1 Difficultés techniques dans la connexion des terminaux de cuivre et des fils d’aluminium
1.1 Il y a un film d’oxyde à la surface du conducteur en aluminium
Il y a une forte affinité entre le conducteur d’aluminium et l’oxygène. Même à température ambiante, de l’oxyde d’aluminium dense (Al2O3) se formera à la surface au moment du contact avec l’air. Ce film d’oxyde n’a que 2nm d’épaisseur, mais il est étroitement combiné avec la surface du substrat en aluminium. Comparé aux conducteurs de cuivre, bien que le film d’oxyde sur le conducteur en aluminium empêche l’oxygène de se diffuser dedans, il joue également un bon rôle dans la protection contre la corrosion dans l’atmosphère. Mais son bon effet isolant empêche les électrons de passer d’un conducteur de substrat en aluminium à un autre conducteur de substrat en aluminium, c’est-à-dire que les électrons ne peuvent se déplacer que dans le substrat d’aluminium.
En raison de cette caractéristique, après avoir enlevé la gaine isolante à l’extrémité du fil d’aluminium, un film d’oxyde est formé à la surface du conducteur d’aluminium en contact avec l’air. Comme le montre la figure 1, les électrons du conducteur d’aluminium ne peuvent se déplacer que dans un seul fil d’aluminium, mais ne peuvent pas se déplacer entre le fil d’aluminium et le fil d’aluminium. S’il y a un phénomène partiel de fil cassé dans un tas de fils de noyau en aluminium, alors le mouvement électronique dans ces fils cassés sera bloqué. Par rapport au fil d’aluminium avant les fils cassés, la valeur de résistance augmentera et la conductivité diminuera.
En revanche, la surface du conducteur de substrat de cuivre ne forme pas rapidement un film d’oxyde dense dans l’air, donc même si le fil est cassé, les électrons dans le fil cassé peuvent encore avancer à travers d’autres fils de cuivre. Par conséquent, d’un point de vue qualitatif, lorsqu’un certain pourcentage de fils cassés se produit dans le fil de cuivre, bien que la conductivité soit réduite, il peut toujours répondre aux exigences d’utilisation.
1.2 La corrosion électrochimique existe dans les parties de contact des conducteurs de cuivre et d’aluminium
La figure 2 montre la séquence potentielle électrochimique de différents matériaux métalliques dans l’eau de mer. On peut voir qu’il y a une différence potentielle chimique entre le métal de cuivre et le métal d’aluminium dans l’eau de mer. Lorsque ces deux métaux existent dans un électrolyte en même temps, une cellule galvanique se forme, et une réaction électrochimique se produit. Les atomes d’aluminium dans le matériau en aluminium à faible potentiel quitteront le treillis de cristal et perdront des électrons, formant des ions hydratés. Les conducteurs d’aluminium qui sont dans cet environnement depuis longtemps seront progressivement rongés. Ce phénomène est appelé corrosion électrochimique.
Lorsque l’humidité dans l’air est élevée ou contient des impuretés salées, un environnement d’électrolyte idéal sera formé. La partie où le terminal de cuivre et le fil d’aluminium sont en contact direct formera une batterie primaire avec de l’aluminium comme électrode négative et le cuivre comme électrode positive. Comme le montre la figure 3, si la pièce de raccordement n’est pas manipulée correctement, une corrosion électrochimique grave se produira et les propriétés électriques et mécaniques de la connexion cuivre-aluminium seront perdues.
1.3 Les propriétés électriques et la résistance mécanique des fils d’aluminium sont plus faibles que les fils de cuivre
Dans l’état du même diamètre de fil, la conductivité des fils d’aluminium est plus faible que celle des fils de cuivre. Par conséquent, les fils d’aluminium d’un diamètre plus grand que les fils de cuivre doivent être utilisés pour réduire sa résistance afin d’obtenir la performance électrique équivalente des fils de cuivre.
En outre, la résistance, la dureté et d’autres propriétés mécaniques des conducteurs d’aluminium sont plus faibles que les conducteurs de cuivre, de sorte qu’ils ne sont pas adaptés pour le traitement dans les terminaux en aluminium pour se connecter avec d’autres pièces sur la voiture. Les terminaux en cuivre ne peuvent être considérés que pour la connexion avec des fils d’aluminium, mais les pièces de raccordement sont faciles Dommages mécaniques ou des dommages de fatigue se produit, de sorte que les mesures de protection correspondantes doivent être prises pendant l’application.
2 Base de jugement pour le soudage du fil d’aluminium et du terminal de cuivre
2. 1 Assurer une bonne performance électrique de la partie de soudage
2.1.1 Assurez-vous que la taille du fil d’aluminium sélectionnée est équivalente à celle du fil de cuivre
À l’heure actuelle, la norme de fil de cuivre couramment utilisée dans l’industrie est ISO6722-1 [1], et la norme de fil d’aluminium est ISO 6722-2 [2]. Le remplacement équivalent des fils d’aluminium doit tenir compte des caractéristiques d’une conductivité similaire, d’une capacité de transport du courant, d’une courbe de dentation et d’autres caractéristiques des fils de cuivre remplacés, afin de remplacer le matériau conducteur et de maintenir la stratégie originale de protection du circuit.
Le tableau 1 énumère le tableau de comparaison des spécifications de fil d’aluminium et de fil de cuivre qui peuvent être considérées pour un remplacement équivalent. Ce tableau peut servir de référence pour le remplacement équivalent des fils cuivre-aluminium, et d’autres vérifications et confirmations sont nécessaires dans des applications spécifiques.
2.1.2 La libre circulation des électrons entre les fils d’aluminium est réalisée par soudure ultrasonique
Le soudage ultrasonique utilise des ondes vibratoires à haute fréquence pour être transmises aux surfaces de deux objets à souder. Sous pression, les surfaces des deux objets sont frottées l’une contre l’autre pour former une fusion entre les couches moléculaires (voir la figure 4).
Grâce à cette méthode, le film d’oxyde à la surface du fil d’aluminium peut être efficacement détruit, et la libre circulation des électrons entre les différents conducteurs de fil d’aluminium peut être réalisée (voir la figure 5).
Grâce à la même méthode, il est également possible d’atteindre la fusion au niveau moléculaire entre le substrat de cuivre du terminal et le substrat en aluminium du fil, afin d’obtenir de bonnes performances électriques. L’évaluation des performances de soudage ultrasonique dans le domaine du harnais de câblage automobile utilise généralement la norme USCar38-2016 [3]. Dans cette édition de la norme, les critères d’évaluation pour le soudage des terminaux de cuivre et des fils d’aluminium ont été donnés. Les méthodes d’évaluation et les critères de conductivité électrique sont les mêmes que ceux des terminaux de cuivre et des fils de cuivre.
2.2 Assurer de bonnes propriétés mécaniques de la partie de soudage
L’assemblage du câble sera exposé au risque d’être tiré par des forces externes pendant l’utilisation, en particulier pour les câbles de batterie avec de grandes sections transversales. Les forces extérieures agissent souvent directement sur un seul câble. Pour les circuits électriques utilisant des fils d’aluminium, la résistance mécanique relativement faible se trouve près de la zone de raccordement de soudage. Par exemple, dans le processus d’assemblage du fil de batterie, lorsque l’installation est gênante, l’opérateur tire le fil pour générer une traction droite le long de la direction du fil, ou applique une force de déchirure perpendiculaire à la surface de soudure sur le fil. Par conséquent, lors de la conception de la structure terminale, il est nécessaire d’envisager des mesures de protection suffisantes pour résister à la force de traction droite et à la force de déchirure.
La norme USCar38 [3] a stipulé la limite inférieure de la tire-corde qui doit être atteinte lorsque différentes spécifications de fils d’aluminium sont reliées à des terminaux de cuivre. Pour les fils d’aluminium avec de grands diamètres de fil (≥10 mm 2), la norme USCar38 [3] ne précise pas clairement la limite inférieure de la résistance de la peau, et l’ingénieur du fabricant donne habituellement la limite inférieure recommandée.
2. 3 Assurer une bonne résistance à la corrosion électrochimique des pièces soudées
Pour éviter la corrosion électrochimique de la partie de soudage du terminal de cuivre et du fil d’aluminium, la clé est d’isoler la partie de connexion de l’environnement humide ou salé. Il existe deux méthodes couramment utilisées d’étanchéité par soudage ultrasonique : l’étanchéité à tubes rétractables à double paroi (figure 6) et l’étanchéité à l’adhésif à fusion chaude (figure 7). Ces deux méthodes peuvent répondre aux exigences de la spécification dans le test final de vérification environnementale, mais compte tenu des exigences de fluidité de la colle dans la cavité d’injection pendant le processus adhésif de fonte chaude, l’épaisseur de la paroi de l’adhésif de fonte chaude doit être maintenue au moins 2,5 ~ 3mm. Par conséquent, le volume de la partie terminale de raccordement après le traitement d’étanchéité est relativement important, et il ne peut pas être utilisé dans l’espace étroit de l’environnement de chargement. L’épaisseur du mur du tube rétractable à double paroi après le traitement de rétrécissement de la chaleur est de 1 ~ 1,5 mm, de sorte que l’étanchéité du tube à double paroi rétractable par la chaleur a un plus large éventail d’applications.
Le tube rétractable à double paroi thermique est communément connu sous le nom de tube rétractable à chaleur collée. Il est chauffé à haute température et le mur extérieur se rétrécit, et la colle solide sur le mur intérieur se fond dans de la colle liquide.
Le tube rétractable à double paroi thermique est communément connu sous le nom de tube rétractable à chaleur collée. Il est chauffé à haute température et le mur extérieur se rétrécit, et la colle solide sur le mur intérieur se fond dans de la colle liquide. Après le plein débit, il couvre la partie de connexion terminale et la surface de la peau isolante de fil, et il est scellé après effet de refroidissement et de séchage. L’effet d’étanchéité de la partie de connexion peut être évalué par le test de pulvérisation de sel. Les critères d’évaluation peuvent se référer à GMW3191 [4].
2. 4 Assurer une bonne manufacturabilité des pièces soudées
Le soudage ultrasonique est le mouvement relatif réciproque à grande vitesse de deux surfaces matérielles à une certaine pression et fréquence. Le mouvement de frottement fait fondre les deux surfaces à haute température et forme une fusion de couche moléculaire. Habituellement, le terminal est fixé sur l’équipement de soudage, et le fil effectue un mouvement de réciprocité à haute fréquence par rapport au terminal fixe. Par conséquent, le terminal doit avoir une structure fiable pour la fixation. La qualité de l’effet de soudure peut également être testée et jugée par les exigences de force de traction droite spécifiées par la norme USCar38 [1] et les exigences de force de déchirure recommandées par les clients.
