Soldadura por ultrasonidos de cables: uniones precisas para cobre, aluminio y aplicaciones de alta tensión
Los conductores eléctricos deben conectarse entre sí de forma fiable y reproducible en mazos de cables, vehículos, sistemas de baterías y numerosas aplicaciones industriales. Dadas las crecientes exigencias en cuanto a rendimiento eléctrico, espacio de montaje y seguridad de los procesos, la soldadura por ultrasonidos de cables está cobrando cada vez más importancia.
En la soldadura ultrasónica de metales, los conductores se unen entre sí aplicando una fuerza definida y una vibración mecánica de alta frecuencia. El proceso se lleva a cabo sin estaño ni fundente y, dependiendo de la aplicación, permite realizar uniones entre cobre, aluminio y otros componentes metálicos adecuados.
Este procedimiento resulta especialmente interesante para conexiones de cable a cable, de cable a terminal y otras conexiones eléctricas en las que se requiere una unión metálica reproducible en un espacio reducido.
¿Cómo funciona la soldadura por ultrasonidos de cables?
La soldadura por ultrasonidos de metales es un proceso de unión en estado sólido. En primer lugar, los conductores que se van a unir se colocan en la posición prevista entre el sonotrodo y el yunque.
A continuación, se aplica una fuerza definida. Al mismo tiempo, el sonotrodo transmite vibraciones mecánicas de alta frecuencia a la zona de unión.
El movimiento relativo de las piezas a unir bajo presión activa mecánicamente las superficies en la zona de unión. De este modo, las capas de óxido y las impurezas superficiales pueden romperse o ser desplazadas, lo que permite que se forme una unión metálica.
En este proceso, las piezas a unir no se funden por completo. La unión se produce, más bien, en estado sólido gracias a la interacción entre la presión, la vibración, el movimiento relativo y un control adecuado del proceso.
Los parámetros necesarios para conseguir una unión estable dependen del material, la sección transversal del conductor, la estructura del conductor, la geometría de la unión y el diseño de la herramienta.
El proceso en cuatro pasos
1. Colocar el escalón
En primer lugar, se colocan los conductores que se van a unir según la geometría de unión prevista.
Un posicionamiento preciso y reproducible es especialmente importante en los procesos de fabricación automatizados. Incluso pequeñas desviaciones en el solapamiento, la orientación o la sujeción pueden afectar a la superficie de unión real.
2. Aplicar fuerza de soldadura
Las piezas a unir se sujetan entre los componentes de la herramienta con una fuerza definida.
La fuerza necesaria no es la misma para todas las aplicaciones. Depende, entre otras cosas, del material, la sección transversal del conductor, la estructura del conductor, la superficie de unión y la geometría de la herramienta.
3. Iniciar la vibración ultrasónica
Mientras se aplica la fuerza de soldadura, se transmite la oscilación mecánica ultrasónica a la zona de unión.
En función del sistema de soldadura, pueden ser relevantes, entre otros, los siguientes parámetros para el control y la supervisión del proceso:
- Capacidad de soldadura
- Amplitud
- Tiempo de soldadura
- Energía
- Rendimiento
- Recorrido o compactación
- Curvas de proceso
El objetivo es lograr unas condiciones de proceso reproducibles en las que se forme una unión metálica suficiente sin someter a los conductores a una tensión innecesaria.
4. Finalización del proceso y evaluación de la calidad
Una vez alcanzadas las condiciones de proceso definidas, se interrumpe la vibración ultrasónica y se libera la unión.
Los sistemas modernos de soldadura por ultrasonidos pueden almacenar los datos registrados durante el proceso y utilizarlos para supervisar el mismo. En función del plan de calidad, también se pueden realizar ensayos mecánicos, eléctricos o metalográficos.
De este modo, se puede realizar un seguimiento sistemático del desarrollo del proceso, desde la primera prueba de soldadura hasta la producción en serie.
¿Qué materiales se pueden soldar por ultrasonidos?
La soldadura por ultrasonidos se utiliza especialmente para conductores eléctricos de cobre y aluminio. Dependiendo del diseño, son posibles diferentes estructuras de conductores, secciones transversales y combinaciones de uniones.
Cobre
El cobre tiene una conductividad eléctrica muy buena y, por ello, es un material importante para los cables eléctricos y los mazos de cables.
La soldadura por ultrasonidos puede utilizarse, por ejemplo, para hilos trenzados, haces de conductores, cables y terminales adecuados. En este sentido, no solo es determinante el material de cobre, sino también la sección transversal del conductor, la estructura del hilo trenzado, la superficie de unión y la geometría de la herramienta.
Aluminio
El aluminio también es adecuado para determinadas aplicaciones de soldadura por ultrasonidos.
Precisamente en el caso del aluminio, la capa de óxido natural desempeña un papel importante. Por ello, el control del proceso debe diseñarse de tal forma que se consiga una composición metálica estable dentro del intervalo de proceso previsto.
Los conductores de aluminio pueden conectarse, según la aplicación, con otros componentes de aluminio o con terminales adecuados.
Unir cobre y aluminio
La unión de materiales diferentes, como el cobre y el aluminio, plantea requisitos especiales.
A la hora de desarrollar el proceso, hay que tener en cuenta las diferentes propiedades de los materiales, la capa de óxido del aluminio y la posible formación de fases intermetálicas. El Fraunhofer IWM también describe estos aspectos como retos técnicos en las uniones de cobre y aluminio.
La soldadura por ultrasonidos es una tecnología de unión interesante para este tipo de aplicaciones. No obstante, su idoneidad concreta debe evaluarse siempre en función de los materiales, la geometría y los requisitos reales.
¿Por qué resulta interesante la soldadura por ultrasonidos para las uniones de cables?
No se necesitan soldaduras ni fundentes adicionales
El procedimiento no requiere estaño de soldadura ni fundente para la unión metálica propiamente dicha. De este modo, el proceso puede llevarse a cabo sin materiales de aportación adicionales.
Baja carga térmica
Dado que las piezas a unir no se funden por completo, este procedimiento difiere fundamentalmente de los procesos clásicos de soldadura por fusión. Esto puede resultar especialmente interesante en el caso de conductores eléctricos y componentes sensibles a la temperatura.
Unión metálica compacta
La conexión se establece directamente en la zona de unión prevista. De este modo, es posible realizar conexiones eléctricas compactas, por ejemplo, en aplicaciones de cable a cable o de cable a terminal.
Apto para diferentes materiales de conductores
En función del diseño de la máquina y de la herramienta, se pueden procesar conductores de cobre y aluminio, así como diferentes combinaciones de conexiones.
Se pueden supervisar los datos de proceso
En los sistemas industriales de soldadura por ultrasonidos es posible registrar y documentar los parámetros relevantes del proceso. De este modo, el proceso de soldadura puede diseñarse y supervisarse de forma reproducible para la producción en serie.
¿Qué factores determinan la calidad de la soldadura?
Una unión por ultrasonidos estable no se consigue con un único parámetro. Lo decisivo es la interacción entre el material, la geometría, la herramienta y el control del proceso.
Entre los factores más importantes se encuentran:
- Material y combinación de materiales
- Diámetro del conductor
- Estructura del conductor y geometría de los hilos
- Superficie de unión
- Geometría de los sonotrodos y los yunques
- Capacidad de soldadura
- Amplitud
- Tiempo de soldadura
- Energía o potencia
- Compactación y recorrido
- Control de procesos
- Concepto de control y calidad
Por eso, los parámetros de soldadura no deben trasladarse sin más de un diseño de cable a otro.
En el caso de nuevas combinaciones de materiales o secciones transversales, conviene determinar primero una ventana de proceso adecuada a partir de componentes reales y, a continuación, validarla mediante ensayos definidos.
Desde la primera prueba de soldadura hasta la producción en serie
El éxito de una aplicación de ultrasonidos no empieza solo con la elección de un equipo. Lo primero y fundamental es describir con precisión la unión que se va a realizar.
1. Determinar el material y la geometría del conductor
¿Qué materiales se van a unir? ¿Cuál es la sección transversal del conductor? ¿Se trata de conductores individuales, hilos trenzados, haces de conductores, conductores trenzados o terminales?
2. Definir la geometría de unión
¿Cómo deben conectarse los conductores entre sí? ¿Se prevé una conexión de cable a cable, de cable a terminal o entre terminales?
La geometría determina en gran medida la elección del sonotrodo, el yunque y el dispositivo.
3. Determinar las ventanas de proceso
A partir de componentes reales, se determinan los valores adecuados para la amplitud, la fuerza, la energía y el tiempo.
Para ello, no basta con tener en cuenta un único valor objetivo. Lo decisivo es contar con un rango de proceso estable en el que se alcance de forma reproducible la calidad de unión requerida.
4. Comprobar la conexión y documentar el proceso
Dependiendo de la aplicación, pueden ser necesarios, por ejemplo, ensayos de tracción, mediciones de resistencia eléctrica, análisis metalográficos u otros ensayos específicos para cada cliente.
Paralelamente, se pueden documentar los datos del proceso para facilitar la trazabilidad de la producción en serie.
Aplicaciones típicas de la soldadura por ultrasonidos
La soldadura por ultrasonidos se puede utilizar para diversas tareas de conexión eléctrica, por ejemplo:
- Conexiones de mazos de cables y conductores
- Conexiones de cable a cable
- Conexiones de cable a terminal
- Conexiones de conductores trenzados
- Conexiones de barras colectoras y lengüetas
- Conexiones en la movilidad eléctrica
- Aplicaciones en sistemas de baterías
- Electrónica de potencia
- FPC y otros compuestos metálicos
Precisamente en el ámbito de la movilidad eléctrica y en las aplicaciones de alto voltaje, cada vez es más importante contar con conexiones fiables para secciones transversales de conductores de gran tamaño y diferentes combinaciones de materiales.
No obstante, la idoneidad técnica concreta depende siempre de la aplicación concreta.
¿Qué máquina de soldadura por ultrasonidos con cable es la más adecuada para mi aplicación?
Con la serie KS, Magntek ofrece diversas máquinas de soldadura de cables por ultrasonidos para diferentes secciones transversales de conductores y conceptos de unión.
KSK: para conductores pequeños y conexiones de terminales
El KSK se ha diseñado para realizar conexiones precisas de conductores de sección transversal pequeña con terminales. Es adecuado para conductores de cobre y aluminio, así como para diversos tipos de terminales estándar.
La sección transversal del conductor de cobre es de hasta 25 mm². La máquina funciona a 20 kHz y admite los modos de tiempo y de energía. Es posible la alimentación manual o automática.
KSM: conexiones compactas
El KSM está diseñado para conexiones de cable compactas en sectores como la electrónica, la automoción y la ingeniería eléctrica.
En función de la aplicación, son posibles, entre otras, las conexiones de cobre con cobre y de cobre con aluminio, así como las conexiones de un solo hilo con varios hilos, de conductores trenzados y de conductores estañados.
KSS: para secciones transversales de conductor medianas
La KSS está diseñada para la soldadura en serie de mazos de cables de sección media y terminales.
Entre otras cosas, permite realizar conexiones de conductores de cobre y aluminio con terminales, conexiones de conductores trenzados y lengüetas para barras colectoras. El rango indicado para los conductores de cobre es de 16 a 70 mm². Se pueden integrar sistemas automáticos de alimentación de cables y terminales.
KSG: para secciones transversales de conductores grandes y cables de alta tensión
El KSG está diseñado para mazos de cables de gran sección y aplicaciones exigentes de alto voltaje.
Entre sus posibles aplicaciones se incluyen las uniones de cable a cable, de cable a terminal y de terminal a terminal, así como soldaduras de gran superficie en componentes de cobre y aluminio. Magntek indica un rango de 95/120 mm² para conductores de cobre y de hasta 160 mm² para conductores de aluminio.
De este modo, la serie KS da respuesta a diferentes necesidades, desde pequeñas conexiones de terminales hasta conductores de alta tensión de gran sección.
¿No estás seguro de qué máquina se adapta mejor a tu aplicación?
Magntek puede ayudar en la selección en función del material, la sección transversal del conductor, la geometría de la conexión y los requisitos de producción.
Máquinas de soldadura de cables por ultrasonidos Magntek
Preguntas frecuentes: Preguntas habituales sobre la soldadura por ultrasonidos de cables
¿Se pueden soldar cables de cobre con ultrasonidos?
Sí. El cobre es uno de los materiales más importantes para las aplicaciones de soldadura ultrasónica de metales. En función de la sección transversal del conductor, su estructura y la unión, se pueden conseguir diferentes geometrías de cables y terminales.
¿Se pueden soldar por ultrasonidos los cables de aluminio?
Sí. El aluminio puede utilizarse en aplicaciones adecuadas de soldadura por ultrasonidos. Para ello, los parámetros del proceso y las herramientas deben adaptarse al material, la sección transversal y la geometría.
¿Se pueden unir el cobre y el aluminio?
Sí, determinados compuestos de cobre y aluminio pueden fabricarse mediante soldadura por ultrasonidos. Debido a las diferentes propiedades de los materiales y a los requisitos de estabilidad a largo plazo, cada combinación concreta de materiales debería validarse por separado.
¿Se produce una fusión durante la soldadura por ultrasonidos?
En la soldadura ultrasónica de metales, las piezas a unir no se funden por completo. La unión se produce en estado sólido, bajo una fuerza definida y una vibración mecánica ultrasónica.
¿Se necesita estaño para soldar o fundente?
Para la unión por ultrasonidos propiamente dicha no se necesitan, en principio, soldaduras ni fundentes adicionales.
¿Qué parámetros son importantes en la soldadura por ultrasonidos?
En función de la máquina y la aplicación, pueden ser relevantes, en particular, la fuerza de soldadura, la amplitud, el tiempo, la energía, la potencia y el recorrido. Lo decisivo es la interacción de estas magnitudes dentro de un margen de proceso adecuado.
¿Es la soldadura por ultrasonidos adecuada para la producción en serie?
Sí. La soldadura por ultrasonidos puede integrarse en procesos automatizados de producción en serie. Para ello, es necesario coordinar entre sí la máquina, la herramienta, los parámetros del proceso, la alimentación, la supervisión del proceso y el plan de calidad.
¿Qué secciones transversales de conductores se pueden soldar?
La sección transversal posible depende del material, la estructura del conductor, la conexión y el diseño de la máquina. La serie KS de Magntek abarca diferentes rangos, desde conductores pequeños hasta conductores de cobre y aluminio de gran sección transversal.
Conclusión: la soldadura por ultrasonidos como tecnología de unión de alta precisión
La soldadura por ultrasonidos permite la unión reproducible de conductores eléctricos mediante una fuerza definida y una vibración mecánica ultrasónica. Este procedimiento ofrece numerosas posibilidades, especialmente para conductores de cobre y aluminio, desde pequeñas conexiones de terminales hasta cables de gran sección y aplicaciones de alta tensión.
Sin embargo, el material no es el único factor decisivo para lograr una conexión fiable. Es necesario tener en cuenta de forma conjunta la sección transversal del conductor, su estructura, la geometría de la unión, la herramienta, los parámetros del proceso y los requisitos de calidad.
Con la serie KS, Magntek ofrece diferentes diseños de máquinas para secciones transversales de conductores pequeñas, medianas y grandes. Desde la primera prueba de soldadura, pasando por el desarrollo del proceso, hasta la producción en serie automatizada, es posible adaptar la solución de ultrasonidos adecuada a cada aplicación concreta.
¿Está planeando una nueva conexión por cable o desea adaptar una aplicación existente a la soldadura por ultrasonidos?
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Fuentes e información adicional
[1] Fraunhofer IWM: Información sobre los retos técnicos que plantean las uniones de cobre y aluminio, en particular las capas de óxido, las fases intermetálicas y los diferentes coeficientes de dilatación térmica.
[2] Fraunhofer IFAM: Estudios sobre uniones de aluminio y cobre y el uso de la soldadura por ultrasonidos para conexiones eléctricas.
[3] Fraunhofer ISE: Informe sobre el cableado de la batería – entre otros, sobre materiales, capas de óxido y requisitos para las conexiones eléctricas en los sistemas de baterías.
[4] Magntek Electronics GmbH: Máquina de soldadura por ultrasonidos para cables – Descripción general de los productos y ámbitos de aplicación de la serie KS.
[5] Magntek Electronics GmbH: Soldadura por ultrasonidos de cables – Resumen de aplicaciones y maquinaria.
[6] Magntek Electronics GmbH: Máquina de soldadura de cables por ultrasonidos KSK – Características técnicas y ámbito de aplicación.
[7] Magntek Electronics GmbH: Máquina de soldadura por ultrasonidos de cables KSS – Características técnicas y ámbito de aplicación.
[8] Magntek Electronics GmbH: Máquina de soldadura de cables por ultrasonidos KSG – Características técnicas y ámbito de aplicación.