低电压汽车发动机线束的高强度铝线

2020年10月21日 评论 228 3948字

近年来,随着车辆使用的系统数量的增加,线束的重量一直在增加。为了减轻它们的重量,铝代替传统的铜已经成为一种电线导体。然而,传统的铝合金不能用于小规格线 (0.35mm2 和0.5mm2)或在发动机舱内,因为它们的导体强度不足。为此,我们开发了一种更强的铝合金,其导体强度相当于或强于铜,并首次在工厂成功地制造了一种高强度的铝合金线材。将这0.35 mm2  电线用于发动机舱室,我们于2015年4月开始批量生产。该合金的目标性能为抗拉强度为220MPa,电导率为50%IACS。以6000系列铝合金为原料,对添加剂元素及其含量进行了规定。通过考察Mg2Si金属间化合物的沉淀状态,确定了时效条件。通过这种方法, 我们获得了250MPa的抗拉强度和52%IACS的电导率,两者都超过了目标。

关键词:铝电线,发动机线束,高强度铝合金

一、导言

汽车安全性与舒适性的提高意味着汽车使用的系统电路数量增加,从而增加电线的数量。因此,人们对线束重量的增加感到关切。为了减轻线束的重量, 铝线,使用铝作为导体而代替铜,越来越多地用于其低比重项目。铝线的使用对于降低成本也是有效的,因为铜线的价格随着最近原材料价格的上涨而上涨。

由于这些优点,铝线的使用预计将增加更多。然而,由于传统铝线的导体强度不足,不可能在0.35mm2或0.5mm2或等小尺寸电线上,而这是传统铜线的尺寸,也不能用于受到强烈振动的发动机舱室。因此,线束的重量在多大程度上可以减少是有限制的。

为此,我们开发了一种强度相当于或大于铜的高强度铝合金,也可用于发动机舱室。用这种合金,我们制造了一种小尺寸0.35mm2的高强度线材。我们是业内第一家成功将铝线应用于发动机线束的公司。从0.35mm2电线开始,我们于2015年4月开始生产这种线束。

本文主要报道了一种高强度铝合金的开发,该合金可用于小型电线和发动机舱室。

二、高强度铝合金的发展

1发展目标

这种合金的发展目标是实现最小尺寸为0.35mm2的铝线,0.35mm2是传统铜线的尺寸。对于汽车的应用,电线需要同时具有高强度(抗拉强度)和良好的导电性能(导电性*1)。

在开发中,我们的目标是确保与传统铜线等效或大于传统铜线的振动电阻。根据以往关于端子压接强度的数据, 我们设定了220MPa 的目标抗拉强度和50%IACS的电导率,这样即使在常规铜线ISO线上增加一个尺寸,熔断器的匹配也不会改变。此外,对于特定的材料性能,我们的目标是满足ISO等官方标准。

2合金设计

一般工业用途的纯铝材料(1060:纯度99.6%)具有62%IACS的高导电性, 但有70MPa低抗拉强度(1) 。因此有必要提高汽车应用的强度。

加强元件被添加到用于常规电线的铝合金中。然而,这只能将强度提高到120MPa左右,约为常规导线铜强度的一半,并将导线缩小到小于0.75mm2 很难。(2)-(4)

在这种新的合金发展中,我们比较了各种铝合金的性能(图1)并选择了6000系列,因为它的特性最接近目标。因此,我们决定使用镁(Mg)和硅(Si)作为添加到铝中的元素。

为了确定Mg和Si添加剂的用量,我们将合金材料铸造为原型,并从合金强度、导电性和延伸率缩小了范围,这些性能影响线材的拉伸性和易用性。

低电压汽车发动机线束的高强度铝线

图1 各种铝合金的特性

因此,我们缩小了可以满足的目标特性的范围,如图2所示。确定了满足目标抗拉强度220MPa和电导率50%IACS的添加剂量。我们还考虑了精炼方法,如后面所述,并进一步缩小了范围使生产管理变得容易。因此,我们选择了Al-0.6mass%Mg-0.5mass%Si的合金设计值。

通过这种成分,我们获得了抗拉强度为250MPa, 电导率为52%IACS的合金,这些特性超过了目标。

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图2. 考虑Mg和Si添加量的结果

3 精炼方法的建立

该6000系列铝合金是通过在溶液热处理中将Mg和Si添加剂熔化到合金中来增强的材料*2 ,然后是老化热处理*3 来沉淀Mg2Si化合物。在这一发展中,有必要在线材制造过程中进行铝合金溶解和时效热处理。因此,我们选择了图3所示的过程,用于高效线材制造。

在加入添加剂元素的基材浇铸轧制后,在溶液热处理过程中,添加剂元素被溶解到材料中。随着元素的溶解,合金被拉伸,并将添加剂元素作为金属间化合物在时效热处理过程中沉淀,以完成导体的制作。然后在挤压过程中覆盖导体。

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图3. 铝线制造工艺

在这些过程中,Mg和Si的添加剂元素在500°C或更高的温度下通过溶液热处理溶解到铝材料中,如图4所示。然而,问题是,添加剂元素需要保持溶解在材料中,即使在室温下,添加剂元素通常不溶解。

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图4. Al-Mg2Si二进制相图

于冷却, 我们比较了空气冷却, 空气冷却材料很慢,以及冷水冷却,冷水冷却通过将材料浸入水中而迅速冷却。

如表1所示,冷水快速冷却的样品在拉伸过程后保持添加剂元素溶解。

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表1  溶液热处理工艺条件对比

此外,在老化热处理中,通过保持低温低于200°C,Mg2Si金属间化合物被精细沉淀和分散,如照片1所示。

因此,我们成功地创造了一个具有目标性能的高强度铝线

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照片1. 细分散的Mg2Si金属间化合物

4 高强度铝线结构

表2显示了0.35mm2的规格的我们开发的高强度铝线。导体有19条ø0.155mm股丝。它灵活的结构抗发动机振动。这些特点使重量可以减少53%,与传统的同规格铜线相比。
表2 高强度铝线

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5 导线特性的确定

图5显示了高强度铝合金的S-N(应变幅值和循环弯曲次数)曲线。应变幅值是弯曲时表面导体长度变化率的波动。

结果表明,与传统铝合金相比,高强度铝合金在低应变下的寿命有了很大的提高。

它在发动机振动应变方面也优于传统的铜线,这是这一发展的目标。在低应变下,材料越强,其寿命就越长,因此我们可以说,这显示了将强度提高到比铜更高的值的效果。

高强度铝合金在开门和关门的弯曲公差上也超过了铜。这可以描述为弯曲公差和振动公差的最佳导体。

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图5. 各种导体的S-N特性

我们测试了高强度铝线在模拟发动机振动的情况下,电线实际上是用于线束上(照片2)。

在结果中,得到了良好的特性,如图6所示. 与传统的铝线相比,所开发的电线的强度有了很大的提高,并且比传统的铜线承受了更多的循环。

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照片2. 模拟发动机振动的试验情况

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图6. 模拟发动机振动的试验结果

假设发动机舱室的环境,我们研究了在125°C高温下暴露期间和之后的导体强度。结果如图7 和8所示。

所开发的铝合金比传统铝合金强,虽然随着温度的升高, 强度下降, 但不低于铜的强度。即使在125°C时,强度也高于铜。此外,虽然在室温下强度下降,但在125°C下测试的电线保持的强度超过铜。

这样,高强度铝线可以确保至少与传统铜线在发动机舱内的强度水平相同。

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图7. 强度的温度特性

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图8. 经过高温储存后的强度

三 高强度铝线端子的研制

通常用于汽车线束上连接部分的结构如图9所示。用一种叫做压接的方法将端子连接到电线上,然后将端子插入连接器并与连接器配合在一起。(3),(4)

为了扩大这些铝线束的使用,我们使用专门用于传统的铝线的端子,可以通过压接连接,压接在线束制作中很常见。我们开发了将新开发的电线连接到端子的技术。

压接是一种制造方法,将复合电线剥皮,在端子上用U形桶挤压,从而获得接触电阻和保持力。

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图9. 连接器与压接好的电线

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图10 压接的方法

由于铝的表面覆盖着很强的绝缘氧化膜,它需要比铜更强的挤压,以获得稳定的接触电阻。我们从连接性能方面研究了高强度铝线导体的物理性能,并验证了常规铝线的压接方法是否也可用于已开发的导线。结果见表3。

表3. 导线导体的物理性能

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研究发现,所研制的导线上的氧化膜与传统的铝线导体的物理性质相当相似。由于传统的压接方法很可能用于开发的电线,我们评估了压接的特性。如图11所示,得到了满足接触电阻和保持力标准的压接条件。

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图11. 高强度铝线端子的压接特性

四、使用铝线和未来的产品系列的发动机线束

我们从2015年4月开始制造高强度铝线,从0.35mm2 电线开始。我们制造的电线和发动机线束如照片3 和4所示。高强度铝线约占照片4所示线束的20%

表4显示了我们计划从现在开始释放的高强度铝线的系列。除了我们已经大量生产的100°C 耐热级0.35f型柔性绞合导体结构外,我们还在为发动机线束(100°C耐热级)和内部线束(80°C耐热级)准备项目, 就像在铜线系列一样。

低电压汽车发动机线束的高强度铝线

照片3.  0.35mm2高强度铝线,已开始批量生产

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照片4采用高强度铝线的发动机线束

表4. 高强度铝线产品的系列

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五、结论

我们开发了一种用于汽车线束的高强度铝线,目的是减轻其重量和成本。导线采用强度相当于或大于铜的高强度铝合金导体。这些特点使电线适用于发动机舱室,并允许它减少到0.35mm2大小

采用Al-0.6mass%Mg0.5mass%Si的铝合金和有效的精炼处理条件,我们生产的高强度铝线,与相同尺寸的常规铜线相比,具有较高的抗发动机抗振动能力,且重量减少了53 %。我们于2015 年4 月开始生产高强度铝线,从0.35mm2开始。从现在开始,我们将努力扩大铝线的尺寸变化,并找到新的应用,如铝编织和屏蔽线。

六、技术术语

*1导电性:一种物质的导电的能力。它是用退火铜的比率表示,被认为是100。单位为%IACS(国际退火铜标准)。
*2 溶液热处理:一种热处理,材料在较高的温度下加热,然后迅速冷却,使添加剂元素均匀地溶解在整个铝合金中。
*3老化热处理:一种热处理,其中一种材料在相对较低的温度下加热,随着时间的推移,溶解的添加剂元素作为化合物沉淀。
*4压接:一种电气和机械连接的方法,通过挤压端子与电线来完成

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