1 Dificuldades técnicas na conexão de terminais de cobre e fios de alumínio
1.1 Há um filme de óxido na superfície do condutor de alumínio
Há uma forte afinidade entre o condutor de alumínio e o oxigênio. Mesmo à temperatura ambiente, o óxido de alumínio denso (Al2O3) será formado na superfície no momento do contato com o ar. Este filme de óxido tem apenas 2nm de espessura, mas é fortemente combinado com a superfície do substrato de alumínio. Comparado com os condutores de cobre, embora a película de óxido no condutor de alumínio impeça a difusão de oxigênio nele, ele também desempenha um bom papel na proteção da corrosão na atmosfera. Mas seu bom efeito de isolamento impede que os elétrons se movam de um condutor de substrato de alumínio para outro condutor de substrato de alumínio, ou seja, os elétrons só podem se mover no corpo do substrato de alumínio.
Por causa dessa característica, depois de remover a baia isolante na extremidade do fio de alumínio, uma película de óxido é formada na superfície do condutor de alumínio em contato com o ar. Como mostrado na Figura 1, os elétrons do condutor de alumínio só podem se mover em um único fio de alumínio, mas não podem se mover entre o fio de alumínio e o fio de alumínio. Se houver um fenômeno parcial de arame quebrado em um monte de fios de núcleo de alumínio, então o movimento eletrônico nesses fios quebrados será bloqueado. Comparado com o fio de alumínio antes dos fios quebrados, o valor de resistência aumentará e a condutividade diminuirá.
Em contraste, a superfície do condutor do substrato de cobre não forma rapidamente uma densa película de óxido no ar, portanto, mesmo que o fio esteja quebrado, os elétrons do fio quebrado ainda podem se mover para a frente através de outros fios de cobre. Portanto, do ponto de vista qualitativo, quando ocorre uma certa porcentagem de fios quebrados no fio de cobre, embora a condutividade seja reduzida, ainda pode atender aos requisitos de uso.
1.2 Existe corrosão eletroquímica nas partes de contato dos condutores de cobre e alumínio
A Figura 2 mostra a sequência potencial eletroquímica de diferentes materiais metálicos na água do mar. Pode-se ver que há uma diferença química potencial entre o metal de cobre e o metal de alumínio na água do mar. Quando esses dois metais existem em um eletrólito ao mesmo tempo, uma célula galvânica é formada, e uma reação eletroquímica ocorre. Os átomos de alumínio no material de alumínio de baixo potencial deixarão a rede cristalina e perderão elétrons, formando íons hidratados. Condutores de alumínio que estão neste ambiente há muito tempo serão gradualmente devorados. Este fenômeno é chamado de corrosão eletroquímica.
Quando a umidade no ar é alta ou contém impurezas salgadas, um ambiente eletrólito ideal será formado. A parte onde o terminal de cobre e o fio de alumínio estão em contato direto formará uma bateria primária com alumínio como o eletrodo negativo e cobre como o eletrodo positivo. Como mostrado na Figura 3, se a parte de conexão não for manuseada adequadamente, ocorrerá corrosão eletroquímica grave, e as propriedades elétricas e mecânicas da conexão cobre-alumínio serão perdidas.
1.3 As propriedades elétricas e a resistência mecânica dos fios de alumínio são mais fracas que os fios de cobre
Sob a condição do mesmo diâmetro do fio, a condutividade dos fios de alumínio é mais fraca que a dos fios de cobre. Portanto, fios de alumínio com diâmetro maior do que fios de cobre devem ser usados para reduzir sua resistência para alcançar o desempenho elétrico equivalente dos fios de cobre.
Além disso, a resistência à tração, dureza e outras propriedades mecânicas dos condutores de alumínio são mais fracas que os condutores de cobre, por isso não são adequados para o processamento em terminais de alumínio para se conectar com outras peças do carro. Terminais de cobre só podem ser considerados para conexão com fios de alumínio, mas as peças de conexão são fáceis danos mecânicos ou danos à fadiga ocorrem, por isso as medidas de proteção correspondentes devem ser tomadas durante a aplicação.
2 Base de julgamento para soldagem de fio de alumínio e terminal de cobre
2. 1 Garanta um bom desempenho elétrico da peça de soldagem
2.1.1 Certifique-se de que o tamanho do fio de alumínio selecionado seja equivalente ao fio de cobre
Atualmente, o padrão de fio de cobre comumente usado na indústria é ISO6722-1 [1], e o padrão do fio de alumínio é ISO 6722-2 [2]. A substituição equivalente dos fios de alumínio deve considerar as características de condutividade semelhante, capacidade de transporte atual, curva de degradação e outras características dos fios de cobre substituídos, de modo a substituir o material condutor e manter a estratégia original de proteção do circuito.
A Tabela 1 lista a tabela de comparação das especificações do fio de alumínio e do fio de cobre que podem ser consideradas para substituição equivalente. Esta tabela pode ser usada como referência para substituição equivalente de fios de cobre-alumínio, e novas verificações e confirmação são necessárias em aplicações específicas.
2.1.2 A livre circulação de elétrons entre fios de alumínio é realizada pela soldagem ultrassônica
A soldagem ultrassônica utiliza ondas de vibração de alta frequência para serem transmitidas às superfícies de dois objetos a serem soldados. Sob pressão, as superfícies dos dois objetos são esfregadas umas contra as outras para formar uma fusão entre camadas moleculares (ver Figura 4).
Através deste método, a película de óxido na superfície do fio de alumínio pode ser efetivamente destruída, e a livre circulação de elétrons entre diferentes condutores de fio de alumínio pode ser realizada (ver Figura 5).
Através do mesmo método, também é possível alcançar a fusão de nível molecular entre o substrato de cobre do terminal e o substrato de alumínio do fio, de modo a alcançar um bom desempenho elétrico. A avaliação do desempenho de soldagem ultrassônica no campo de arreios de fiação automotiva geralmente utiliza o padrão USCar38-2016 [3]. Nesta edição da norma, foram dados os critérios de avaliação para a soldagem de terminais de cobre e fios de alumínio. Os métodos de avaliação e os critérios para a condutividade elétrica são os mesmos dos terminais de cobre e fios de cobre.
2.2 Garanta boas propriedades mecânicas da peça de soldagem
O conjunto do cabo será exposto ao risco de ser puxado por forças externas durante o uso, especialmente para cabos de bateria com grandes seções transversais. Forças externas geralmente agem diretamente em um único cabo. Para circuitos elétricos que utilizam fios de alumínio, a resistência mecânica relativamente fraca está perto da área de conexão de soldagem. Por exemplo, no processo de montagem do fio da bateria, quando a instalação é inconveniente, o operador puxará o fio para gerar um puxão reto ao longo da direção do fio, ou aplicará uma força de ruptura perpendicular à superfície de soldagem ao fio. Portanto, ao projetar a estrutura do terminal, é necessário considerar medidas de proteção suficientes para resistir à força de puxar reta e rasgar força.
A norma USCar38 [3] estipulou o limite inferior da força de tração que deve ser alcançado quando diferentes especificações de fios de alumínio são conectadas a terminais de cobre. Para fios de alumínio com grandes diâmetros de fio (≥10 mm 2), o padrão USCar38 [3] não especifica claramente o limite inferior da resistência da casca, e o engenheiro do fabricante geralmente dá o limite menor recomendado.
2. 3 Garanta uma boa resistência à corrosão eletroquímica das peças soldadas
Para evitar a corrosão eletroquímica da parte de soldagem do terminal de cobre e do fio de alumínio, a chave é isolar a parte de conexão do ambiente úmido ou salgado. Existem dois métodos de vedação de soldagem ultrassônica comumente usados: vedação de tubo de duas paredes (Figura 6) e vedação adesiva de derretimento quente (Figura 7). Estes dois métodos podem atender aos requisitos da especificação no teste final de verificação ambiental, mas considerando os requisitos de fluidez da cola na cavidade de injeção durante o processo de adesivo de derretimento quente, a espessura da parede do adesivo de derretimento quente deve ser mantida pelo menos 2,5 ~ 3mm. Como resultado, o volume da parte de conexão terminal após o tratamento de vedação é relativamente grande, e não pode ser usado no espaço estreito do ambiente de carga. A espessura da parede do tubo de redução de calor de parede dupla após o tratamento de redução de calor é de 1 ~ 1,5 mm, de modo que a vedação do tubo de redução de calor de parede dupla tem uma gama maior de aplicações.
O tubo de encolhimento de calor de parede dupla é comumente conhecido como o tubo de encolhimento do calor colado. É aquecido por alta temperatura e a parede externa encolhe, e a cola sólida na parede interna derrete em cola líquida.
O tubo de encolhimento de calor de parede dupla é comumente conhecido como o tubo de encolhimento do calor colado. É aquecido por alta temperatura e a parede externa encolhe, e a cola sólida na parede interna derrete em cola líquida. Após o fluxo total, cobre a parte de conexão terminal e a superfície da pele de isolamento do fio, e é selada após efeito de resfriamento e cura. O efeito de vedação da parte de conexão pode ser avaliado pelo teste de spray de sal. Os critérios de avaliação podem se referir a GMW3191 [4].
2. 4 Garanta uma boa fabricação de peças soldadas
Soldagem ultrassônica é o movimento relativo recíproco de alta velocidade de duas superfícies materiais a uma certa pressão e frequência. O movimento de atrito faz com que as duas superfícies derretissem a alta temperatura e formem uma fusão de camada molecular. Normalmente, o terminal é fixado no equipamento de soldagem, e o fio faz movimento recíproco de alta frequência em relação ao terminal fixo. Portanto, o terminal precisa ter uma estrutura confiável para fixação. A qualidade do efeito de soldagem também pode ser testada e julgada pelos requisitos de força de tração reta especificados pelo padrão USCar38 [1] e pelos requisitos de força de ruptura recomendados pelos clientes.
