مع تزايد استخدام موصلات الألومنيوم في حزم أسلاك السيارات، تقوم هذه المقالة بتحليل وتنظيم تكنولوجيا توصيل حزم أسلاك الطاقة المصنوعة من الألومنيوم، كما تحلل وتقارن أداء طرق التوصيل المختلفة لتسهيل الاختيار اللاحق لطرق توصيل حزم أسلاك الطاقة المصنوعة من الألومنيوم.
01 نظرة عامة
مع تزايد استخدام موصلات الألومنيوم في حزم أسلاك السيارات، يتزايد استخدامها تدريجيًا بدلًا من موصلات النحاس التقليدية. ومع ذلك، في عملية استبدال أسلاك الألومنيوم بأسلاك النحاس، تُعدّ التآكل الكهروكيميائي، والزحف الحراري، وأكسدة الموصلات من المشاكل التي يجب مواجهتها وحلّها أثناء عملية الاستخدام. في الوقت نفسه، يجب أن يفي استخدام أسلاك الألومنيوم التي تحل محل أسلاك النحاس بمتطلبات أسلاك النحاس الأصلية، مع مراعاة الخصائص الكهربائية والميكانيكية لتجنب تدهور الأداء.
من أجل حل مشاكل مثل التآكل الكهروكيميائي، والزحف في درجات الحرارة العالية، وأكسدة الموصل أثناء تطبيق الأسلاك الألومنيوم، هناك حاليا أربع طرق اتصال رئيسية في الصناعة، وهي: اللحام بالاحتكاك واللحام بالضغط، واللحام بالاحتكاك، واللحام بالموجات فوق الصوتية، واللحام بالبلازما.
فيما يلي تحليل ومقارنة أداء لمبادئ وهياكل الاتصال لهذه الأنواع الأربعة من الاتصالات.
02 اللحام بالاحتكاك واللحام بالضغط
في اللحام الاحتكاكي والتوصيل بالضغط، تُستخدم أولاً قضبان نحاسية وألومنيوم للحام الاحتكاكي، ثم تُختم قضبان النحاس لتشكيل الوصلات الكهربائية. تُشَكَّل قضبان الألومنيوم وتُشكَّل لتشكيل أطراف تجعيد من الألومنيوم، وتُنتَج أطراف نحاسية وألومنيومية. بعد ذلك، يُدخَل سلك الألومنيوم في طرف تجعيد الألومنيوم الخاص بطرف النحاس-الألومنيوم، ويُجعد هيدروليكيًا باستخدام معدات تجعيد الأسلاك التقليدية لإكمال التوصيل بين موصل الألومنيوم وطرف النحاس-الألومنيوم، كما هو موضح في الشكل 1.
بالمقارنة مع طرق التوصيل الأخرى، يُشكّل لحام الاحتكاك ولحام الضغط منطقة انتقالية بين سبائك النحاس والألومنيوم من خلال لحام قضبان النحاس والألومنيوم بالاحتكاك. يتميز سطح اللحام بتجانس وكثافة أكبر، مما يُجنّب بفعالية مشكلة الزحف الحراري الناتج عن اختلاف معاملات التمدد الحراري بين النحاس والألومنيوم. كما يُجنّب تشكيل منطقة انتقالية بين السبائك التآكل الكهروكيميائي الناتج عن اختلاف النشاط المعدني بين النحاس والألومنيوم. يُستخدم الختم اللاحق بأنابيب الانكماش الحراري لعزل رذاذ الملح وبخار الماء، مما يُجنّب بفعالية حدوث التآكل الكهروكيميائي. من خلال الضغط الهيدروليكي لسلك الألومنيوم وطرف الضغط الألومنيومي لطرف النحاس والألومنيوم، يتم تدمير وتقشير هيكل خيط موصل الألومنيوم الأحادي وطبقة الأكسيد على الجدار الداخلي لطرف الضغط الألومنيوم، ثم تكتمل عملية التبريد بين الأسلاك المفردة وبين موصل الألومنيوم والجدار الداخلي لطرف الضغط. يُحسّن هذا المزيج من اللحام الأداء الكهربائي للوصلة ويوفر أداءً ميكانيكيًا عالي الموثوقية.
03 اللحام بالاحتكاك
يستخدم اللحام الاحتكاكي أنبوبًا من الألومنيوم لتجعيد وتشكيل موصل الألومنيوم. بعد قطع الوجه النهائي، يُجرى اللحام الاحتكاكي مع طرف النحاس. يُستكمل توصيل اللحام بين موصل السلك وطرف النحاس من خلال اللحام الاحتكاكي، كما هو موضح في الشكل 2.
لحام الاحتكاك يربط أسلاك الألومنيوم. أولاً، يُثبّت أنبوب الألومنيوم على موصل سلك الألومنيوم عن طريق الضغط. يُلَيِّن هيكل خيط الموصل الأحادي عن طريق الضغط لتشكيل مقطع عرضي دائري محكم. بعد ذلك، يُسَطَّح مقطع اللحام بالتدوير لإتمام العملية. تحضير أسطح اللحام. أحد طرفي طرف النحاس هو هيكل التوصيل الكهربائي، والطرف الآخر هو سطح توصيل اللحام لطرف النحاس. يُلحَم سطح توصيل اللحام لطرف النحاس وسطح لحام سلك الألومنيوم ويُوصَلان باستخدام اللحام الاحتكاكي، ثم تُقَطَّع ومضة اللحام وتُشكَّل لإكمال عملية توصيل سلك الألومنيوم المُلَحَم بالاحتكاك.
مقارنةً بطرق التوصيل الأخرى، يُشكّل لحام الاحتكاك وصلة انتقالية بين النحاس والألومنيوم من خلال لحام الاحتكاك بين أطراف النحاس وأسلاك الألومنيوم، مما يُقلل بفعالية من التآكل الكهروكيميائي للنحاس والألومنيوم. تُغلق منطقة انتقال لحام الاحتكاك بين النحاس والألومنيوم في المرحلة اللاحقة بأنبوب انكماش حراري لاصق. لا تتعرض منطقة اللحام للهواء والرطوبة، مما يُقلل من التآكل بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تُوصل منطقة اللحام موصل سلك الألومنيوم مباشرةً بطرف النحاس من خلال اللحام، مما يزيد بفعالية من قوة سحب المفصل ويُسهّل عملية المعالجة.
ومع ذلك، توجد عيوب أيضًا في توصيل أسلاك الألومنيوم بأطراف النحاس والألومنيوم الموضحة في الشكل 1. يتطلب استخدام اللحام الاحتكاكي لمصنعي حزم الأسلاك معدات لحام احتكاك خاصة منفصلة، مما يقلل من تعدد استخداماتها ويزيد من استثمارهم في الأصول الثابتة. ثانيًا، في اللحام الاحتكاكي، يتم لحام هيكل السلك أحادي الشعيرة مباشرةً بالطرف النحاسي، مما يؤدي إلى تجاويف في منطقة توصيل اللحام الاحتكاكي. يؤثر وجود الغبار والشوائب الأخرى على جودة اللحام النهائية، مما يؤدي إلى عدم استقرار الخواص الميكانيكية والكهربائية لوصلة اللحام.
04 اللحام بالموجات فوق الصوتية
يستخدم لحام أسلاك الألومنيوم بالموجات فوق الصوتية معدات لحام بالموجات فوق الصوتية لتوصيل أسلاك الألومنيوم بأطراف النحاس. من خلال تذبذب عالي التردد لرأس اللحام في معدات اللحام بالموجات فوق الصوتية، يتم توصيل خيوط أسلاك الألومنيوم وأسلاك الألومنيوم وأطراف النحاس معًا لإكمال سلك الألومنيوم. كما هو موضح في الشكل 3.
يحدث اتصال اللحام بالموجات فوق الصوتية عندما تهتز أسلاك الألومنيوم وأطراف النحاس عند موجات فوق صوتية عالية التردد. يُكمل الاهتزاز والاحتكاك بين النحاس والألومنيوم الاتصال بينهما. ولأن كلاً من النحاس والألومنيوم لهما بنية بلورية معدنية مكعبة مركزية الوجه، ففي بيئة تذبذب عالية التردد، يكتمل الاستبدال الذري في بنية البلورة المعدنية لتكوين طبقة انتقالية من السبائك، مما يمنع حدوث التآكل الكهروكيميائي بفعالية. في الوقت نفسه، أثناء عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية، تُنزع طبقة الأكسيد على سطح خيط موصل الألومنيوم الأحادي، ثم يكتمل اتصال اللحام بين الخيوط الأحادية، مما يُحسّن الخواص الكهربائية والميكانيكية للاتصال.
مقارنةً بأنواع التوصيل الأخرى، تُعدّ معدات اللحام بالموجات فوق الصوتية من معدات المعالجة الشائعة الاستخدام لدى مُصنّعي حزم الأسلاك. فهي لا تتطلب استثمارات جديدة في الأصول الثابتة. في الوقت نفسه، تستخدم أطراف التوصيل أطرافًا نحاسية مختومة، وتكلفتها أقل، مما يجعلها الأفضل من حيث التكلفة. ومع ذلك، لها عيوبها أيضًا. فمقارنةً بأنواع التوصيل الأخرى، يتميز اللحام بالموجات فوق الصوتية بخصائص ميكانيكية أضعف ومقاومة اهتزاز ضعيفة. لذلك، لا يُنصح باستخدام وصلات اللحام بالموجات فوق الصوتية في المناطق ذات الاهتزازات عالية التردد.
05 لحام البلازما
يستخدم اللحام البلازمي أطراف نحاسية وأسلاك ألومنيوم للتوصيل بالضغط، ثم عن طريق إضافة اللحام، يتم استخدام قوس البلازما لإشعاع وتسخين المنطقة المراد لحامها، وإذابة اللحام، وملء منطقة اللحام، وإكمال توصيل سلك الألومنيوم، كما هو موضح في الشكل 4.
يستخدم لحام البلازما لموصلات الألومنيوم أولًا لحام البلازما لأطراف النحاس، ثم تُكمل عملية تجعيد وتثبيت موصلات الألومنيوم بالتجعيد. بعد التجعيد، تُشكل أطراف لحام البلازما هيكلًا أسطوانيًا، ثم تُملأ منطقة لحام الأطراف بلحام يحتوي على الزنك، ويُضاف إلى الطرف المُجعد لحام يحتوي على الزنك. تحت إشعاع قوس البلازما، يُسخن اللحام المحتوي على الزنك ويُذاب، ثم يدخل فجوة السلك في منطقة التجعيد عبر الخاصية الشعرية، لإكمال عملية توصيل أطراف النحاس وأسلاك الألومنيوم.
تُكمل أسلاك الألمنيوم المُلحَّمة بالبلازما عملية التوصيل السريع بين أسلاك الألمنيوم وأطراف النحاس من خلال عملية الضغط، مما يوفر خصائص ميكانيكية موثوقة. وفي الوقت نفسه، أثناء عملية الضغط، وبنسبة ضغط تتراوح بين 70% و80%، يتم تدمير طبقة أكسيد الموصل وتقشيرها، مما يُحسِّن الأداء الكهربائي بشكل فعال، ويُقلِّل من مقاومة تلامس نقاط التوصيل، ويمنع تسخينها. بعد ذلك، يُضاف لحام يحتوي على الزنك إلى نهاية منطقة الضغط، ويُستخدم شعاع بلازما لإشعاع منطقة اللحام وتسخينها. يُسخَّن اللحام المحتوي على الزنك ويُذاب، ويملأ اللحام الفراغ في منطقة الضغط من خلال الخاصية الشعرية، مما يُؤدي إلى تناثر الماء المالح في منطقة الضغط. يمنع عزل البخار حدوث التآكل الكهروكيميائي. وفي الوقت نفسه، بفضل عزل اللحام وعزله، تتشكل منطقة انتقالية، مما يمنع حدوث الزحف الحراري بشكل فعال، ويقلل من خطر زيادة مقاومة التوصيل عند الصدمات الساخنة والباردة. من خلال اللحام البلازمي لمنطقة الاتصال، يتم تحسين الأداء الكهربائي لمنطقة الاتصال بشكل فعال، كما يتم تحسين الخصائص الميكانيكية لمنطقة الاتصال بشكل أكبر.
بالمقارنة مع طرق التوصيل الأخرى، يعزل لحام البلازما أطراف النحاس وموصلات الألومنيوم من خلال طبقة اللحام الانتقالي وطبقة اللحام المعززة، مما يقلل بفعالية من التآكل الكهروكيميائي للنحاس والألومنيوم. كما تُغلف طبقة اللحام المعززة السطح النهائي لموصل الألومنيوم بحيث لا تتلامس أطراف النحاس ولب الموصل مع الهواء والرطوبة، مما يقلل بشكل أكبر من التآكل. بالإضافة إلى ذلك، تُثبت طبقة اللحام الانتقالي وطبقة اللحام المعززة أطراف النحاس ووصلات أسلاك الألومنيوم بإحكام، مما يزيد بفعالية من قوة سحب الوصلات ويُبسط عملية المعالجة. ومع ذلك، هناك عيوب أيضًا. يتطلب استخدام لحام البلازما لمصنعي حزم الأسلاك معدات لحام بلازما منفصلة ومخصصة، مما يقلل من تعدد استخداماتها ويزيد من استثمارهم في الأصول الثابتة. ثانيًا، في عملية لحام البلازما، يتم اللحام بواسطة الخاصية الشعرية. عملية ملء الفجوات في منطقة العقص غير قابلة للتحكم، مما يؤدي إلى جودة لحام نهائية غير مستقرة في منطقة توصيل لحام البلازما، مما يؤدي إلى انحرافات كبيرة في الأداء الكهربائي والميكانيكي.
وقت النشر: ١٩ فبراير ٢٠٢٤