Visoka gostota in stroški tradicionalnih bakrenih žic v avtomobilih so industrijo spodbudili k iskanju alternativnih materialov, da bi dosegli zmanjšanje stroškov in lahka. Aluminij je postal idealen nadomestek bakra zaradi dobre prevodnosti, nizke gostote in nizkih stroškov, hkrati pa ima težave, kot sta nizka moč in lahka oksidacija. Članek se osredotoča na avtomobilske kable z velikim odsekom in globoko raziskuje tehnične težave, ki jih je treba rešiti pri zamenjavi bakra z aluminijem, vključno s prevodnostjo, trdnostjo, stiskanjem, oksidacijo in razlikami v koeficientih toplotne ekspanzije. Z analizo mednarodnih standardov avtomobilskih žic je bila izvedena študija izvedljivosti o zamenjavi bakra z aluminijem in predlagana je bila specifična tehnična rešitev: z uporabo 1 serije čiste aluminijaste žice z večjo prerezno območje za nadomestitev bakrene žice po načelu enakovredne odpornosti; Zagotavljanje dveh žičnih in terminalnih priključnih rešitev: trenje varjenja in ultrazvočno varjenje ter z uporabo dvojnih lepilnih toplotnih krčenja za tesnjenje. Članek ponuja novo pot z referenčno vrednostjo za avtomobilska podjetja za doseganje zmanjšanja stroškov in lahka.

Avtomobilski pasovi ožičenja so po vsem avtomobilu. Tradicionalne žice so narejene iz visoke čistosti elektrolitskega bakra, kovanega, narisanega in tečaja s posebnimi postopki. Zaradi visoke gostote bakra skupna teža pasu za ožičenje vozila presega 20 kilogramov, stroški pa visoki, kar podjetjem prinaša stroški pritisk. V ta namen industrija aktivno raziskuje alternativne materiale za bakrene žice, da bi dosegla cilje zmanjšanja stroškov in lahka. Med skupnimi prevodnimi materiali je aluminij idealen nadomestek. Ima dobro prevodnost, drugo le baker med pogosto uporabljenimi kovinami in je lahka. Njegova gostota je približno 30% bakra, njeni stroški pa le 20% ~ 30% bakra, vendar ima težave, kot sta nizka moč in lahka oksidacija. Ta članek predlaga referenčno tehnično rešitev za zamenjavo bakra z aluminijem za avtomobilske napajalne kable z velikim odsekom.

1. Tehnična vprašanja, ki jih je treba rešiti pri zamenjavi bakra z aluminijem

Aluminij je v stroških in kakovosti boljši od bakra in je postal vroča točka za zmanjšanje stroškov in lahke raziskave v avtomobilskih podjetjih. Vendar pa se aluminija, ki nadomešča baker, še vedno sooča z nekaterimi tehničnimi težavami.

1) Aluminijeva prevodnost je slabša od bakra. Če se problem reši s povečanjem prečnega prereza aluminijeve žice, je treba specifikacijo aluminijaste žice povečati za 1 do 2 ravni, zaradi česar bo aluminijasti žični pas večji od bakrene žice. Pri urejanju pasu je treba upoštevati prostor za namestitev in polmer upogiba.

2) Aluminij ima nizko trdnost. Mehanska trdnost je le 1 / 3 iz bakra in jo je enostavno prekiniti med stiskanjem. Ko avtomobil vozi, žica vibrira in jo je enostavno razbiti, zato je treba povečati moč aluminijaste žice.

3) Aluminij ima pomemben pojav tlačnega lezenja. Približno 80 ℃ se lezenje pod pritiskom poveča, medtem ko mora biti baker nad 230 ℃, da pokaže določeno stopnjo tlačnega lezenja. Značilnosti aluminija pri stiskanju bodo povzročile, da se priključna točka zrahlja s temperaturnimi spremembami in čas po stiskanju terminala, kar vpliva na električno delovanje žice.

Zato tehnologija povezave z aluminijevo-bakreno tehnologijo zahteva posebno zasnovo, da se zagotovi zanesljive električne zmogljivosti v celotnem življenjskem ciklu izdelka.

4) Aluminij je kemično aktiven. Zlahka se oksidira, ko je izpostavljen zraku, ki tvori gost in trdi film aluminijevega oksida. Aluminijev oksid ima močne izolacijske lastnosti in bo vplival na prevodnost aluminijastih žic. Ko aluminijev stika bakrene terminale v vlažnem in energičnem okolju, je enostavno tvoriti galvansko reakcijo, kar povzroči elektrokemično korozijo pri povezavi in korodira aluminijev prevodnik. Temu položaju se je treba izogibati.

5) Aluminij in baker imata različne koeficiente toplotne ekspanzije. Po dolgoročni izmenjavi vročega in hladnega je povezava enostavno zrahniti, kar vpliva na zanesljivost priključne točke.

2. Analiza izvedljivosti in tehnične rešitve aluminija, ki nadomešča baker

1) Analiza izvedljivosti

Na mednarodni ravni obstajajo trije glavni standardi avtomobilskih žic: ameriški, japonski in evropski. Z globalno integracijo industrijske tehnologije v avtomobilski industriji se žični standardi različnih držav postopoma približujejo seriji mednarodnih standardov ISO. Trenutno večina domačih avtomobilskih proizvajalcev uporablja žice bakrene jedra in sledi mednarodnim standardom ISO 19642-5 in ISO 6722-1. Ta dva standarda imata podobne tehnične zahteve za avtomobilske žice bakrenega jedra in oba podrobno določata upornost, zdržita napetost in druge značilnosti žic. Med njimi ima ISO 19642-5 podrobnejše zahteve za delovanje žice.

Tuje aluminijaste žice se v industrijskih aplikacijah uporabljajo vsaj 30 let. Najprej so bili uporabljeni v letalski industriji in so se začeli uporabljati na avtomobilskem polju v zgodnjem 21. stoletju. Leta 2013 je izšel uradni mednarodni standard ISO 6722-2 za avtomobilske aluminijaste žice, leta 2019 pa je izšel podoben ISO 19642-6. Mednarodni standardi ISO 19642-6 in ISO 6722-2 zagotavljata tehnične zahteve za premer prevodnika, odpornost, upornost izolacije itd. Oba standarda sta po vsebini podobni, ISO 19642-6 pa podrobneje zahteve za delovanje avtomobilskih aluminijevih prevodnikov. Zato mora zasnova sheme celovito upoštevati ta dva mednarodna standarda.

Aluminijevi vodniki morajo biti enakovredni bakrenim vodnikom in izpolnjujejo tri točke: najprej morajo zagotoviti, da imajo podobno prevodnost in druge lastnosti nadomeščenim bakrenim vodnikom, pri čemer zagotavljajo, da se prvotna funkcija vezja v osnovi vzdržuje med zamenjavo prevodniškega materiala; drugič, preprečite, da bi se aluminijasta žica oksidirala; Tretjič, dosežete zanesljivo povezavo med aluminijasto žico in terminalom, ker ima aluminijasti material nizko trdoto in se lahko utrujenost in zlomi po upogibanju, vijuganju in visokofrekvenčnih vibracijah.

2) Alternative za prevodnike daljnovodov

Če primerjamo mednarodne standarde ISO 19642-5 in ISO 6722-1 za bakrene vodnike in ISO 19642-6 in ISO 6722-2 za aluminijaste vodnike, je razvidno, da ko je upor podoben, aluminijev vodnik potrebuje večjo specifikacijo, da doseže večjo specifikacijo, podobno prevodnosti, podobno kot pri prevodniku.

Standard evropskega aluminijastega in aluminijeve zlitine EN 573-3: 2003 določa, da lahko aluminijaste in aluminijeve zlitine razdelimo na 8 serij. Med njimi je serija 1 čista aluminijasta žica z vsebnostjo aluminija več kot 99%; Serije 2 do 8 aluminijevih zlitin so nove aluminijaste kompozitne zlitine, ki so bile razvite z dodajanjem različnih deležev SI, Fe, Cu, MG, MN, nano-ceramike in ogljikovih nanomaterialov v čisti aluminij. Matrica je toplotno obdelana zlitina. Pod pogojem zagotavljanja določene prevodnosti se natezna trdnost aluminijeve zlitine poveča, hkrati pa zagotavlja zadostno raztezanje.

Značilnosti 1 serije čiste aluminijeve žice so visoka prevodnost, dobra toplotna prevodnost, natezna trdnost 60 ~ 110MPA in raztezanje prevodnika večje od 12%. Je najpogosteje uporabljen aluminijasti prevodnik za avtomobilske kable. Ta ocena aluminijeve žice je primerna za napajalne vrvice velikega premera.

Če povzamemo, lahko sledimo načelu enakovredne odpornosti, ki nadomešča bakreno žico s čisto aluminijasto žico z večjim prečnim prerezom, upor žic pred in po zamenjavi pa je enak ali blizu. Na primer, območje prereza prvotne bakrene žice je 35 mm2, največja upor prevodnika na enoto dolžine pri 20 ℃ pa 0,527MΩ / m. Specifikacija aluminijastega prevodnika z najbližjim parametrom odpornosti je treba povečati na 60mm2. Trenutno je največji upor prevodnika na enoto dolžine pri 20 ℃ 0,525MΩ / m.
3) shema povezave med žicami in terminali
① Rešitev za varjenje

Tehnologija varjenja trenja je nastala pred več kot sto leti. Uporablja toploto, ki jo ustvarja trenje kontaktne površine obdelovanca, da se obdelovanca plastično deformira pod pritiskom in s tem doseže varjenje. Ta tehnologija se pogosto uporablja na civilnem in vesoljskem poljih.

Oprema poganja obdelovanec, da ustvari veliko toplote s trenjem, kar zmanjšuje trdoto kovine, izboljša plastičnost, kovinske atome pa se razprši in ohladi ter kristalizira drug drugega, da tvori trden varilni spoj trenja. Hkrati trenje visoke hitrosti uniči oksidni film na kovinski površini in izboljša prevodnost varjenega sklepa. V primerjavi s tradicionalnim fuzijskim varjenjem ima trenje varjenja naslednje značilnosti: najprej ima varjeni spoj visoko trdnost, stabilno kakovost, dobro konsistenco komponent in trdnost sklepov je enakovredna kot pri matičnem materialu; Drugič, gre za varčevanje z energijo in okolju prijazno, brez potrebe po varjenju palic in zaščitnih plinov, med varjenjem ne nastane strupeni ali škodljivi plini, oprema pa porabi malo moči; Tretjič, varjenje trenja lahko doseže varjenje različnih materialov, sklep nima pore ali vključkov in ne pride do elektrokemične korozije.

V tej raztopini "bakreni aluminijasti kompozitni terminal" L "v obliki črke L" sprejme postopek varjenja z vrtljivim trenjem, da priključi končno kovano bakreno ploščo in repni čisti aluminijasti cilinder. Kovana bakrena plošča se uporablja za sestavljanje na baterijo ali zaganjalnik. Izdelana je iz medenine, ima visoko trdnost, med namestitvijo ni enostavno razbiti, površinsko konzerviranje pa lahko ublaži elektrokemično korozijo, ki jo povzroči stik med medenino in avtomobilom. Rep čisti aluminijasti cilinder je stebna votla struktura, ki se uporablja za povezovanje aluminijastega prevodnika. Potem ko je aluminijasti prevodnik s posebno opremo nameščen v čisti aluminijasti cilinder, ga zajebava s kovanjem opreme. Čista aluminijasta žica in čisti aluminijasti valj sta izdelana iz istega materiala in imata enak koeficient toplotne ekspanzije, ki se lahko izogne zlomu utrujenosti, kadar visoke in nizke temperature izhajajo zaradi razlike v koeficientu toplotnega ekspanzije.

Prednosti te raztopine so: Kovana bakrena plošča lahko ustreza zahtevam montaže, aluminijasta cev, ki povezuje aluminijasto žico, pa se lahko izogne zlomu utrujenosti, ki ga povzročajo različni koeficienti toplotne ekspanzije tradicionalnega bakrenega terminala in aluminijskim prevodnikom, ki pa ne samo, da problem in terminala ne samo reši težavo in terminalne moči.

Ko je terminal povezan z aluminijastim prevodnikom, lahko za tesnjenje uporabimo dvojno steno toplotno krčenje z lepilom. Cev toplotne krčenja ima izolacijo, korozijsko odpornost in odpornost na obrabo. Potem ko jo segreva posebna oprema, se zunanja stena skrči in trdno lepilo na notranji steni se stopi v tekoče lepilo, pri čemer pokriva končni del priključka in površino žične izolacijske kože. Po hlajenju in strjevanju lahko doseže odpornost na tesnjenje in korozijo ter prepreči oksidacijsko korozijo na sklepu.
②Ultrasonična rešitev za varjenje

Od osemdesetih let prejšnjega stoletja je bila ultrazvočna tehnologija kovinskega varjenja uporabljena za varjenje žičnih pasov z uporabo ultrazvočne frekvenčne vibracijske energije za reorganizacijo kovinske molekularne strukture rešetke in povezovanje istih ali različnih kovin. Z varjenim sklepom doseže metalurško vez brez taljenja matičnega materiala, ki spada v trdno varjenje in se lahko učinkovito izogne škropljenju in oksidaciji navadnega varjenja.

Tehnologija ultrazvočnega varjenja se pogosto uporablja v povezavi z žicami in žicami, žicami in terminali. Postopek varjenja je hiter, parametre procesa pa lahko spremljate skozi celoten postopek. Varjeni spoj je čisti kovinski konektor, na katerega ne bi zlahka vplivali staranje, lezenje in utrujenost. Povezava je trdna, zanesljivost je velika, kontaktna odpornost pa nizka.

Ta tehnologija lahko poveže enake ali različne materiale, kot sta baker in aluminij. Ker je kovina neposredno varjena, ni potrebno dodatno spajkalnik ali tok. Poleg tega ima ultrazvočno varjenje na materialu nizko toplotno napetost in v bistvu ne spreminja lastnosti varjenega materiala in okoliških materialov. Ultrazvočno varjenje ima preprost postopek, visoko moč sklepov, dobro prevodnost in široko paleto specifikacij prevodnikov, ki jih je mogoče variti. Vodnike s prerezom 160 mm2 ali celo večje je mogoče variti. Podobno kot tehnologija varjenja za trenje je tudi ultrazvočna tehnologija varjenja primerna za povezavo različnih materialov in oblik, kot so baker in aluminij, žica in plošča ter se pogosto uporablja v žični in kabelski industriji. Zato ta rešitev uporablja medeninaste terminale, ki so povezani s čistimi aluminijastimi vodniki z ultrazvočno varilno tehnologijo in so stisnjeni in pritrjeni s kremplji na koncih terminalov, da izboljšajo zanesljivost povezave. Podobno lahko za tesnjenje priključka uporabimo dvojno steno z lepilnimi toplotnimi krčilnimi cevmi, da se prepreči oksidacijska korozija na sklepu.

3. Povzetek

Na podlagi trenutnega položaja visokih stroškov in velike teže avtomobilskih bakrenih žic ta prispevek preučuje standarde učinkovitosti bakrenih in aluminijevih žic ter predlaga tehnično rešitev za zamenjavo bakrenih žic z aluminijastimi žicami, ki omogočajo nov način za zmanjšanje stroškov in zmanjšanje teže.