia určitej vodivosti sa maximalizuje pevnosť v ťahu hliníkovej zliatiny, pričom sa zabezpečuje dostatočné predĺženie.

Charakteristiky čistého hliníkového drôtu série 1 sú vysoká vodivosť, dobrá tepelná vodivosť, pevnosť v ťahu 60 ~ 110 MPa a predĺženie vodiča väčšie ako 12%. Je to najbežnejšie používaný hliníkový vodič pre automobilové káble. Tento stupeň hliníkového drôtu je vhodný pre napájacie káble s veľkým priemerom.

Stručne povedané, princíp ekvivalentného odporu je možné dodržiavať, aby sa nahradil medený drôt čistým hliníkovým drôtom za väčšiu plochu prierezu a odpor vodičov pred a po výmene je rovnaký alebo blízko. Napríklad prierezová plocha pôvodného medeného drôtu je 35 mm2 a maximálny odpor vodiča na jednotku dĺžky pri 20 ° je 0,527 mΩ / m. Špecifikácia hliníkového vodiča s najbližším parametrom odporu sa musí zvýšiť na 60 mm2. V tejto dobe je maximálny odpor vodiča na jednotku dĺžky pri 20 ° 0,525 mΩ / m.
3) Schéma pripojenia medzi vodičmi a terminálmi
Riešenie zvárania

Technológia zvárania trenia vznikla pred viac ako sto rokmi. Využíva teplo generované trením kontaktnej plochy obrobku, aby sa obrobok stal plasticky deformovaný pod tlakom, čím sa dosiahne zváranie. Táto technológia sa široko používa v občianskych a leteckých poliach.

Zariadenie poháňa obrobok, aby vytvoril veľa tepla trením, ktoré znižuje tvrdosť kovu, zlepšuje plasticitu a robí kovové atómy rozptyľujúce a chladné a navzájom sa kryštalizujú, aby vytvorili pevný zvárací spoj. Vysokorýchlostné trenie zároveň ničí oxidový film na kovovom povrchu a zlepšuje vodivosť zváraného kĺbu. V porovnaní s tradičným zváraním fúzie má zváranie trenia tieto vlastnosti: Po prvé, zváraný kĺb má vysokú pevnosť, stabilnú kvalitu, dobrú konzistenciu komponentov a pevnosť kĺbu je rovnocenná s pevnosťou rodičovského materiálu; Po druhé, je šetrný k energii a ekologické, bez potreby zváracích prútov a ochranných plynov, počas procesu zvárania sa nevytvárajú žiadne toxické alebo škodlivé plyny a zariadenie spotrebúva malú energiu; Po tretie, zváranie trenia môže dosiahnuť zváranie odlišných materiálov, kĺb nemá póry ani inklúzie a nedošlo k elektrochemickej korózii.

V tomto roztoku prijíma kompozitný terminál medi-hliníkového kompozitu „L“, ktorý má proces rotačného trenia zvárania na pripojenie koncovej kovanej medi a čistého hliníkového valca chvosta. Kovaná medená doska sa používa na zostavenie batérie alebo štartéra. Je vyrobený z mosadze, má vysokú pevnosť, počas inštalácie sa nedá ľahko prelomiť a povrchová kondícia môže zmierniť elektrochemickú koróziu spôsobenú kontaktom medzi mosadzou a telom automobilu. Čistý hliníkový valec z chvosta je stĺpková dutina, ktorá sa používa na prepojenie hliníkového vodiča. Po umiestnení hliníkového vodiča do čistého hliníkového valca špeciálnym vybavením je zakrivené kredivom. Čistý hliníkový drôt a čistý hliníkový valc sú vyrobené z toho istého materiálu a majú rovnaký koeficient tepelnej expanzie, ktorý sa môže vyhnúť zlomeniu únavy, keď sa vysoká a nízka teplota striedajú v dôsledku rozdielu v koeficiente tepelnej expanzie.

Výhody tohto roztoku sú: kovaná medená doska môže spĺňať požiadavky na montáž a hliníková trubica spájajúca hliníkový drôt sa môže vyhnúť zlomeniu únavy spôsobenej rôznymi koeficientmi tepelnej expanzie tradičného medeného terminálu a hliníkového vodiča, ktorý nielen rieši problém terminálovej inštalácie, ale tiež rieši problém spojenia medzi aluminovým vodičom a terminálom.

Po pripojení terminálu k hliníkovému vodičovi sa na utesnenie môže použiť dvojstenná zmršťovacia trubica s lepidlom. Trubička zmršťovania tepla má izoláciu, odolnosť proti korózii a odolnosť proti opotrebeniu. Po zahriatí špeciálnym zariadením sa vonkajšia stena zmenšuje a tuhé lepidlo na vnútornej stene sa topí na kvapalné lepidlo, čím pokrýva koncovú pripojenú časť a povrch izolačnej kože drôtu. Po ochladení a solidifikácii môže dosiahnuť odolnosť proti utesneniu a korózii a zabrániť oxidačnej korózii v kĺbe.
②ultrazónové zváracie roztok

Od osemdesiatych rokov sa na zváranie drôtových postrojov aplikovala technológia ultrazvukového kovového zvárania, pričom na reorganizáciu molekulárnej mriežkovej štruktúry kovovej molekulárnej mriežky a spojenie rovnakých alebo rôznych kovov využíva energiu vibrácií ultrazvukovej frekvencie. Zváraný kĺb dosahuje metalurgické spojenie bez topenia rodičovského materiálu, ktorý patrí do zvárania v tuhom stave a môže sa účinne vyhnúť rozstrele a oxidácii bežného zvárania.

Technológia ultrazvukového zvárania sa široko používa pri pripojení vodičov a drôtov, drôtov a svoriek. Proces zvárania je rýchly a parametre procesu je možné počas celého procesu monitorovať. Zváraný kĺb je čisto kovový konektor, ktorý nie je ľahko ovplyvnený starnutím, tečením a únavou. Spojenie je pevné, spoľahlivosť je vysoká a odpor kontaktu je nízky.

Táto technológia môže spájať rovnaké alebo rôzne materiály, napríklad meď a hliník. Pretože kov je priamo zváraný, nie je potrebný žiadny ďalší spájkovač alebo tok. Okrem toho má ultrazvukové zváranie nízke tepelné napätie na materiáli a v podstate nemení vlastnosti zváraného materiálu a okolitých materiálov. Ultrazvukové zváranie má jednoduchý proces, vysokú silu kĺbu, dobrú vodivosť a širokú škálu špecifikácií vodičov, ktoré je možné zvárať. Vodiče s prierezovou plochou 160 mm2 alebo ešte väčšie môžu byť zvárané. Podobne ako v technológii trecieho zvárania, aj technológia ultrazvukového zvárania je vhodná na spojenie odlišných materiálov a foriem, ako sú meď a hliník, drôt a tanier, a široko sa používa v priemysle drôtov a káblov. Toto riešenie preto používa mosadzné terminály, ktoré sú spojené s čistými hliníkovými vodičmi prostredníctvom technológie ultrazvukového zvárania a sú na koncoch terminálov potvrdzované a fixované pazúry na koncoch terminálov, aby sa zvýšila spoľahlivosť pripojenia. Podobne sa na utesnenie pripojenia na zabránenie oxidačnej korózii v kĺbe môže použiť dvojitý stienový vrtuľník.

3. Zhrnutie

Na základe súčasnej situácie vysokých nákladov a vysokej hmotnosti automobilových medených drôtov tento papier študuje výkonnostné štandardy medených a hliníkových vodičov a navrhuje technické riešenie na nahradenie medených vodičov hliníkovými vodičmi, čo poskytuje nový spôsob, ako pre podniky znížiť náklady a zníženie hmotnosti.