Новий обжим для алюмінієвого дроту

Щоб створити якомога більшу контактну поверхню з міддю для якомога більшої кількості ниток, обтискний ствол Litealum загорнутий якомога далі. Фото надано TE Connectivity

Цей графік показує ціну на алюміній та мідь з червня 2006 року по червень 2011 року. Заміна мідного дроту на алюміній може значно зменшити вартість електропроводки. Фото надано TE Connectivity

Обтискна конструкція Copalum була розроблена для алюмінієвих провідників в енергетичній галузі. Фото надано TE Connectivity

На цих мікрофотографіях видно частково холоднозварені ділянки з обжимом Litealum. Фото надано TE Connectivity

Усередині обтискної бочки Litealum є зубчасті гострокінцеві зубці, які надають їй вигляд пральної дошки. Фото надано TE Connectivity

Через низьку границю текучості матеріал провідника зазнає значно більшої механічної деформації під час опресування, ніж мідна втулка. Об'ємний потік, викликаний цією деформацією, зміщується в осьовому напрямку в обидві сторони. Фото надано TE Connectivity

Після обтиску залишковий залишковий поверхневий тиск у з'єднанні становить приблизно 180 ньютонів на квадратний міліметр при невеликій кількості точок. Як результат, не існує умов, які могли б спричинити витікання алюмінію назовні із обтискного стовбура. Фото надано TE Connectivity

Для запобігання електрохімічній корозії в процес опресування включається ізоляція на задньому кінці обтискного стовбура. Фото надано TE Connectivity

Алюмінієві обтискні з'єднання виявилися стабільними після випробувань на температурний удар за 500 циклів (від -40 C до 130 C) у вологих умовах. Фото надано TE Connectivity

Заміна мідних провідників на алюмінієві підтримує дві нагальні вимоги в автомобільній промисловості.

По-перше, оскільки алюміній приблизно на дві третини легший за мідний, алюмінієвий дріт може допомогти зменшити загальну вагу автомобільних джгутів. Навіть беручи до уваги залежність провідності до щільності, алюмінієвий провідник з однаковим опором все ще приблизно на 50 відсотків легший за еквівалент міді. Це зменшення ваги може допомогти зменшити споживання палива та зменшити викиди CO2.

Легка конструкція однаково важлива для гібридних та електромобілів, оскільки вона може істотно збільшити дальність руху автомобіля в режимі електричного водіння. Це, в свою чергу, може допомогти обмежити розмір і вагу необхідної батареї.

По-друге, оскільки алюміній набагато дешевший за мідний, алюмінієвий дріт може допомогти зменшити загальну вартість автомобіля. На момент пресування алюміній коштував 0,70 долара за фунт, а мідь - 2,31 долар за фунт. І оскільки алюмінію більше, ніж міді, його ціна менш летюча.

Протягом останніх кількох років компанія TE Connectivity представила кілька продуктів спеціально для алюмінієвого дроту. Наприклад, обтискна конструкція Copalum була розроблена для алюмінієвих провідників в енергетичній галузі, тоді як сімейство гофрованих роз'ємів Amplivar було розширено, включивши моделі для багатожильних алюмінієвих провідників.

Наш досвід роботи з цими роз'ємами привів до розробки обтискної конструкції Litealum для закінчення багатожильних алюмінієвих провідників в автомобільних цілях.

Проблеми алюмінієвих провідників

Хоча алюміній має численні переваги в якості електропроводки, він також має деякі властивості, які можуть перешкоджати його використанню в якості провідника.

Найбільший - повзучість. Будь-яка конструкція клем для алюмінієвих провідників повинна це враховувати. В ідеалі конструкція повинна створювати холодний шов між провідниками і клемою.

Інша проблема - корозія. У присутності вологи в безпосередній точці контакту різниця потенціалів між міддю (0,3 вольта) та алюмінієм (-1,69 вольта) призводить до розчинення алюмінію - основи двох металів. Потрібно вжити заходів для запобігання цьому небажаному ефекту.

Алюміній - пластичний метал з вираженим ступенем чутливості до вигину. Алюміній володіє лише третиною механічної міцності міді. Цю властивість слід враховувати для досягнення необхідного ступеня механічної міцності як у самому проводі, так і з точки зору міцності з’єднань.

Інша проблема полягає в тому, що алюміній утворює щільний, твердий шар оксиду. Хоча цей оксидний шар захищає матеріал від прогресуючої корозії, він також має характеристики одного з найвідоміших ізоляторів. Отже, хороший електричний зв’язок вимагає надійного руйнування шару оксиду під час закінчення.

Новий обтиск

Обтискний ствол Litealum був розроблений спеціально для закінчення алюмінієвих провідників. Конструктивні та поверхневі властивості обтискного ствола, особливо зони закінчення обтиску, пристосовані до властивостей матеріалу алюмінію.

Зсередини обтискного ствола Litealum мають зубці із гострими краями, які мають вигляд пральної дошки. Фраза «зазубреність у формі акули-плавника» адекватно описує контур ребристого краю. Під час опрессовки зубці розбивають шар оксиду, оголюючи чистий алюміній, що знаходиться нижче, і таким чином дозволяючи встановити електричний контакт місцевим холодним зварюванням.

Конструкція терміналу використовує властиву алюмінію пластичність під час обтиску. Через низьку границю текучості матеріал провідника зазнає значно більшої механічної деформації під час опресування, ніж мідна втулка. Об'ємний потік, спричинений цією деформацією, переміщується в осьовому напрямку в обох напрямках уздовж і вгору, до гострих хребтів мікро-зазубрин.

Оскільки мідний та алюмінієвий сплави добре поєднуються, конструкція обтискного ствола та його ступінь стиснення були оптимізовані таким чином, щоб між матеріалами відбувалося холодне зварювання. Електричні та механічні властивості холодного шва залишаються стабільними протягом усього життєвого циклу виробу.

Коли обтискний інструмент повністю закритий, частково холоднозварені ділянки утворюються між втулкою і провідником за рахунок видовження провідника в поздовжньому напрямку під впливом навантаження. Існує взаємне проникнення матеріалів провідника.

Насправді на холодні шви припадає більше 5 відсотків поверхні з’єднання. В результаті рівень електричного контактного опору приблизно такий самий, як якщо б стик був повністю зварений. Завдяки цьому металургійному з'єднанню електрична довговічність дуже висока.

Механічно кажучи, обтискний зв’язок між алюмінієм та міддю насправді сильніший, ніж між алюмінієм та алюмінієм. З поперечним перерізом дроту 1,5 квадратних міліметра, обтиснуте з'єднання демонструє міцність на витягування 80 ньютонів.

Після обтиску залишковий залишковий поверхневий тиск у з'єднанні становить приблизно 180 ньютонів на квадратний міліметр лише за невеликої кількості точок. Як результат, не існує умов, які могли б спричинити витікання алюмінію назовні із обтискного стовбура. Отже, не ступінь залишкового напруження в обтиску відповідає за створення хорошого електричного контакту, а лише часткове холодне зварювання.

Механічне моделювання між двома перерізами демонструє, що практично немає різниці між алюмінієвими та мідними провідниками після опресування. Щоб створити якомога більшу контактну поверхню з міддю для якомога більшої кількості ниток, обтискний ствол Litealum загорнутий якомога далі. Критерії оцінки мідного обтиску не застосовуються до обтиску алюмінію. Все одно рукав не впирається в підлогу.

Геометрія обтискання Litealum має градієнт на задньому кінці, щоб уникнути будь-якого зазубринного ефекту на алюмінієвому провіднику. Деформація та подовження провідника постійно зменшуються до заднього кінця стовбура, запобігаючи утворенню кромки та заздалегідь заданим точкам розриву.

Для запобігання електрохімічній корозії в процес опресування включається ізоляція на задньому кінці обтискного стовбура. На передньому кінці обтискного ствола захист від корозії досягається шляхом прокатування додаткового матеріалу (ущільнювальних стяжок), а також плямистих відкладень ущільнювача. Готовий обтиск захищений від корозії. Всі необхідні для цього елементи інтегровані в обтискний ствол.

Враховуючи великі вимоги, пов'язані з виробництвом автомобілів, новий термінал призначений для застосування з повністю автоматичним процесом.

Зразкова економія ваги

Оскільки кабельні джгути вже є одними з найскладніших і найважчих компонентів автомобілів, будь-який потенціал для економії ваги є привабливою пропозицією.

Щоб оцінити, скільки ваги можна реально заощадити, ми провели модельний розрахунок для середнього автомобіля середнього розміру з кабельним джгутом вагою трохи менше 30 кілограмів. Для простоти ми розглянули заміну лише найтовстіших проводів (ті, перерізи яких перевищують 0,75 квадратних міліметрів). Ми виключили провідники з дрібним сигналом. Ми замінили мідні провідники на алюмінієві провідники наступного найвищого перерізу. У цьому сценарії ми придумали чисто обчислювальну економію ваги близько 7 кілограмів.

(Однак слід зазначити, що принаймні в Німеччині багато компонентів автомобільної проводки, таких як клеми акумуляторних батарей, вже виготовлені з алюмінію. Як результат, більш реалістичний потенціал економії ваги складе 2 - 3 кілограми)

Про розмірність провідника

Оскільки алюміній має лише близько 65 відсотків провідності міді, алюмінієві дроти, як правило, повинні бути товщі, ніж їхні мідні аналоги. При обміні міді на алюміній корисним правилом є прийняття наступної проміжної ширини провідника.

Однак, коли розмірюють кабелі для використання в транспортних засобах сьогодні, інженери, як правило, застосовують широкі допуски щодо безпеки, тому залишається невикористаним потенціал економії ваги та витрат. При проектуванні кабелів та з'єднань інженерам може бути краще послужити з урахуванням реальних ситуацій навантаження, замість того, щоб розглядати виключно найгірші сценарії. Таким чином, вони можуть уникнути надмірно товстих кабелів.

Резюме

Новий обтиск Litealum для повністю автоматичного закінчення багатожильних провідників з алюмінію готовий до використання. Насправді один виробник вже використовує цю технологію. Постійно хороший електричний зв’язок всередині обтиску обумовлений високим ступенем стиску в процесі обтиску та частковим холодним зварюванням деталей. Крім того, залишкове напруження, що залишилося всередині обтиску, допомагає запобігти повзучості провідника.

Ефективний антикорозійний захист вбудований в обтискну бочку, завдяки чому з'єднання підходить також для негерметичних з'єднувачів всередині салону автомобіля. Алюмінієві обтискні з'єднання виявилися стабільними після випробувань на температурний удар при 500 циклах (-40 C до 130 C) у вологих умовах.

Впровадження терміналів Litealum не вимагатиме кардинальних змін для виробників джгутів, хоча їм потрібні будуть нові аплікатори і їм доведеться визначити нові критерії оцінки.

Я хочу почути вас. Скажи мені, як ми можемо покращитися.