1 銅端子とアルミ線の接続に関する技術的な問題
1.1 アルミニウム導体の表面に酸化膜がある
アルミニウム導体と酸素との間には強い親和性がある。室温でも、空気と接触する瞬間に表面に密な酸化アルミニウム(Al2O3)が形成されます。この酸化膜は厚さわずか2nmですが、アルミニウム基板の表面と密に組み合わされています。銅導体と比べると、アルミニウム導体の酸化膜は酸素が拡散するのを防ぎますが、大気中の防食にも良い役割を果たします。しかし、その良好な絶縁効果は、電子が1つのアルミニウム基板導体から別のアルミニウム基板導体に移動するのを防ぎ、すなわち、電子はアルミニウム基板本体内でのみ移動することができる。
この特徴のため、アルミニウム線の端部で絶縁性鞘を除去した後、空気と接触するアルミニウム導体の表面に酸化膜が形成される。図 1 に示すように、アルミニウム導体の電子は 1 本のアルミニウム線内でのみ移動できますが、アルミニウム線とアルミニウム線の間では移動できません。アルミニウムコアワイヤーの束に部分的に壊れたワイヤー現象がある場合、これらの壊れたワイヤーの電子的な動きはブロックされます。破線前のアルミ線と比べて、抵抗値が大きくなり、導電率が低下します。
これに対し、銅基板導体の表面は空気中に密な酸化膜を形成しないため、ワイヤーが壊れていても、壊れたワイヤの電子は他の銅線を通って前進することができます。従って、定性の観点から、銅線に一定の割合の破線が発生した場合、導電率は低下するが、依然として使用の要件を満たすことができる。
1.2 銅とアルミニウムの導体の接触部に電気化学的腐食が存在する
図2は、海水中の異なる金属材料の電気化学的電位配列を示す。海水中の銅金属とアルミニウム金属の間には化学的な潜在的な違いがあることが分かる。これら2つの金属が電解質中に同時に存在すると、ガルバニックセルが形成され、電気化学反応が起こります。低電位のアルミニウム材料中のアルミニウム原子は、結晶格子を残し、電子を失い、水和イオンを形成します。この環境に長い間あるアルミニウム導体は、徐々に食い尽くされます。この現象は電気化学的腐食と呼ばれます。
空気中の湿度が高い場合や塩漬け不純物が含まれている場合は、理想的な電解質環境が形成されます。銅端子とアルミ線が直接接触している部分は、負極としてアルミニウム、正極として銅を持つ一次電池を形成します。図3に示すように、接続部が適切に取り扱われないと、電気化学的腐食が深刻に発生し、銅-アルミニウム接続の電気的・機械的特性が失われます。
1.3 アルミニウム線の電気的特性と機械的強度は銅線より弱い
同じ線径の条件下では、アルミニウム線の導電率は銅線の場合よりも弱くなっています。したがって、銅線よりも大きな直径を持つアルミニウム線は、銅線の同等の電気性能を達成するために、その抵抗を減らすために使用されなければなりません。
また、アルミニウム導体の引張強度、硬度、その他の機械的特性は銅導体に比べて弱いため、車内の他の部品と接続するアルミニウム端子への加工には適していません。銅線はアルミ線との接続のみ検討可能ですが、接続部品は機械的損傷や疲労損傷が発生しやすいため、適用中に対応する保護対策を講じる必要があります。
2 アルミニウム線と銅端子の溶接基準
2. 1 溶接部の良好な電気性能を確保
2.1.1 選択したアルミニウム線のサイズが銅線と同じであることを確認する
現在、業界で一般的に使用されている銅線規格はISO6722-1[1]であり、アルミニウム線規格はISO 6722-2[2]です。アルミニウム線の同等の交換は、導体材料を交換し、元の回路保護戦略を維持するために、同様の導電性、電流運送能力、デレーティング曲線および交換された銅線の他の特性の特性を考慮する必要があります。
表 1 は、同等の交換を考慮できるアルミニウム線と銅線仕様の比較表を示しています。このテーブルは銅アルミニウムワイヤーの同等の交換のための参照として使用することができ、そして、特定の適用で更なる検証そして確認が要求される。
2.1.2 超音波溶接により、アルミニウム線間の電子の自由な移動が実現
超音波溶接は、溶接される2つのオブジェクトの表面に送信される高周波振動波を使用しています。圧力の下では、2つの物体の表面が互いにこすり合って分子層間の融合を形成する(図4参照)。
この方法により、アルミニウム線の表面上の酸化膜を効果的に破壊することができ、異なるアルミニウム線導体間の電子の自由な移動を実現することができる(図5参照)。
同じ方法を通して、端子の銅基板とワイヤのアルミニウム基板との間の分子レベルの融合を図り、良好な電気的性能を達成するようにすることもできる。自動車用ワイヤーハーネス分野における超音波溶接性能の評価は、一般的にUSCar38-2016規格[3]を使用しています。この規格では、銅線とアルミニウム線の溶接評価基準が与えられています。電気伝導率の評価方法と基準は、銅端子や銅線の評価方法と同じです。
2.2 溶接部の良好な機械的特性を確保
ケーブルアセンブリは、特に大きな断面を持つバッテリケーブルの場合、使用中に外部の力によって引っ張られる危険性にさらされます。外部力は、多くの場合、単一のケーブル上で直接作用します。アルミ線を使用した電気回路の場合、比較的弱い機械的強度は溶接接続領域の近くにあります。例えば、バッテリワイヤアセンブリのプロセスでは、取り付けが不便な場合、オペレータはワイヤの方向に沿ってまっすぐ引っ張るか、またはワイヤに溶接面に垂直な引き裂き力を適用するために、ワイヤを引っ張ります。そのため、端末構造を設計する際には、ストレート引力や引裂力に抵抗するための十分な防御策を検討する必要がある。
USCar38規格[3]は、アルミニウム線の異なる仕様が銅線端子に接続されている場合に到達しなければならないプル強度の下限を規定しています。大きなワイヤ径(≥10 mm 2)のアルミニウム線の場合、USCar38規格[3]は剥離強度の下限を明確に指定しておらず、メーカーのエンジニアは通常推奨される下限を与えます。
2. 3 溶接部品の優れた電気化学的耐食性を確保
銅線とアルミニウム線の溶接部の電気化学的腐食を防ぐために、キーは、湿気または塩分の環境から接続部を分離することです。一般的に使用される超音波溶接シーリング方法は、二重壁熱収縮チューブシーリング(図6)とホットメルト接着剤シール(図7)の2つがあります。これらの2つの方法は、最終環境検証試験での仕様の要件を満たすことができますが、ホットメルト接着プロセス中の注入空洞内の接着剤の流動性要件を考慮すると、ホットメルト接着剤の壁厚は少なくとも2.5〜3mm維持されなければなりません。その結果、密閉処理後の端子接続部の容積が比較的大きく、ローディング環境の狭い空間では使用できない。熱収縮処理後の複層熱収縮チューブの壁厚は1~1.5mmであるため、複層熱収縮チューブの密封用途は広く行われます。
二重壁の熱収縮性の管は一般に接着熱収縮性の管として知られている。高温で加熱し、外壁が縮み、内壁の固体接着剤が液体接着剤に溶け込む。
二重壁の熱収縮性の管は一般に接着熱収縮性の管として知られている。高温で加熱し、外壁が縮み、内壁の固体接着剤が液体接着剤に溶け込む。フルフロー後、端子接続部とワイヤー絶縁肌の表面を覆い、冷却・硬化効果の後に密閉します。接続部のシール効果は、塩水噴霧試験により評価することができる。評価基準はGMW3191[4]を参照することができます。
2. 4 溶接部品の製造性を確保
超音波溶接は、一定の圧力と周波数で2つの材料表面の高速往復相対移動です。摩擦運動により、2つの表面が高温で溶融し、分子層融合を形成します。通常、端子は溶接装置に固定され、ワイヤは固定端子に対して高周波往復運動を行います。したがって、端子は固定のための信頼性の高い構造を持っている必要があります。溶接効果の品質は、USCar38標準[1]で指定されたストレートプルフォース要件と、お客様が推奨する引き裂力要件によってもテストおよび判断できます。
