ปัญหาทางเทคนิคในการเชื่อมต่อขั้วทองแดงและสายอลูมิเนียม

1 ปัญหาทางเทคนิคในการเชื่อมต่อขั้วทองแดงและสายอลูมิเนียม

1.1 มีฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของตัวนำอลูมิเนียม

มีความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างตัวนำอะลูมิเนียมและออกซิเจน แม้ในอุณหภูมิห้องอลูมิเนียมออกไซด์หนาแน่น (Al2O3) จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวเมื่อสัมผัสกับอากาศ ฟิล์มออกไซด์นี้มีความหนาเพียง 2 นาโนเมตร แต่รวมเข้ากับพื้นผิวของวัสดุพิมพ์อะลูมิเนียมอย่างแน่นหนา เมื่อเทียบกับตัวนำทองแดงแม้ว่าฟิล์มออกไซด์บนตัวนำอะลูมิเนียมจะป้องกันไม่ให้ออกซิเจนแพร่กระจายเข้าไป แต่ก็มีบทบาทที่ดีในการป้องกันการกัดกร่อนในบรรยากาศ แต่ผลของฉนวนที่ดีจะป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากตัวนำพื้นผิวอลูมิเนียมหนึ่งไปยังตัวนำพื้นผิวอลูมิเนียมอีกตัวหนึ่งนั่นคืออิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้เฉพาะในเนื้ออลูมิเนียม

เนื่องจากคุณสมบัตินี้หลังจากถอดปลอกฉนวนที่ปลายลวดอลูมิเนียมแล้วฟิล์มออกไซด์จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวนำอะลูมิเนียมที่สัมผัสกับอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 1 อิเล็กตรอนในตัวนำอะลูมิเนียมสามารถเคลื่อนที่ได้ในลวดอลูมิเนียมเส้นเดียวเท่านั้น แต่ไม่สามารถเคลื่อนที่ระหว่างลวดอลูมิเนียมและลวดอลูมิเนียมได้ หากมีปรากฏการณ์ลวดขาดบางส่วนในสายแกนอะลูมิเนียมจำนวนมากการเคลื่อนไหวทางอิเล็กทรอนิกส์ในสายไฟที่ขาดเหล่านี้จะถูกปิดกั้น เมื่อเทียบกับลวดอลูมิเนียมก่อนสายขาดค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นและค่าการนำไฟฟ้าจะลดลง

ในทางตรงกันข้ามพื้นผิวของตัวนำสารตั้งต้นทองแดงจะไม่สร้างฟิล์มออกไซด์หนาแน่นในอากาศอย่างรวดเร็วดังนั้นแม้ว่าเส้นลวดจะขาดอิเล็กตรอนในลวดที่ขาดก็ยังสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าผ่านสายทองแดงอื่น ๆ ได้ ดังนั้นจากมุมมองเชิงคุณภาพเมื่อร้อยละของสายหักเกิดขึ้นในลวดทองแดงแม้ว่าการนำไฟฟ้าจะลดลง แต่ก็ยังสามารถตอบสนองความต้องการในการใช้งานได้

1.2 การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้ามีอยู่ในส่วนสัมผัสของตัวนำทองแดงและอลูมิเนียม

รูปที่ 2 แสดงลำดับศักย์ไฟฟ้าเคมีของวัสดุโลหะที่แตกต่างกันในน้ำทะเล จะเห็นได้ว่ามีความต่างศักย์ทางเคมีระหว่างโลหะทองแดงและโลหะอลูมิเนียมในน้ำทะเล เมื่อโลหะทั้งสองนี้อยู่ในอิเล็กโทรไลต์พร้อมกันเซลล์กัลวานิกจะเกิดขึ้นและเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า อะตอมของอะลูมิเนียมในวัสดุอะลูมิเนียมศักยภาพต่ำจะออกจากโครงตาข่ายคริสตัลและสูญเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนไฮเดรต ตัวนำอลูมิเนียมที่อยู่ในสภาพแวดล้อมนี้มานานจะค่อยๆถูกกินไป ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าเคมี

เมื่อความชื้นในอากาศสูงหรือมีสิ่งเจือปนที่มีความเค็มจะเกิดสภาพแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์ในอุดมคติ ส่วนที่ขั้วทองแดงและลวดอลูมิเนียมสัมผัสกันโดยตรงจะสร้างแบตเตอรี่หลักโดยมีอลูมิเนียมเป็นขั้วลบและทองแดงเป็นขั้วบวก ดังแสดงในรูปที่ 3 หากชิ้นส่วนเชื่อมต่อไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสมจะเกิดการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าอย่างรุนแรงและคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลของการเชื่อมต่อทองแดง - อลูมิเนียมจะสูญเสียไป

1.3 คุณสมบัติทางไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลของสายอลูมิเนียมอ่อนกว่าสายทองแดง

ภายใต้เงื่อนไขของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดเดียวกันการนำไฟฟ้าของสายอลูมิเนียมจะอ่อนกว่าสายทองแดง ดังนั้นจึงต้องใช้สายอลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าสายทองแดงเพื่อลดความต้านทานเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับสายทองแดง

นอกจากนี้ความต้านทานแรงดึงความแข็งและคุณสมบัติเชิงกลอื่น ๆ ของตัวนำอลูมิเนียมยังอ่อนกว่าตัวนำทองแดงดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการแปรรูปเป็นขั้วอลูมิเนียมเพื่อเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนอื่น ๆ บนรถ ขั้วทองแดงสามารถพิจารณาได้สำหรับการเชื่อมต่อกับสายอลูมิเนียมเท่านั้น แต่ชิ้นส่วนเชื่อมต่อนั้นเกิดความเสียหายทางกลได้ง่ายหรือเกิดความเสียหายจากการล้าดังนั้นจึงต้องใช้มาตรการป้องกันที่เกี่ยวข้องระหว่างการใช้

2 เกณฑ์การตัดสินสำหรับการเชื่อมลวดอลูมิเนียมและขั้วทองแดง

2. 1 ตรวจสอบประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีของชิ้นส่วนเชื่อม

2.1.1 ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขนาดลวดอลูมิเนียมที่เลือกนั้นเทียบเท่ากับลวดทองแดง

ปัจจุบันมาตรฐานลวดทองแดงที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมคือ ISO6722-1 [1] และมาตรฐานลวดอลูมิเนียมคือ ISO 6722-2 [2] การเปลี่ยนสายอลูมิเนียมที่เทียบเท่ากันจะต้องพิจารณาถึงลักษณะของการนำไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกันความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าเส้นโค้งการลดขนาดและลักษณะอื่น ๆ ของสายทองแดงที่เปลี่ยนไปเพื่อแทนที่วัสดุตัวนำและคงไว้ซึ่งกลยุทธ์การป้องกันวงจรเดิม

ตารางที่ 1 แสดงตารางเปรียบเทียบข้อมูลจำเพาะของลวดอลูมิเนียมและลวดทองแดงที่สามารถนำมาพิจารณาทดแทนได้ ตารางนี้สามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการเปลี่ยนสายทองแดง - อลูมิเนียมที่เทียบเท่ากันได้และจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและยืนยันเพิ่มเติมในการใช้งานเฉพาะ

2.1.2 การเคลื่อนที่อย่างอิสระของอิเล็กตรอนระหว่างสายอลูมิเนียมเกิดขึ้นได้จากการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิก

การเชื่อมอัลตราโซนิกใช้คลื่นสั่นสะเทือนความถี่สูงเพื่อส่งไปยังพื้นผิวของวัตถุสองชิ้นที่จะเชื่อม ภายใต้ความกดดันพื้นผิวของวัตถุทั้งสองจะถูกถูเข้าด้วยกันเพื่อสร้างการหลอมรวมระหว่างชั้นโมเลกุล (ดูรูปที่ 4)

ด้วยวิธีนี้ฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของลวดอลูมิเนียมสามารถถูกทำลายได้อย่างมีประสิทธิภาพและสามารถรับรู้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนระหว่างตัวนำลวดอลูมิเนียมที่แตกต่างกันได้อย่างอิสระ (ดูรูปที่ 5)

ด้วยวิธีการเดียวกันนี้ยังเป็นไปได้ที่จะเกิดฟิวชั่นระดับโมเลกุลระหว่างพื้นผิวทองแดงของขั้วและพื้นผิวอะลูมิเนียมของสายไฟเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดี การประเมินประสิทธิภาพการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกในสนามชุดสายไฟรถยนต์โดยทั่วไปใช้มาตรฐาน USCar38-2016 [3] ในมาตรฐานฉบับนี้ได้กำหนดเกณฑ์การประเมินสำหรับการเชื่อมขั้วทองแดงและสายอะลูมิเนียม วิธีการประเมินและเกณฑ์การนำไฟฟ้าเหมือนกับขั้วทองแดงและสายทองแดง

2.2 ตรวจสอบคุณสมบัติเชิงกลที่ดีของส่วนเชื่อม

การประกอบสายเคเบิลจะเสี่ยงต่อการถูกดึงโดยแรงภายนอกระหว่างการใช้งานโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสายแบตเตอรี่ที่มีหน้าตัดขนาดใหญ่ กองกำลังภายนอกมักกระทำโดยตรงกับสายเคเบิลเส้นเดียว สำหรับวงจรไฟฟ้าโดยใช้สายอลูมิเนียมความแข็งแรงเชิงกลที่ค่อนข้างอ่อนแอจะอยู่ใกล้กับบริเวณเชื่อม ตัวอย่างเช่นในกระบวนการประกอบสายแบตเตอรี่เมื่อการติดตั้งไม่สะดวกผู้ปฏิบัติงานจะดึงลวดเพื่อให้เกิดแรงดึงตรงตามทิศทางของลวดหรือใช้แรงฉีกขาดในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวเชื่อมกับลวด ดังนั้นเมื่อออกแบบโครงสร้างเทอร์มินัลจึงจำเป็นต้องพิจารณามาตรการป้องกันที่เพียงพอเพื่อต้านทานแรงดึงตรงและแรงฉีกขาด

มาตรฐาน USCar38 [3] ได้กำหนดขีด จำกัด ล่างของความต้านทานแรงดึงที่ต้องถึงเมื่อคุณสมบัติของสายอลูมิเนียมที่แตกต่างกันเชื่อมต่อกับขั้วทองแดง สำหรับสายอลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางลวดขนาดใหญ่ (≥10มม. 2) มาตรฐาน USCar38 [3] ไม่ได้ระบุขีด จำกัด ล่างของความแข็งแรงในการลอกอย่างชัดเจนและวิศวกรของผู้ผลิต&# 39 มักจะให้ขีด จำกัด ล่างที่แนะนำ

2. 3 ตรวจสอบความต้านทานการกัดกร่อนของไฟฟ้าเคมีที่ดีของชิ้นส่วนที่เชื่อม

เพื่อป้องกันการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าของส่วนเชื่อมของขั้วทองแดงและลวดอลูมิเนียมกุญแจสำคัญคือการแยกส่วนเชื่อมต่อออกจากสภาพแวดล้อมที่ชื้นหรือเค็ม วิธีการปิดผนึกด้วยอัลตราโซนิกที่ใช้กันทั่วไปมี 2 วิธี ได้แก่ การปิดผนึกท่อหดความร้อนแบบผนังสองชั้น (รูปที่ 6) และการปิดผนึกด้วยกาวร้อนละลาย (รูปที่ 7) วิธีการทั้งสองนี้สามารถตอบสนองความต้องการของข้อกำหนดในการทดสอบการตรวจสอบสภาพแวดล้อมขั้นสุดท้าย แต่เมื่อพิจารณาถึงความต้องการความลื่นไหลของกาวในช่องฉีดระหว่างกระบวนการกาวร้อนละลายต้องรักษาความหนาของผนังของกาวร้อนละลายอย่างน้อย 2.5 ~ 3 มม. เป็นผลให้ปริมาตรของส่วนเชื่อมต่อเทอร์มินัลหลังการปิดผนึกมีขนาดค่อนข้างใหญ่และไม่สามารถใช้งานได้ในพื้นที่แคบของสภาพแวดล้อมการโหลด ความหนาของผนังของท่อหดความร้อนแบบผนังสองชั้นหลังจากการบำบัดด้วยการหดตัวด้วยความร้อนคือ 1 ~ 1.5 มม.

ท่อหดความร้อนแบบผนังสองชั้นเรียกกันทั่วไปว่าท่อหดความร้อนแบบติดกาว มันถูกทำให้ร้อนด้วยอุณหภูมิสูงและผนังด้านนอกจะหดตัวและกาวแข็งที่ผนังด้านในจะละลายเป็นกาวเหลว

ท่อหดความร้อนแบบผนังสองชั้นเรียกกันทั่วไปว่าท่อหดความร้อนแบบติดกาว มันถูกทำให้ร้อนด้วยอุณหภูมิสูงและผนังด้านนอกจะหดตัวและกาวแข็งที่ผนังด้านในจะละลายเป็นกาวเหลว หลังจากการไหลเต็มรูปแบบจะครอบคลุมส่วนเชื่อมต่อเทอร์มินัลและพื้นผิวของผิวฉนวนลวดและจะปิดผนึกหลังจากผลเย็นและการบ่ม ผลการปิดผนึกของส่วนเชื่อมต่อสามารถประเมินได้โดยการทดสอบการพ่นเกลือ เกณฑ์การประเมินสามารถอ้างถึง GMW3191 [4]

2. 4 ตรวจสอบความสามารถในการผลิตที่ดีของชิ้นส่วนเชื่อม

การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกคือการเคลื่อนที่แบบสัมพันธ์กันด้วยความเร็วสูงของสองพื้นผิววัสดุที่ความดันและความถี่หนึ่ง ๆ การเคลื่อนที่ด้วยแรงเสียดทานทำให้พื้นผิวทั้งสองหลอมละลายที่อุณหภูมิสูงและเกิดการหลอมรวมชั้นโมเลกุล โดยปกติเทอร์มินัลจะยึดกับอุปกรณ์เชื่อมและลวดทำให้การเคลื่อนที่แบบลูกสูบความถี่สูงสัมพันธ์กับเทอร์มินัลคงที่ ดังนั้นเทอร์มินัลจำเป็นต้องมีโครงสร้างที่เชื่อถือได้สำหรับการยึด คุณภาพของเอฟเฟกต์การเชื่อมสามารถทดสอบและตัดสินได้โดยข้อกำหนดแรงดึงตรงที่ระบุโดยมาตรฐาน USCar38 [1] และข้อกำหนดแรงฉีกขาดที่แนะนำโดยลูกค้า