Saldatura a ultrasuoni e saldatura a resistenza per gruppi di contatti elettrici e sbarre collettrici

La saldatura a ultrasuoni unisce i metalli conduttivi tramite vibrazioni meccaniche ad alta-frequenza con riscaldamento in massa limitato, mentre la saldatura a resistenza genera una zona di fusione localizzata tramite corrente elettrica e resistenza di contatto. Per i gruppi di contatti elettrici e le sbarre collettrici, la scelta dipende dalla combinazione di materiali, dallo spessore della sezione, dall'esposizione termica consentita, dalla resistenza al taglio richiesta e dalla resistenza elettrica del giunto finito.

 

La decisione ingegneristica non è semplicemente "quale processo di saldatura è più forte". Il giunto deve mantenere una bassa resistenza elettrica, una resistenza meccanica controllata, un legame metallurgico stabile, l'accuratezza dimensionale e una qualità di produzione ripetibile dopo lo stampaggio e l'assemblaggio.

 

 

 

Collegamento a bassa-temperatura per gruppi di contatti AgSnO₂-Cu

La saldatura ad ultrasuoni è particolarmente applicabile quando il contatto elettrico contiene una lega d'argento e il substrato è di rame. Un gruppo di saldatura a contatto a ultrasuoni può creare un legame-allo stato solido senza che l'intera interfaccia del giunto raggiunga la temperatura di fusione dei materiali di base.

 

Le applicazioni tipiche includono:

Gruppi di contatti AgSnO₂-Cu che richiedono un'esposizione termica limitata alla lega d'argento.
Cu-Connessioni con fili intrecciati Cu in cui la deformazione del filo deve rimanere controllata.
Fogli sottili di rame, pile di lamine, terminali e conduttori flessibili.
Collegamenti della batteria e dei dispositivi elettronici di alimentazione- dove il calore eccessivo può danneggiare l'isolamento adiacente.
Ponti di contatto elettrici che richiedono una resistenza di contatto costante dopo l'unione.

Il meccanismo di saldatura combina la pressione di serraggio controllata con la vibrazione ultrasonica. Gli ossidi superficiali e i contaminanti vengono distrutti all'interfaccia, mentre la deformazione plastica localizzata aumenta l'effettiva area di contatto metallico.

Per la qualificazione della produzione, le variabili critiche non si limitano alla frequenza ultrasonica. L'ampiezza della saldatura, la forza di saldatura, l'energia, il tempo di ciclo, la durezza del materiale, l'area di sovrapposizione e le condizioni della superficie devono essere controllati come una finestra del processo.

 

AgSnO₂-Variabili dei giunti in rame

Variabile	Considerazione ingegneristica	Tipico focus sulla qualità
Materiale di contatto AgSnO₂	Lega per contatti elettrici di argento-stagno-ossido	Evitare un eccessivo degrado termico
Substrato di rame	C1100/rame ad alta-conduttività	Mantenere la conduttività e la stabilità dimensionale
Spessore del giunto	Strutture-sottili e a strati	Prevenire una deformazione eccessiva
Forza di saldatura	Determina la pressione dell'interfaccia	Incollaggio stabile senza schiacciamento
Ampiezza ultrasonica	Controlla l'attrito e la deformazione dell'interfaccia	Evita-saldature eccessive
Energia di saldatura	È correlato alla consistenza del legame	Stabilire la finestra del processo tramite DOE
Resistenza elettrica	Indica la qualità del percorso-attuale	Verifica della resistenza basata sul 100% o su campionamento-
Forza di taglio	Indica l'integrità meccanica	Correlare i dati delle prove distruttive con i parametri di saldatura

 

 

 

La saldatura a resistenza utilizza la corrente elettrica che passa attraverso i pezzi per generare un riscaldamento Joule localizzato. Il calore generato all'interfaccia è approssimativamente correlato a:

 

Q=I²Rt

 

dove I è la corrente di saldatura, R è la resistenza elettrica e t è la durata della corrente.

Ciò rende la forza dell’elettrodo, la corrente, il tempo di saldatura, la resistenza del materiale e la geometria del contatto direttamente rilevanti per la formazione della saldatura.

Per i componenti stampati più spessi, la saldatura a punti a resistenza può generare una zona di fusione definita con maggiore penetrazione rispetto a molti processi di giunzione-allo stato solido. Ciò lo rende adatto alla saldatura a punti di contatti in rame, ponti elettrici stampati, terminali e componenti conduttivi multistrato.

 

Saldatura a resistenza di componenti in rame C1100

Il rame rappresenta una sfida specifica per la saldatura a resistenza-perché la sua resistività elettrica è bassa e la sua conduttività termica è elevata. Può quindi essere necessaria una grande corrente per generare sufficiente calore localizzato.

 

L’ingegneria della produzione normalmente si concentra su:

Geometria dell'elettrodo e area di contatto.
Stabilità della forza sugli elettrodi.
Ripetibilità della corrente di saldatura-.
Caratteristiche attuali di rialzo e ribasso.
Spessore e impilamento del foglio-.
Ossidazione e contaminazione superficiale.
Usura degli elettrodi.
Diametro e penetrazione della pepita.
Resistenza elettrica post-saldatura.
Prove distruttive di taglio o di pelatura.

 

Un ponte di contatto saldato a resistenza-non deve essere qualificato solo tramite ispezione visiva. La formazione dei pezzetti, la resistenza meccanica, la resistenza elettrica e la modalità di guasto devono essere correlate alla finestra del processo di saldatura.

 

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Materiali di contatto in rame C1100 e AgSnO₂

La combinazione dei materiali determina se l’apporto termico o la deformazione meccanica sono il vincolo ingegneristico dominante.

 

Parametro	Saldatura ad ultrasuoni	Saldatura a resistenza
Meccanismo di legame primario	Legame meccanico-allo stato solido	La resistenza-ha generato un riscaldamento localizzato
Fusione di materiale sfuso	Normalmente evitato	Zona di fusione comunemente formata
Area-influenzata dal calore	Relativamente limitato	Temperatura di picco più localizzata ma più elevata
Lamine sottili di rame	Altamente adatto	Adatto con parametri ottimizzati
Treccia di rame	Altamente adatto	Più difficile per le strutture a filamento-fine
Rame stampato spesso	Dipende dall'applicazione-	Adatto
Contatto AgSnO₂	Adatto dove l'esposizione termica deve essere limitata	Possibile con apporto termico controllato
Saldare la pepita	Non è la caratteristica di qualificazione principale	Caratteristica di qualità della saldatura primaria-
Requisiti degli elettrodi	Sistema corno/incudine	Elettrodi necessari
Usura degli elettrodi	L'usura dell'utensile dipende dal materiale e dall'ampiezza	Variabile produttiva significativa
Convalida tipica	Taglio + resistenza elettrica + metallografia	Pepita + taglio/pelatura + resistenza elettrica
Ottimizzazione dei processi	Forza + ampiezza + energia + tempo	Corrente + forza + tempo + geometria dell'elettrodo

 

Filo intrecciato da rame-a-rame

La treccia di rame presenta un problema di giunzione diverso rispetto alla lamiera stampata. I singoli filamenti hanno sezioni trasversali-piccole e strati di ossido, mentre un input termico eccessivo può causare ricottura locale o deformazioni indesiderate.

La saldatura a ultrasuoni può consolidare più fili di rame contro un terminale di rame mantenendo una regione influenzata dal calore-relativamente compatta.

 

L’obiettivo ingegneristico è quello di raggiungere:

Bassa resistenza elettrica + sufficiente resistenza alla trazione/taglio + consolidamento controllato dei trefoli.

Una specifica di produzione dovrebbe quindi definire la resistenza elettrica accettabile e la modalità di guasto meccanico piuttosto che basarsi esclusivamente sull'aspetto della saldatura.

 

 

Un collegamento elettrico saldato ha due funzioni indipendenti:

Trasportano corrente con perdita elettrica controllata.
Sopravvivere al carico meccanico durante il montaggio e la manutenzione.

Un giunto può avere una resistenza meccanica accettabile pur mostrando una resistenza elettrica eccessiva. Al contrario, un giunto a bassa-resistenza può avere una resistenza meccanica insufficiente.

 

Misurazione della resistenza elettrica

La misurazione Kelvin a quattro-fili è preferibile quando la resistenza target è sufficientemente bassa da far sì che la resistenza dei conduttori e dei contatti possa altrimenti influenzare la misurazione.

Il sistema di test dovrebbe controllare:

Prova corrente.
Posizione della sonda.
Direzione della misurazione.
Pressione di contatto.
Temperatura.
Tempo di stabilizzazione.
Frequenza di campionamento.

Per i collegamenti in rame ad alta-corrente, il valore della resistenza deve essere correlato alla geometria del conduttore e all'area di passaggio della corrente effettiva-piuttosto che interpretato come un numero isolato.

 

Prove di taglio e trazione

La validazione meccanica può includere:

Prove di taglio-sul giro.
Test di pull-off.
Test di peeling per strutture stratificate.
Prove di trazione sui terminali.
Analisi distruttiva della sezione trasversale-.

La modalità di errore fornisce informazioni aggiuntive. Una frattura attraverso il materiale madre indica una condizione di processo diversa da una separazione interfacciale.

 

 

 

IATF 16949 Controlli di processo per contatti saldati

Per i componenti di contatto elettrico del settore automobilistico, la saldatura dovrebbe essere trattata come un processo speciale controllato piuttosto che come un'operazione di assemblaggio isolata.

Un piano di controllo della produzione può includere:

Verifica materiale in entrata.
Controllo dimensionale CMM.
Monitoraggio del processo di stampaggio-.
Monitoraggio dei parametri di saldatura.
Controlli sulle condizioni degli elettrodi o del corno.
Test di resistenza elettrica.
Convalida della forza di taglio-.
Ispezione metallografica.
Tracciabilità per lotto o lotto di produzione.
MSA e misuratore R&R.
SPC per dimensioni critiche e caratteristiche di saldatura.

Per la presentazione PPAP Livello 3, il fornitore potrebbe dover stabilire una relazione documentata tra DFMEA → PFMEA → Piano di controllo → Istruzioni di lavoro → registri di ispezione → studi di capacità → risultati di convalida.

 

Ispezione CMM e controllo dimensionale ±0,01 mm

Il gruppo saldato deve mantenere la compatibilità dimensionale con il gruppo contattore, relè, fusibile, quadro elettrico o sbarre collettrici a valle.

A seconda della geometria del prodotto, le dimensioni critiche possono includere:

Contatto-posizione centrale.
Diametro del foro.
Planarità terminale.
Posizione della saldatura.
Altezza di contatto.
Angolo di piega.
Lunghezza totale.
Spessore lamiera di rame.

Per i componenti stampati di precisione, le dimensioni selezionate possono essere controllate a ±0,01 mm, in base al disegno effettivo del prodotto e all'accumulo di tolleranze funzionali-.

 

 

Un fornitore di ponti di contatti saldati dovrebbe essere valutato rispetto alla catena di produzione completa piuttosto che alla sola capacità di saldatura.

 

Articolo di qualificazione	Verifica consigliata
Materia prima	Certificato dei materiali e verifica della composizione
Stampaggio	Registri di ispezione dimensionale e di processo-degli strumenti
Saldatura	Finestra parametri e convalida del processo
Prestazioni elettriche	Misurazione della-resistenza bassa
Prestazioni meccaniche	Prove di taglio/trazione/pelatura
Metallurgia	Sezione trasversale-e ispezione microscopica
Precisione dimensionale	Ispezione CMM
Tracciabilità	Record di produzione a livello di lotto-
Qualità automobilistica	Sistema IATF 16949
Pacchetto di presentazione	Funzionalità PPAP di livello 3
Conformità ambientale	Documentazione RoHS/REACH
Capacità di processo	SPC/Cp/Cpk dove specificato

 

Un fornitore in grado di stampare ma incapace di correlare i parametri di saldatura con la resistenza e i risultati meccanici crea ulteriore lavoro di qualificazione per l’acquirente. Il modello di approvvigionamento preferito è quello in cui stampaggio, giunzione, ispezione, tracciabilità e documentazione PPAP sono gestiti all'interno di un sistema di produzione controllato.

 

 

Saldatura ad ultrasuoni: rame sottile, treccia e bassa esposizione termica

Selezionare la saldatura ad ultrasuoni quando il progetto richiede:

Consolidamento della treccia di rame.
Fogli conduttivi sottili.
Riscaldamento in serie limitato.
Unione-allo stato solido.
AgSnO₂-a-unione dei contatti in rame.
Zone di connessione elettrica compatte.
Deformazione controllata di materiali conduttivi sottili.

Saldatura a resistenza: componenti stampati spessi e pepite di saldatura definiti

Selezionare la saldatura a resistenza quando il progetto richiede:

Componenti in rame stampato di grosso spessore.
Elevato apporto termico localizzato.
Pepite di fusione definite.
Elevata produttività.
Posizionamento degli elettrodi ripetibile.
Giunzione strutturale di ponti di contatto stampati.

La decisione finale sul processo dovrebbe essere basata sull'accumulo del materiale-, sullo spessore, sulla geometria del giunto, sul target di resistenza elettrica, sui requisiti di carico meccanico-, sulla sensibilità termica e sul volume di produzione.

 

Scarica le specifiche di progettazione dell'assieme di contatto

 

 

Un gruppo di contatti elettrici qualificato dovrebbe avere tre forme di prova complementari.

 

Convalida elettrica

Misurare il percorso di corrente completato e stabilire l'intervallo di resistenza accettabile in condizioni di test definite.

Per i giunti in rame a bassa-resistenza, il metodo di misurazione stesso diventa parte delle specifiche.

 

Convalida meccanica

Le prove di taglio o trazione stabiliscono se il giunto può resistere alle forze di assemblaggio, alle vibrazioni, ai cicli termici e ai carichi di servizio.

Il criterio di accettazione dovrebbe specificare sia la forza minima che la modalità di rottura accettabile.

 

Convalida metallografica

L'analisi trasversale- può identificare:

Legame incompleto.
Vuoti.
Crepe.
Deformazione eccessiva.
Penetrazione della saldatura insufficiente.
Regioni colpite da calore eccessivo-.
Geometria irregolare della pepita.

 

 

 

Prima di rilasciare un gruppo di contatti saldati per la produzione di massa, il disegno tecnico e le specifiche del fornitore dovrebbero definire:

 

Materiale: C1100, C2680, AgSnO₂ o lega d'argento specificata.
Spessore del materiale: spessore effettivo del foglio o del conduttore.
Configurazione congiunta: sovrapposizione, testa, sovrapposizione, treccia-al-terminale o contatto-al-portante.
Processo di saldatura: saldatura ad ultrasuoni o a resistenza.
Requisiti elettrici: resistenza massima consentita del giunto.
Requisito meccanico: forza minima di taglio o trazione.
Requisito dimensionale: dimensioni e tolleranze critiche, come ±0,01 mm ove applicabile.
Condizioni della superficie: requisiti di placcatura, ossidazione, contaminazione e pulizia.
Metodo di ispezione: misurazione della resistenza Kelvin, CMM, metallografia e test distruttivi.
Sistema di qualità: IATF 16949 dove si applicano i requisiti di fornitura automobilistica.
Invio: PPAP Livello 3 dove specificato dal cliente.
Conformità ambientale: requisiti RoHS e REACH.

 

 

Per cosa è richiesta la tipica documentazione PPAP di livello 3?gruppi di contatti saldati?

PPAP Livello 3 normalmente richiede la documentazione di progettazione applicabile, il flusso di processo, PFMEA, il piano di controllo, i risultati dimensionali, i risultati dei test sui materiali e sulle prestazioni, le prove MSA, i dati sulla capacità del processo, le parti campione e il PSW, soggetti ai requisiti di invio specifici del cliente.

 

Come scelgo la saldatura ad ultrasuoni per la treccia di rame invece della saldatura a resistenza?

La saldatura a ultrasuoni viene generalmente presa in considerazione quando la treccia di rame richiede il consolidamento dei trefoli con un riscaldamento in massa limitato. La saldatura a resistenza è più adatta quando il giunto richiede una zona di fusione definita in componenti stampati più spessi.

 

Come viene testata la resistenza elettrica su un contatto di rame saldato?

Un metodo di misurazione a quattro-fili Kelvin viene comunemente utilizzato per i giunti a bassa-resistenza. Le specifiche del test dovrebbero definire la corrente, la posizione della sonda, la temperatura, le condizioni di stabilizzazione, la frequenza di campionamento e la resistenza massima consentita del giunto.