ความหนาแน่นสูงและค่าใช้จ่ายของสายทองแดงแบบดั้งเดิมในรถยนต์ทำให้อุตสาหกรรมแสวงหาวัสดุทางเลือกเพื่อให้ลดต้นทุนและน้ำหนักเบา อลูมิเนียมกลายเป็นตัวทดแทนที่เหมาะสำหรับทองแดงเนื่องจากการนำไฟฟ้าที่ดีความหนาแน่นต่ำและต้นทุนต่ำ แต่ก็มีปัญหาเช่นความแข็งแรงต่ำและการเกิดออกซิเดชันง่าย บทความมุ่งเน้นไปที่สายเคเบิลพลังงานยานยนต์ขนาดใหญ่และสำรวจความยากลำบากทางเทคนิคที่จำเป็นต้องแก้ไขเมื่อเปลี่ยนทองแดงด้วยอลูมิเนียมรวมถึงการนำไฟฟ้าความแข็งแรงการคืบคืบการออกซิเดชั่นและความแตกต่างในค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อน โดยการวิเคราะห์มาตรฐานลวดยานยนต์ระหว่างประเทศได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้เกี่ยวกับการเปลี่ยนทองแดงด้วยอลูมิเนียมและมีการเสนอวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคที่เฉพาะเจาะจง: ใช้ลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์ 1 ชุดที่มีพื้นที่ตัดขวางขนาดใหญ่เพื่อแทนที่ลวดทองแดงตามหลักการของความต้านทานที่เทียบเท่า ให้บริการโซลูชั่นการเชื่อมต่อลวดและเทอร์มินัลสองแบบ: การเชื่อมแรงเสียดทานและการเชื่อมอัลตราโซนิกและใช้ท่อหดความร้อนแบบสองชั้นสำหรับการปิดผนึก บทความนี้ให้เส้นทางใหม่ที่มีมูลค่าอ้างอิงสำหรับ บริษัท ยานยนต์เพื่อให้ได้ลดต้นทุนและน้ำหนักเบา

สายไฟสายไฟยานยนต์อยู่ทั่วตัวรถ สายแบบดั้งเดิมนั้นทำจากอิเล็กโทรไลติกทองแดงที่มีความบริสุทธิ์สูงปลอมแปลงและบานพับโดยกระบวนการพิเศษ เนื่องจากความหนาแน่นสูงของทองแดงน้ำหนักรวมของชุดสายไฟของยานพาหนะเกิน 20 กิโลกรัมและค่าใช้จ่ายสูงซึ่งนำความดันต้นทุนมาสู่องค์กร ด้วยเหตุนี้อุตสาหกรรมกำลังสำรวจวัสดุทางเลือกสำหรับสายทองแดงเพื่อให้บรรลุเป้าหมายของการลดต้นทุนและน้ำหนักเบา ในบรรดาวัสดุตัวนำทั่วไปอลูมิเนียมเป็นตัวทดแทนในอุดมคติ มันมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีรองจากทองแดงในหมู่โลหะที่ใช้กันทั่วไปและมีน้ำหนักเบา ความหนาแน่นของมันคือประมาณ 30% ของทองแดงและค่าใช้จ่ายเพียง 20% ~ 30% ของทองแดง แต่มีปัญหาเช่นความแข็งแรงต่ำและออกซิเดชั่นง่าย บทความนี้เสนอโซลูชันทางเทคนิคอ้างอิงสำหรับการเปลี่ยนทองแดงด้วยอลูมิเนียมสำหรับสายไฟยานยนต์ขนาดใหญ่

1. ปัญหาด้านเทคนิคที่ต้องแก้ไขเมื่อเปลี่ยนทองแดงด้วยอลูมิเนียม

อลูมิเนียมดีกว่าทองแดงในราคาและคุณภาพและได้กลายเป็นจุดร้อนสำหรับการลดต้นทุนและการวิจัยที่มีน้ำหนักเบาใน บริษัท รถยนต์ อย่างไรก็ตามอลูมิเนียมเปลี่ยนทองแดงยังคงประสบปัญหาทางเทคนิคบางอย่าง

1) การนำไฟฟ้าของอลูมิเนียมต่ำกว่าทองแดง หากปัญหาได้รับการแก้ไขโดยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของลวดอลูมิเนียมข้อกำหนดลวดอลูมิเนียมจะต้องเพิ่มขึ้น 1 ~ 2 ระดับซึ่งจะทำให้สายรัดลวดอลูมิเนียมใหญ่กว่าสายรัดลวดทองแดง พื้นที่ติดตั้งและรัศมีการดัดงอต้องได้รับการพิจารณาเมื่อจัดเตรียมสายรัด

2) อลูมิเนียมมีความแข็งแรงต่ำ ความแข็งแรงเชิงกลมีเพียง 1 / 3 ของทองแดงและเป็นเรื่องง่ายที่จะหักในระหว่างการจีบ เมื่อรถขับเคลื่อนลวดสั่นและง่ายต่อการแตกดังนั้นความแข็งแรงของลวดอลูมิเนียมจะต้องเพิ่มขึ้น

3) อลูมิเนียมมีปรากฏการณ์การคืบบีบอัดอย่างมีนัยสำคัญ ที่ประมาณ 80 ℃การคืบจะเพิ่มขึ้นภายใต้แรงกดดันในขณะที่ทองแดงจะต้องสูงกว่า 230 ℃เพื่อแสดงระดับการคืบบีบอัดในระดับหนึ่ง ลักษณะการคืบของการบีบอัดของอลูมิเนียมจะทำให้จุดเชื่อมต่อคลายการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและเวลาหลังจากเทอร์มินัลถูกจีบส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของลวด

ดังนั้นเทคโนโลยีการเชื่อมต่ออลูมิเนียม คอปเปอร์จึงต้องมีการออกแบบพิเศษเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ตลอดวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์

4) อลูมิเนียมมีการใช้งานทางเคมี มันถูกออกซิไดซ์ได้อย่างง่ายดายเมื่อสัมผัสกับอากาศสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ที่หนาแน่นและแข็ง อลูมิเนียมออกไซด์มีคุณสมบัติฉนวนที่แข็งแกร่งและจะส่งผลกระทบต่อการนำไฟฟ้าของสายอลูมิเนียม เมื่อสัมผัสอลูมิเนียมขั้วทองแดงในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและมีพลังมันเป็นเรื่องง่ายที่จะสร้างปฏิกิริยากัลวานิกทำให้เกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าที่การเชื่อมต่อและการสึกกร่อนของตัวนำอลูมิเนียม สถานการณ์นี้จะต้องหลีกเลี่ยง

5) อลูมิเนียมและทองแดงมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน หลังจากสลับกันในระยะยาวของความร้อนและเย็นการเชื่อมต่อจะคลายได้ง่ายส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของจุดเชื่อมต่อ

2. การวิเคราะห์ความเป็นไปได้และการแก้ปัญหาทางเทคนิคของอลูมิเนียมแทนที่ทองแดง

1) การวิเคราะห์ความเป็นไปได้

ในระดับสากลมีมาตรฐานสายไฟยานยนต์หลักสามประการ ได้แก่ อเมริกาญี่ปุ่นและยุโรป ด้วยการบูรณาการระดับโลกของเทคโนโลยีอุตสาหกรรมในอุตสาหกรรมยานยนต์มาตรฐานลวดของประเทศต่าง ๆ จะค่อยๆขยับเข้าใกล้ซีรีย์มาตรฐานสากลของ ISO ในปัจจุบัน OEM รถยนต์ในประเทศส่วนใหญ่ใช้สายไฟทองแดงและทำตามมาตรฐานสากล ISO 19642 5 และ ISO 6722 1 มาตรฐานทั้งสองนี้มีข้อกำหนดทางเทคนิคที่คล้ายคลึงกันสำหรับสายไฟทองแดงยานยนต์และทั้งสองระบุความต้านทานความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าและลักษณะอื่น ๆ ของสายไฟในรายละเอียด ในหมู่พวกเขา ISO 19642 5 มีข้อกำหนดรายละเอียดเพิ่มเติมสำหรับประสิทธิภาพการทำงานของสาย

สายอลูมิเนียมต่างประเทศถูกนำมาใช้ในการใช้งานอุตสาหกรรมเป็นเวลาอย่างน้อย 30 ปี พวกเขาถูกใช้ครั้งแรกในอุตสาหกรรมการบินและเริ่มใช้ในสนามยานยนต์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ในปี 2013 มาตรฐานสากล ISO 6722 2 อย่างเป็นทางการสำหรับสายอลูมิเนียมยานยนต์ได้รับการปล่อยตัวและในปี 2562 มีการปล่อย ISO 19642 6 ที่คล้ายกัน มาตรฐานสากล ISO 19642 6 และ ISO 6722 2 ให้ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำความต้านทานความต้านทานปริมาตรฉนวน ฯลฯ มาตรฐานทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันในเนื้อหาและ ISO 19642 6 มีข้อกำหนดโดยละเอียดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพของตัวนำอลูมิเนียมยานยนต์ ดังนั้นการออกแบบโครงการจำเป็นต้องพิจารณามาตรฐานสากลทั้งสองอย่างครอบคลุม

ตัวนำอลูมิเนียมจะต้องเทียบเท่ากับตัวนำทองแดงและพบกับสามคะแนน: อันดับแรกพวกเขาจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าพวกเขามีค่าการนำไฟฟ้าที่คล้ายกันและคุณสมบัติอื่น ๆ กับตัวนำทองแดงที่ถูกแทนที่เพื่อให้แน่ใจว่าฟังก์ชั่นวงจรดั้งเดิมนั้นได้รับการบำรุงรักษาโดยทั่วไปในขณะที่เปลี่ยนวัสดุตัวนำ ประการที่สองป้องกันไม่ให้ลวดอลูมิเนียมถูกออกซิไดซ์ ประการที่สามบรรลุการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างลวดอลูมิเนียมและเทอร์มินัลเนื่องจากวัสดุอลูมิเนียมมีความแข็งต่ำและอาจอ่อนเพลียและแตกหลังจากการงอการคดเคี้ยวและการสั่นสะเทือนความถี่สูง

2) ทางเลือกสำหรับตัวนำสายไฟ

เมื่อเปรียบเทียบมาตรฐานสากล ISO 19642 5 และ ISO 6722 1 สำหรับตัวนำทองแดงและ ISO 19642 6 และ ISO 6722 2 สำหรับตัวนำอลูมิเนียมจะเห็นได้ว่าเมื่อการต่อต้านมีความคล้ายคลึงกัน

มาตรฐานอลูมิเนียมและอลูมิเนียมโลหะผสมมาตรฐาน EN 573 3: 2003 กำหนดว่าอัลลอยอลูมิเนียมและอลูมิเนียมสามารถแบ่งออกเป็น 8 ซีรีส์ ในหมู่พวกเขาซีรีส์ 1 เป็นลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์ที่มีปริมาณอลูมิเนียมมากกว่า 99%; อัลลอยอลูมิเนียมซีรีส์ 2 ถึง 8 เป็นโลหะผสมคอมโพสิตอลูมิเนียมแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นโดยการเพิ่มสัดส่วนที่แตกต่างกันของ Si, Fe, Cu, MG, MN, MN, นาโนเซรามิกและวัสดุนาโนคาร์บอนให้กับอลูมิเนียมบริสุทธิ์ เมทริกซ์เป็นโลหะผสมที่ได้รับการรักษาด้วยความร้อน ภายใต้เงื่อนไขของการสร้างความมั่นใจว่าค่าการนำไฟฟ้าบางอย่างความต้านทานแรงดึงของโลหะผสมอลูมิเนียมจะถูกขยายให้ใหญ่สุดในขณะที่ทำให้มั่นใจได้ว่าการยืดตัวที่เพียงพอ

ลักษณะของลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์ 1 ชุดมีค่าการนำไฟฟ้าสูงการนำความร้อนที่ดีความแข็งแรงแรงดึง 60 ~ 110mpa และการยืดตัวของตัวนำมากกว่า 12% มันเป็นตัวนำอลูมิเนียมที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับสายเคเบิลยานยนต์ ลวดอลูมิเนียมเกรดนี้เหมาะสำหรับสายไฟเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่

โดยสรุปหลักการของความต้านทานที่เทียบเท่าสามารถติดตามเพื่อแทนที่ลวดทองแดงด้วยลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์ที่มีพื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่าและความต้านทานของสายไฟก่อนและหลังการเปลี่ยนจะเหมือนกันหรือปิด ตัวอย่างเช่นพื้นที่หน้าตัดของลวดทองแดงดั้งเดิมคือ 35mm2 และความต้านทานสูงสุดของตัวนำต่อความยาวหน่วยที่ 20 ℃คือ0.527mΩ / m ข้อกำหนดของตัวนำอลูมิเนียมที่มีพารามิเตอร์ความต้านทานที่ใกล้เคียงที่สุดจะต้องเพิ่มขึ้นเป็น 60mm2 ในเวลานี้ความต้านทานสูงสุดของตัวนำต่อความยาวหน่วยที่ 20 ℃คือ0.525mΩ / m
3) รูปแบบการเชื่อมต่อระหว่างสายและเทอร์มินัล
①โซลูชันการเชื่อมที่ได้รับผลกระทบ

เทคโนโลยีการเชื่อมแรงเสียดทานมีต้นกำเนิดมานานกว่าร้อยปีที่ผ่านมา มันใช้ความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานของพื้นผิวสัมผัสชิ้นงานเพื่อให้ชิ้นงานเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกภายใต้แรงกดดันซึ่งจะทำให้การเชื่อม เทคโนโลยีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาพลเรือนและอวกาศ

อุปกรณ์ขับเคลื่อนชิ้นงานเพื่อสร้างความร้อนเป็นจำนวนมากด้วยแรงเสียดทานซึ่งช่วยลดความแข็งของโลหะปรับปรุงความเป็นพลาสติกและทำให้อะตอมของโลหะกระจายและเย็นและตกผลึกซึ่งกันและกัน ในเวลาเดียวกันแรงเสียดทานความเร็วสูงจะทำลายฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวโลหะและปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าของรอยเชื่อม เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมฟิวชั่นแบบดั้งเดิมการเชื่อมแรงเสียดทานมีลักษณะดังต่อไปนี้: ประการแรกข้อต่อเชื่อมมีความแข็งแรงสูงคุณภาพที่มั่นคงความสอดคล้องขององค์ประกอบที่ดีและความแข็งแรงของข้อต่อเทียบเท่ากับวัสดุหลัก ประการที่สองมันคือการประหยัดพลังงานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมโดยไม่จำเป็นต้องใช้แท่งเชื่อมและก๊าซป้องกันไม่มีก๊าซพิษหรือเป็นอันตรายเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อมและอุปกรณ์ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย ประการที่สามการเชื่อมแรงเสียดทานสามารถบรรลุการเชื่อมของวัสดุที่แตกต่างกันข้อต่อไม่มีรูขุมขนหรือการรวมและไม่มีการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้น

ในการแก้ปัญหานี้เทอร์มินัลคอมโพสิตทองแดง รูปทองคำอลูมิเนียม "L" มีรูปแบบการเชื่อมแรงเสียดทานแบบหมุนเพื่อเชื่อมต่อแผ่นทองแดงปลอมแปลงปลายและถังอลูมิเนียมบริสุทธิ์ แผ่นทองแดงปลอมแปลงใช้เพื่อประกอบกับแบตเตอรี่หรือสตาร์ทเตอร์ มันทำจากทองเหลืองมีความแข็งแรงสูงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะแตกในระหว่างการติดตั้งและพื้นผิวสีผิวสามารถบรรเทาการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างทองเหลืองและตัวถังรถยนต์ ถังอลูมิเนียมบริสุทธิ์หางเป็นโครงสร้างกลวงเสาที่ใช้ในการเชื่อมต่อตัวนำอลูมิเนียม หลังจากตัวนำอลูมิเนียมถูกวางลงในกระบอกอลูมิเนียมบริสุทธิ์ด้วยอุปกรณ์พิเศษมันจะถูกจู่โจมโดยการปลอมอุปกรณ์ ลวดอลูมิเนียมบริสุทธิ์และกระบอกอลูมิเนียมบริสุทธิ์ทำจากวัสดุเดียวกันและมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเหมือนกันซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการแตกหักของความล้าเมื่ออุณหภูมิสูงและต่ำสลับกันเนื่องจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

ข้อดีของการแก้ปัญหานี้คือ: แผ่นทองแดงปลอมแปลงสามารถตอบสนองความต้องการการประกอบและท่ออลูมิเนียมที่เชื่อมต่อลวดอลูมิเนียมสามารถหลีกเลี่ยงการแตกหักของความเหนื่อยล้าที่เกิดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน

หลังจากเทอร์มินัลเชื่อมต่อกับตัวนำอลูมิเนียมท่อหดแบบสองชั้นที่มีกาวสามารถใช้สำหรับการปิดผนึกได้ ท่อหดความร้อนมีฉนวนกันความร้อนความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสึกหรอ หลังจากได้รับความร้อนจากอุปกรณ์พิเศษผนังด้านนอกหดตัวและกาวที่เป็นของแข็งบนผนังด้านในจะละลายลงในกาวเหลวครอบคลุมส่วนการเชื่อมต่อเทอร์มินัลและพื้นผิวของผิวฉนวนกันความร้อนลวด หลังจากการระบายความร้อนและการแข็งตัวมันสามารถบรรลุการปิดผนึกและความต้านทานการกัดกร่อนและป้องกันการกัดกร่อนออกซิเดชันที่ข้อต่อ
②②ultrasonic welding solution

ตั้งแต่ปี 1980 เทคโนโลยีการเชื่อมโลหะอัลตราโซนิกได้ถูกนำไปใช้กับการเชื่อมสายไฟลวดโดยใช้พลังงานการสั่นสะเทือนความถี่อัลตราโซนิกเพื่อจัดโครงสร้างโครงสร้างตาข่ายโมเลกุลของโลหะและเชื่อมต่อโลหะเดียวกันหรือแตกต่างกัน รอยเชื่อมต่อจะบรรลุพันธะโลหะโดยไม่ต้องละลายวัสดุหลักซึ่งเป็นของการเชื่อมของโซลิดสเตตและสามารถหลีกเลี่ยงการกระเซ็นและการเกิดออกซิเดชันของการเชื่อมปกติได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เทคโนโลยีการเชื่อมอัลตราโซนิกใช้กันอย่างแพร่หลายในการเชื่อมต่อของสายไฟและสายไฟสายและขั้ว กระบวนการเชื่อมนั้นรวดเร็วและสามารถตรวจสอบพารามิเตอร์กระบวนการได้ตลอดกระบวนการ ข้อต่อเชื่อมเป็นขั้วต่อโลหะบริสุทธิ์ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบอย่างง่ายดายจากความชราการคืบและความเหนื่อยล้า การเชื่อมต่อมีความมั่นคงความน่าเชื่อถือสูงและความต้านทานการติดต่ออยู่ในระดับต่ำ

เทคโนโลยีนี้สามารถเชื่อมต่อวัสดุเดียวกันหรือแตกต่างกันเช่นทองแดงและอลูมิเนียม เนื่องจากโลหะเชื่อมโดยตรงจึงไม่จำเป็นต้องมีการประสานหรือฟลักซ์เพิ่มเติม นอกจากนี้การเชื่อมอัลตราโซนิกมีความเครียดจากความร้อนต่ำบนวัสดุและโดยทั่วไปจะไม่เปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุเชื่อมและวัสดุโดยรอบ การเชื่อมอัลตราโซนิกมีกระบวนการง่าย ๆ ความแข็งแรงของข้อต่อสูงการนำไฟฟ้าที่ดีและข้อกำหนดของตัวนำที่หลากหลายที่สามารถเชื่อมได้ ตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัด 160mm2 หรือใหญ่กว่าสามารถเชื่อมได้ เช่นเดียวกับเทคโนโลยีการเชื่อมแรงเสียดทานเทคโนโลยีการเชื่อมอัลตราโซนิกเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อของวัสดุและรูปแบบที่แตกต่างกันเช่นทองแดงและอลูมิเนียมลวดและแผ่นและใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมลวดและสายเคเบิล ดังนั้นโซลูชันนี้ใช้เทอร์มินัลทองเหลืองซึ่งเชื่อมต่อกับตัวนำอลูมิเนียมบริสุทธิ์ผ่านเทคโนโลยีการเชื่อมอัลตราโซนิกและมีการจีบและจับจ้องด้วยกรงเล็บที่ปลายของเทอร์มินัลเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อ ในทำนองเดียวกันท่อระบายความร้อนแบบติดผนังสองชั้นสามารถใช้ในการปิดผนึกการเชื่อมต่อเพื่อป้องกันการกัดกร่อนออกซิเดชันที่ข้อต่อ

3. สรุป

จากสถานการณ์ปัจจุบันของค่าใช้จ่ายสูงและน้ำหนักหนักของสายทองแดงยานยนต์กระดาษนี้ศึกษามาตรฐานประสิทธิภาพของสายทองแดงและอลูมิเนียมและเสนอทางออกทางเทคนิคสำหรับการเปลี่ยนสายทองแดงด้วยสายอลูมิเนียมซึ่งเป็นวิธีใหม่สำหรับองค์กรเพื่อลดต้นทุนและลดน้ำหนัก