Koska alumiinijohtimia käytetään yhä enemmän autojen johtosarjoissa, tässä artikkelissa analysoidaan ja järjestetään alumiinisten virtajohtosarjojen liitäntätekniikkaa sekä analysoidaan ja vertaillaan eri liitäntämenetelmien suorituskykyä alumiinisten virtajohtosarjojen liitäntämenetelmien myöhemmän valinnan helpottamiseksi.
01 Yleiskatsaus
Alumiinijohtimien käytön yleistyessä autojen johtosarjoissa alumiinijohtimien käyttö perinteisten kuparijohtimien sijaan on vähitellen lisääntymässä. Alumiinijohtimien korvaamisessa kuparijohtimilla sähkökemiallinen korroosio, korkean lämpötilan viruminen ja johtimien hapettuminen ovat kuitenkin ongelmia, jotka on kohdattava ja ratkaistava sovellusprosessin aikana. Samalla kuparijohtimien korvaamisessa alumiinijohtimilla on täytettävä alkuperäisten kuparijohtimien vaatimukset. Sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet on otettava huomioon suorituskyvyn heikkenemisen välttämiseksi.
Alumiinilankojen levityksen aikana esiintyvien ongelmien, kuten sähkökemiallisen korroosion, korkean lämpötilan hiipimisen ja johtimen hapettumisen, ratkaisemiseksi teollisuudessa on tällä hetkellä neljä yleisintä liitäntämenetelmää: kitkahitsaus ja painehitsaus, kitkahitsaus, ultraäänihitsaus ja plasmahitsaus.
Seuraavassa on analyysi ja suorituskyvyn vertailu näiden neljän yhteystyypin yhteysperiaatteista ja -rakenteista.
02 Kitkahitsaus ja painehitsaus
Kitkahitsauksessa ja puristusliitoksessa käytetään ensin kupari- ja alumiinitankoja kitkahitsaukseen ja sitten kuparitangot leimataan sähköliitosten muodostamiseksi. Alumiinitangot koneistetaan ja muotoillaan alumiinisiksi puristuspäiksi, jolloin valmistetaan kupari- ja alumiiniliittimet. Sitten alumiinilanka työnnetään kupari-alumiiniliittimen alumiiniseen puristuspäähän ja puristetaan hydraulisesti perinteisellä johdinsarjan puristuslaitteella alumiinijohtimen ja kupari-alumiiniliittimen välisen liitoksen viimeistelemiseksi, kuten kuvassa 1 on esitetty.
Verrattuna muihin liitosmuotoihin, kitkahitsaus ja painehitsaus muodostavat kupari-alumiiniseoksen siirtymävyöhykkeen kupari- ja alumiinitankojen kitkahitsauksen avulla. Hitsauspinta on tasaisempi ja tiheämpi, mikä estää tehokkaasti kuparin ja alumiinin erilaisten lämpölaajenemiskertoimien aiheuttaman lämpöryömimisongelman. Lisäksi seoksen siirtymävyöhykkeen muodostuminen estää tehokkaasti myös sähkökemiallisen korroosion, joka johtuu kuparin ja alumiinin erilaisista metalliaktiivisuuksista. Myöhemmin tiivistämällä kutistesukka eristetään suolasumu ja vesihöyry, mikä myös estää tehokkaasti sähkökemiallisen korroosion esiintymisen. Alumiinilangan ja kupari-alumiiniliittimen alumiinipuristuspään hydraulisen puristuksen kautta alumiinijohtimen monofilamenttirakenne ja alumiinipuristuspään sisäseinämän oksidikerros tuhoutuvat ja kuoriutuvat pois, minkä jälkeen yksittäisten lankojen ja alumiinijohtimen ja puristuspään sisäseinämän välinen oksidikerros hajoaa ja kuoriutuu. Hitsausyhdistelmä parantaa liitoksen sähköistä suorituskykyä ja tarjoaa luotettavimman mekaanisen suorituskyvyn.
03 Kitkahitsaus
Kitkahitsauksessa alumiiniputkea käytetään alumiinijohtimen puristamiseen ja muotoiluun. Päätypinnan katkaisemisen jälkeen kupariliittimeen tehdään kitkahitsaus. Johtimen ja kupariliittimen välinen hitsausliitos viimeistellään kitkahitsauksella, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Alumiinilangat yhdistetään kitkahitsauksella. Ensin alumiiniputki asennetaan alumiinilangan johtimeen puristamalla. Johtimen monofilamenttirakenne plastisoidaan puristamalla tiiviin pyöreän poikkileikkauksen muodostamiseksi. Sitten hitsauspoikkileikkaus litistetään sorvaamalla prosessin loppuun saattamiseksi. Hitsauspintojen valmistelu. Kupariliittimen toinen pää on sähköliitäntärakenne ja toinen pää on kupariliittimen hitsausliitäntäpinta. Kupariliittimen hitsausliitäntäpinta ja alumiinilangan hitsauspinta hitsataan ja yhdistetään kitkahitsauksella, ja sitten hitsauspinta leikataan ja muotoillaan kitkahitsauksen suorittamiseksi alumiinilangan liittämiseksi.
Verrattuna muihin liitosmuotoihin, kitkahitsaus muodostaa siirtymäliitoksen kuparin ja alumiinin välille kitkahitsauksella kupariliittimien ja alumiinijohtimien välillä, mikä vähentää tehokkaasti kuparin ja alumiinin sähkökemiallista korroosiota. Kuparin ja alumiinin välinen kitkahitsauksen siirtymäalue tiivistetään myöhemmin liimautuvalla kutistesukkaletkulla. Hitsausalue ei altistu ilmalle ja kosteudelle, mikä vähentää korroosiota entisestään. Lisäksi hitsausalueella alumiinijohtimen ja kupariliittimen välinen suora hitsaus lisää liitoksen vetolujuutta ja yksinkertaistaa käsittelyprosessia.
Kuvassa 1 esitetyssä alumiinilankojen ja kupari-alumiiniliittimien välisessä liitoksessa on kuitenkin myös haittoja. Johdinsarjavalmistajien käyttämät kitkahitsauslaitteet vaativat erilliset kitkahitsauslaitteet, joiden monipuolisuus on heikkoa ja jotka lisäävät johdinsarjavalmistajien investointeja käyttöomaisuuteen. Toiseksi, kitkahitsauksessa langan monofilamenttirakenne hitsataan suoraan kitkahitsauksella kupariliittimeen, mikä johtaa onteloihin kitkahitsausliitosalueella. Pölyn ja muiden epäpuhtauksien läsnäolo vaikuttaa hitsauksen lopulliseen laatuun ja aiheuttaa hitsausliitoksen mekaanisten ja sähköisten ominaisuuksien epävakautta.
04 Ultraäänihitsaus
Alumiinilankojen ultraäänihitsauksessa käytetään ultraäänihitsauslaitteita alumiinilankojen ja kupariliittimien yhdistämiseen. Ultraäänihitsauslaitteen hitsauspään korkeataajuisen värähtelyn avulla alumiinilangan monofilamentit sekä alumiinilangat ja kupariliittimet yhdistetään toisiinsa alumiinilangan muodostamiseksi. Kupariliittimien kytkentä on esitetty kuvassa 3.
Ultraäänihitsausliitos syntyy, kun alumiinilangat ja kupariliittimet värähtelevät korkeataajuisten ultraääniaalloilla. Kuparin ja alumiinin välinen värähtely ja kitka viimeistelevät kuparin ja alumiinin välisen liitoksen. Koska sekä kuparilla että alumiinilla on pintakeskeinen kuutiollinen metallikiderakenne, korkeataajuisessa värähtelyympäristössä atomien korvautuminen metallikiderakenteessa viimeistellään seossiirtymäkerroksen muodostamiseksi, mikä estää tehokkaasti sähkökemiallisen korroosion esiintymisen. Samanaikaisesti ultraäänihitsausprosessin aikana alumiinijohtimen monofilamentin pinnalla oleva oksidikerros kuoriutuu pois, jolloin monofilamenttien välinen hitsausliitos viimeistellään, mikä parantaa liitoksen sähköisiä ja mekaanisia ominaisuuksia.
Verrattuna muihin liitäntämuotoihin, ultraäänihitsauslaitteet ovat yleisesti käytettyjä käsittelylaitteita johdinsarjavalmistajille. Ne eivät vaadi uusia investointeja käyttöomaisuuteen. Samalla liittimissä käytetään kuparilla leimattuja liittimiä, ja liitäntäkustannukset ovat alhaisemmat, joten niillä on paras kustannusetu. Haittojakin on kuitenkin. Verrattuna muihin liitäntämuotoihin ultraäänihitsauksella on heikommat mekaaniset ominaisuudet ja huono tärinänkestävyys. Siksi ultraäänihitsausliitäntöjen käyttöä ei suositella korkeataajuisilla tärinäalueilla.
05 Plasmahitsaus
Plasmahitsauksessa käytetään kupariliittimiä ja alumiinilankoja puristusliitoksiin, ja sitten lisäämällä juotetta plasmakaarta käytetään hitsattavan alueen säteilyttämiseen ja lämmittämiseen, juotteen sulattamiseen, hitsausalueen täyttämiseen ja alumiinilankaliitoksen viimeistelyyn, kuten kuvassa 4 on esitetty.
Alumiinijohtimien plasmahitsauksessa käytetään ensin kupariliittimien plasmahitsausta, ja alumiinijohtimien puristus ja kiinnitys viimeistellään puristamalla. Plasmahitsausliittimet muodostavat puristamisen jälkeen tynnyrinmuotoisen rakenteen, jonka jälkeen liittimen hitsausalue täytetään sinkkipitoisella juotteella ja puristettuun päähän lisätään sinkkipitoista juotetta. Plasmakaaren säteilytyksen alaisena sinkkipitoinen juote kuumennetaan ja sulatetaan, minkä jälkeen se siirtyy kapillaari-ilmiön avulla puristusalueen lankaväliin ja viimeistelee kupariliittimien ja alumiinijohtimien liitosprosessin.
Alumiinilankojen plasmahitsaus yhdistää alumiinilangat nopeasti kupariliittimiin puristamalla ja varmistaa luotettavat mekaaniset ominaisuudet. Samanaikaisesti puristusprosessin aikana 70–80 %:n puristussuhteella johtimen oksidikerros hajoaa ja kuoriutuu, mikä parantaa tehokkaasti sähköistä suorituskykyä, vähentää liitoskohtien kosketusvastusta ja estää liitoskohtien kuumenemisen. Sitten puristusalueen päähän lisätään sinkkiä sisältävää juotetta ja hitsausaluetta säteilytetään ja lämmitetään plasmasuihkulla. Sinkkiä sisältävä juote kuumennetaan ja sulatetaan, ja juote täyttää puristusalueen raon kapillaari-ilmiön avulla, jolloin puristusalueelle muodostuu suolavesisuihkua. Höyryeristys estää sähkökemiallisen korroosion. Samalla, koska juote on eristetty ja puskuroitu, muodostuu siirtymäalue, joka estää tehokkaasti lämpövirumisen ja vähentää liitosresistanssin lisääntymisen riskiä kuumuuden ja kylmän shokin aikana. Liitosalueen plasmahitsaus parantaa tehokkaasti liitosalueen sähköistä suorituskykyä ja parantaa entisestään myös liitosalueen mekaanisia ominaisuuksia.
Verrattuna muihin liitäntämuotoihin plasmahitsaus eristää kupariliittimet ja alumiinijohtimet siirtymähitsauskerroksen ja vahvistetun hitsauskerroksen avulla, mikä vähentää tehokkaasti kuparin ja alumiinin sähkökemiallista korroosiota. Vahvistettu hitsauskerros ympäröi alumiinijohtimen päätypinnan, joten kupariliittimet ja johtimen ydin eivät joudu kosketuksiin ilman ja kosteuden kanssa, mikä vähentää entisestään korroosiota. Lisäksi siirtymähitsauskerros ja vahvistettu hitsauskerros kiinnittävät kupariliittimet ja alumiinijohtimien liitokset tiiviisti, mikä lisää tehokkaasti liitosten vetolujuutta ja yksinkertaistaa käsittelyprosessia. Haittoja on kuitenkin myös. Plasmahitsauksen soveltaminen johdinsarjavalmistajiin vaatii erilliset plasmahitsauslaitteet, joiden monipuolisuus on heikko ja jotka lisäävät johdinsarjavalmistajien investointeja käyttöomaisuuteen. Toiseksi plasmahitsausprosessissa juotos viimeistellään kapillaari-ilmiöllä. Puristusalueen rakojen täyttöprosessi on hallitsematon, mikä johtaa epävakaaseen lopulliseen hitsauslaatuun plasmahitsausliitosalueella ja suuriin sähköisen ja mekaanisen suorituskyvyn poikkeamiin.
Julkaisun aika: 19. helmikuuta 2024