Da Aluminiumleiter in Fahrzeugkabelbäumen zunehmend verwendet werden, analysiert und organisiert dieser Artikel die Verbindungstechnologie von Aluminium-Stromkabelbäumen und analysiert und vergleicht die Leistung verschiedener Verbindungsmethoden, um die spätere Auswahl von Verbindungsmethoden für Aluminium-Stromkabelbäume zu erleichtern.
01 Übersicht
Mit der zunehmenden Verwendung von Aluminiumleitern in Fahrzeugkabelbäumen nimmt deren Verwendung anstelle von herkömmlichen Kupferleitern allmählich zu. Bei der Verwendung von Aluminiumdrähten anstelle von Kupferdrähten sind jedoch elektrochemische Korrosion, Kriechen bei hohen Temperaturen und Oxidation der Leiter Probleme, die während des Anwendungsprozesses auftreten und gelöst werden müssen. Gleichzeitig muss die Verwendung von Aluminiumdrähten anstelle von Kupferdrähten die Anforderungen an die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der ursprünglichen Kupferdrähte erfüllen, um Leistungseinbußen zu vermeiden.
Um Probleme wie elektrochemische Korrosion, Kriechen bei hohen Temperaturen und Oxidation der Leiter bei der Anwendung von Aluminiumdrähten zu lösen, gibt es in der Branche derzeit vier gängige Verbindungsmethoden, nämlich Reibschweißen und Druckschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen und Plasmaschweißen.
Es folgt eine Analyse und ein Leistungsvergleich der Verbindungsprinzipien und -strukturen dieser vier Verbindungsarten.
02 Reibschweißen und Pressschweißen
Beim Reibschweißen und Druckfügen werden zunächst Kupfer- und Aluminiumstäbe zum Reibschweißen verwendet und anschließend gestanzt, um elektrische Verbindungen herzustellen. Die Aluminiumstäbe werden bearbeitet und zu Aluminium-Crimpenden geformt, wodurch Kupfer- und Aluminiumklemmen hergestellt werden. Anschließend wird der Aluminiumdraht in das Aluminium-Crimpende der Kupfer-Aluminium-Klemme eingeführt und mit herkömmlichen Kabelbaum-Crimpgeräten hydraulisch gecrimpt, um die Verbindung zwischen Aluminiumleiter und Kupfer-Aluminium-Klemme herzustellen (siehe Abbildung 1).
Im Vergleich zu anderen Verbindungsarten bilden Reibschweißen und Pressschweißen durch Reibschweißen von Kupfer- und Aluminiumstäben eine Kupfer-Aluminium-Legierungsübergangszone. Die Schweißoberfläche ist gleichmäßiger und dichter, wodurch das durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Aluminium verursachte thermische Kriechproblem effektiv vermieden wird. Darüber hinaus verhindert die Bildung der Legierungsübergangszone wirksam elektrochemische Korrosion, die durch die unterschiedlichen Metallaktivitäten von Kupfer und Aluminium entsteht. Die anschließende Abdichtung mit Schrumpfschläuchen isoliert Salznebel und Wasserdampf und verhindert so ebenfalls effektiv elektrochemische Korrosion. Durch das hydraulische Crimpen des Aluminiumdrahts und des Aluminium-Crimpendes des Kupfer-Aluminium-Anschlusses werden die Monofilamentstruktur des Aluminiumleiters und die Oxidschicht an der Innenwand des Aluminium-Crimpendes zerstört und abgelöst. Anschließend wird die Kälte zwischen den Einzeldrähten sowie zwischen dem Aluminiumleiter und der Innenwand des Crimpendes abgeschlossen. Die Schweißkombination verbessert die elektrische Leistung der Verbindung und bietet höchste mechanische Zuverlässigkeit.
03 Reibschweißen
Beim Reibschweißen wird ein Aluminiumrohr verwendet, um den Aluminiumleiter zu crimpen und zu formen. Nach dem Abschneiden der Stirnfläche wird das Reibschweißen mit dem Kupferanschluss durchgeführt. Die Schweißverbindung zwischen dem Drahtleiter und dem Kupferanschluss wird durch Reibschweißen hergestellt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Durch Reibschweißen werden Aluminiumdrähte verbunden. Zunächst wird das Aluminiumrohr durch Crimpen auf den Leiter des Aluminiumdrahtes aufgesetzt. Die Monofilamentstruktur des Leiters wird durch Crimpen plastifiziert, um einen dichten, kreisförmigen Querschnitt zu bilden. Anschließend wird der Schweißquerschnitt durch Drehen abgeflacht, um den Vorgang abzuschließen. Vorbereitung der Schweißflächen. Ein Ende des Kupferanschlusses dient als elektrische Verbindungsstruktur, das andere Ende als Schweißanschlussfläche des Kupferanschlusses. Die Schweißanschlussfläche des Kupferanschlusses und die Schweißfläche des Aluminiumdrahtes werden durch Reibschweißen verschweißt und verbunden. Anschließend wird der Schweißgrat geschnitten und geformt, um den Verbindungsvorgang des Reibschweiß-Aluminiumdrahtes abzuschließen.
Im Vergleich zu anderen Verbindungsarten bildet das Reibschweißen eine Übergangsverbindung zwischen Kupfer und Aluminium durch Reibschweißen zwischen Kupferanschlüssen und Aluminiumdrähten. Dadurch wird die elektrochemische Korrosion von Kupfer und Aluminium effektiv reduziert. Der Übergangsbereich des Kupfer-Aluminium-Reibschweißens wird anschließend mit einem selbstklebenden Schrumpfschlauch abgedichtet. Der Schweißbereich ist weder Luft noch Feuchtigkeit ausgesetzt, was die Korrosion weiter reduziert. Darüber hinaus wird im Schweißbereich der Aluminiumdrahtleiter direkt mit dem Kupferanschluss verschweißt. Dies erhöht die Auszugskraft der Verbindung und vereinfacht den Verarbeitungsprozess.
Die Verbindung zwischen Aluminiumdrähten und Kupfer-Aluminium-Anschlüssen in Abbildung 1 weist jedoch auch Nachteile auf. Die Anwendung des Reibschweißens bei Kabelbaumherstellern erfordert separate, spezielle Reibschweißgeräte, die wenig vielseitig sind und die Investitionen in das Anlagevermögen der Kabelbaumhersteller erhöhen. Zweitens wird beim Reibschweißen die Monofilamentstruktur des Drahtes direkt mit dem Kupferanschluss reibgeschweißt, wodurch Hohlräume im Bereich der Reibschweißverbindung entstehen. Staub und andere Verunreinigungen beeinträchtigen die endgültige Schweißqualität und führen zu Instabilitäten der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Schweißverbindung.
04 Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen von Aluminiumdrähten werden Ultraschallschweißgeräte verwendet, um Aluminiumdrähte und Kupferanschlüsse zu verbinden. Durch die Hochfrequenzschwingung des Schweißkopfes des Ultraschallschweißgeräts werden die Aluminiumdrahtmonofilamente, die Aluminiumdrähte und die Kupferanschlüsse miteinander verbunden, um den Aluminiumdraht zu vervollständigen. Die Verbindung der Kupferanschlüsse ist in Abbildung 3 dargestellt.
Ultraschallschweißverbindungen entstehen, wenn Aluminiumdrähte und Kupferanschlüsse durch hochfrequente Ultraschallwellen vibrieren. Vibration und Reibung zwischen Kupfer und Aluminium stellen die Verbindung zwischen Kupfer und Aluminium her. Da sowohl Kupfer als auch Aluminium eine kubisch-flächenzentrierte Metallkristallstruktur aufweisen, wird in einer hochfrequenten Schwingungsumgebung der atomare Austausch in der Metallkristallstruktur abgeschlossen und eine Legierungsübergangsschicht gebildet, wodurch elektrochemische Korrosion wirksam vermieden wird. Gleichzeitig wird beim Ultraschallschweißen die Oxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiumleiter-Monofilaments abgelöst und die Schweißverbindung zwischen den Monofilamenten hergestellt, wodurch die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Verbindung verbessert werden.
Im Vergleich zu anderen Verbindungsformen ist Ultraschallschweißen ein häufig verwendetes Verarbeitungsgerät für Kabelbaumhersteller. Es erfordert keine Neuinvestition in Sachanlagen. Gleichzeitig werden gestanzte Kupferanschlüsse verwendet, und die Kosten sind niedriger, sodass der Kostenvorteil deutlich geringer ist. Es gibt jedoch auch Nachteile. Im Vergleich zu anderen Verbindungsformen weist Ultraschallschweißen schwächere mechanische Eigenschaften und eine geringe Vibrationsbeständigkeit auf. Daher wird der Einsatz von Ultraschallschweißverbindungen in Bereichen mit hochfrequenten Vibrationen nicht empfohlen.
05 Plasmaschweißen
Beim Plasmaschweißen werden Kupferklemmen und Aluminiumdrähte für die Crimpverbindung verwendet. Anschließend wird durch Zugabe von Lötzinn der Plasmalichtbogen verwendet, um den zu schweißenden Bereich zu bestrahlen und zu erhitzen, das Lötzinn zu schmelzen, den Schweißbereich zu füllen und die Aluminiumdrahtverbindung fertigzustellen, wie in Abbildung 4 gezeigt.
Beim Plasmaschweißen von Aluminiumleitern werden zunächst Kupferanschlüsse plasmageschweißt. Das Crimpen und Befestigen der Aluminiumleiter erfolgt durch Crimpen. Die Plasmaschweißanschlüsse bilden nach dem Crimpen eine tonnenförmige Struktur. Anschließend wird der Schweißbereich mit zinkhaltigem Lot gefüllt und das gecrimpte Ende mit zinkhaltigem Lot befüllt. Unter Bestrahlung mit einem Plasmalichtbogen wird das zinkhaltige Lot erhitzt und geschmolzen. Durch Kapillarwirkung gelangt es in den Drahtspalt im Crimpbereich und schließt so den Verbindungsprozess von Kupferanschlüssen und Aluminiumdrähten ab.
Plasmageschweißte Aluminiumdrähte stellen durch Crimpen eine schnelle Verbindung zwischen den Aluminiumdrähten und den Kupferanschlüssen her und sorgen so für zuverlässige mechanische Eigenschaften. Gleichzeitig wird während des Crimpvorgangs durch ein Kompressionsverhältnis von 70 % bis 80 % die Zerstörung und Ablösung der Oxidschicht des Leiters abgeschlossen, wodurch die elektrische Leistung effektiv verbessert, der Kontaktwiderstand der Verbindungspunkte reduziert und eine Erwärmung der Verbindungspunkte verhindert wird. Anschließend wird zinkhaltiges Lot am Ende des Crimpbereichs hinzugefügt und der Schweißbereich mit einem Plasmastrahl bestrahlt und erhitzt. Das zinkhaltige Lot wird erhitzt und schmilzt und füllt durch Kapillarwirkung den Spalt im Crimpbereich, wodurch Salzsprühwasser im Crimpbereich entsteht. Die Dampfisolation verhindert elektrochemische Korrosion. Gleichzeitig bildet sich durch die Isolierung und Pufferung des Lots eine Übergangszone, die thermisches Kriechen effektiv verhindert und das Risiko eines erhöhten Verbindungswiderstands bei Hitze- und Kälteschocks reduziert. Durch das Plasmaschweißen des Verbindungsbereichs wird die elektrische Leistung des Verbindungsbereichs effektiv verbessert und auch die mechanischen Eigenschaften des Verbindungsbereichs werden weiter verbessert.
Im Vergleich zu anderen Verbindungsarten isoliert das Plasmaschweißen Kupferanschlüsse und Aluminiumleiter durch die Übergangsschweißschicht und die verstärkte Schweißschicht. Dies reduziert effektiv die elektrochemische Korrosion von Kupfer und Aluminium. Die verstärkte Schweißschicht umhüllt die Stirnfläche des Aluminiumleiters, sodass die Kupferanschlüsse und der Leiterkern nicht mit Luft und Feuchtigkeit in Berührung kommen, was die Korrosion weiter reduziert. Darüber hinaus fixieren die Übergangsschweißschicht und die verstärkte Schweißschicht die Kupferanschlüsse und die Aluminiumdrahtverbindungen fest, was die Auszugskraft der Verbindungen erhöht und den Verarbeitungsprozess vereinfacht. Es gibt jedoch auch Nachteile. Die Anwendung des Plasmaschweißens bei Kabelbaumherstellern erfordert separate, dedizierte Plasmaschweißgeräte, die wenig vielseitig sind und die Investitionen in das Anlagevermögen der Kabelbaumhersteller erhöhen. Zweitens wird beim Plasmaschweißen das Lot durch Kapillarwirkung vervollständigt. Der Spaltfüllprozess im Crimpbereich ist unkontrollierbar, was zu einer instabilen Schweißqualität im Bereich der Plasmaschweißverbindung und damit zu erheblichen Abweichungen in den elektrischen und mechanischen Eigenschaften führt.
Veröffentlichungszeit: 19. Februar 2024