Saldatura a ultrasuoni dei cavi: giunzioni precise per rame, alluminio e applicazioni ad alta tensione
I conduttori elettrici devono essere collegati tra loro in modo affidabile e riproducibile all’interno di fasci di cavi, veicoli, sistemi di batterie e numerose applicazioni industriali. Con l’aumentare dei requisiti in termini di prestazioni elettriche, spazio di installazione e sicurezza dei processi, la saldatura a ultrasuoni dei cavi sta acquisendo sempre maggiore importanza.
Nella saldatura a ultrasuoni dei metalli, i conduttori vengono uniti tra loro mediante una forza definita e vibrazioni meccaniche ad alta frequenza. Il processo non richiede l’uso di stagno per saldatura né di fondente e, a seconda dell’applicazione, consente di realizzare giunzioni tra rame, alluminio e altri componenti metallici idonei.
Questo procedimento è particolarmente interessante per i collegamenti cavo-cavo, cavo-terminale e altri collegamenti elettrici in cui è necessario un collegamento metallico riproducibile in uno spazio ridotto.
Come funziona la saldatura a ultrasuoni dei cavi?
La saldatura a ultrasuoni dei metalli è un processo di giunzione a stato solido. I conduttori da unire vengono innanzitutto posizionati nell’apposita sede tra il sonotrodo e l’incudine.
Successivamente viene applicata una forza prestabilita. Contemporaneamente, il sonotrodo trasmette vibrazioni meccaniche ad alta frequenza alla zona di giunzione.
Il movimento relativo dei pezzi da unire sotto pressione provoca l’attivazione meccanica delle superfici nella zona di giunzione. In questo modo, gli strati di ossido e le impurità superficiali possono essere frantumati o espulsi, consentendo la formazione di un legame metallico.
In questo processo, i pezzi da unire non vengono completamente fusi. Il giunto si forma piuttosto allo stato solido grazie all’interazione tra pressione, vibrazione, movimento relativo e un’adeguata gestione del processo.
I parametri necessari per garantire una connessione stabile dipendono dal materiale, dalla sezione trasversale del conduttore, dalla struttura del conduttore, dalla geometria di giunzione e dalla configurazione dell’utensile.
Il processo in quattro fasi
1. Posizionare la scala
In primo luogo, i conduttori da collegare vengono posizionati in base alla geometria di giunzione prevista.
Un posizionamento preciso e riproducibile è particolarmente importante nei processi di produzione automatizzati. Anche piccole deviazioni relative alla sovrapposizione, all’orientamento o al serraggio possono influire sull’effettiva superficie di giunzione.
2. Esercitare una forza di saldatura
I pezzi da unire vengono serrati tra i componenti dell'utensile con una forza prestabilita.
La forza necessaria non è la stessa per ogni applicazione. Dipende, tra l’altro, dal materiale, dalla sezione del conduttore, dalla struttura del conduttore, dalla superficie di giunzione e dalla geometria dell’utensile.
3. Avviare la vibrazione ultrasonica
Mentre viene applicata la forza di saldatura, l’oscillazione meccanica ultrasonica viene trasmessa alla zona di giunzione.
A seconda del sistema di saldatura, possono essere rilevanti, tra le altre, le seguenti grandezze per il controllo e il monitoraggio del processo:
- Capacità di saldare
- Amplitudine
- Tempo di saldatura
- Energia
- Prestazioni
- Percorso o compattazione
- Curve di processo
L'obiettivo è ottenere condizioni di processo riproducibili in cui si formi un legame metallico sufficiente senza sottoporre i conduttori a sollecitazioni inutili.
4. Conclusione del processo e valutazione della qualità
Una volta raggiunte le condizioni di processo definite, l’oscillazione ultrasonica viene interrotta e il collegamento viene sbloccato.
I moderni sistemi di saldatura a ultrasuoni sono in grado di memorizzare i dati rilevati durante il processo e di utilizzarli per il monitoraggio dello stesso. A seconda del programma di controllo qualità, è possibile effettuare anche controlli meccanici, elettrici o metallografici.
In questo modo è possibile seguire sistematicamente lo sviluppo del processo, dalla prima prova di saldatura fino alla produzione in serie.
Quali materiali possono essere saldati a ultrasuoni?
La saldatura a ultrasuoni viene utilizzata in particolare per i conduttori elettrici in rame e alluminio. A seconda della progettazione, sono possibili diverse configurazioni dei conduttori, sezioni trasversali e combinazioni di giunti.
Rame
Il rame possiede un'ottima conduttività elettrica ed è quindi un materiale importante per i cavi elettrici e i fasci di cavi.
La saldatura a ultrasuoni può essere utilizzata, ad esempio, per trecce, fasci di conduttori, cavi e terminali idonei. In questo contesto, sono determinanti non solo il materiale in rame, ma anche la sezione trasversale del conduttore, la struttura della treccia, la superficie di giunzione e la geometria dell'utensile.
Alluminio
Anche l'alluminio è adatto a determinate applicazioni di saldatura a ultrasuoni.
Proprio nel caso dell’alluminio, lo strato di ossido naturale riveste un ruolo importante. La gestione del processo deve quindi essere impostata in modo tale da ottenere una composizione metallica stabile all’interno dell’intervallo di processo previsto.
A seconda dell'applicazione, i conduttori in alluminio possono essere collegati ad altri componenti in alluminio o a terminali adeguati.
Unire rame e alluminio
Si presentano requisiti particolari quando si uniscono materiali diversi, come il rame e l’alluminio.
Nello sviluppo del processo occorre tenere conto delle diverse proprietà dei materiali, dello strato di ossido dell’alluminio e della possibile formazione di fasi intermetalliche. Anche il Fraunhofer IWM descrive questi aspetti come sfide tecniche nei giunti Cu-Al.
La saldatura a ultrasuoni rappresenta una tecnologia di giunzione interessante per questo tipo di applicazioni. Tuttavia, la sua effettiva idoneità deve sempre essere valutata in base ai materiali, alla geometria e ai requisiti specifici.
Perché la saldatura a ultrasuoni è interessante per i collegamenti dei cavi?
Nessuna lega o flussante aggiuntivo
Il procedimento non richiede né stagno né fondente per la giunzione metallica vera e propria. Ciò consente di eseguire il processo senza materiali di apporto aggiuntivi.
Basso carico termico
Poiché i pezzi da unire non vengono completamente fusi, questo procedimento si differenzia sostanzialmente dai classici processi di saldatura per fusione. Ciò può risultare particolarmente interessante nel caso di conduttori elettrici e componenti sensibili alla temperatura.
Giunto metallico compatto
Il collegamento viene realizzato direttamente nella zona di giunzione prevista. Ciò consente di realizzare collegamenti elettrici compatti, ad esempio nelle applicazioni cavo-cavo o cavo-terminale.
Adatto a diversi materiali conduttori
A seconda della configurazione della macchina e dell’utensile, è possibile lavorare conduttori in rame e alluminio, nonché diverse combinazioni di giunti.
È possibile monitorare i dati di processo
Nei sistemi di saldatura a ultrasuoni industriali è possibile rilevare e documentare i parametri di processo rilevanti. Ciò consente di progettare e monitorare il processo di saldatura in modo riproducibile per la produzione in serie.
Quali fattori determinano la qualità della saldatura?
Una connessione a ultrasuoni stabile non dipende da un unico parametro. È determinante l’interazione tra materiale, geometria, utensile e gestione del processo.
Tra i fattori più importanti figurano:
- Materiale e combinazione di materiali
- Diametro del cavo
- Struttura della scala e geometria dei fili
- Superficie di giunzione
- Geometria dei sonotrodi e dell'incudine
- Capacità di saldare
- Amplitudine
- Tempo di saldatura
- Energia o potenza
- Compattazione e percorso
- Monitoraggio del processo
- Piano di controllo e qualità
Per questo motivo, i parametri di saldatura non dovrebbero essere semplicemente trasferiti da una struttura di cavi esistente a un’altra.
Per le nuove combinazioni di materiali o sezioni trasversali, è opportuno determinare innanzitutto una finestra di processo adeguata sulla base di componenti reali e successivamente convalidarla mediante prove definite.
Dalla prima prova di saldatura alla produzione in serie
Un’applicazione efficace degli ultrasuoni non inizia solo con la scelta di un’apparecchiatura. Innanzitutto è fondamentale descrivere con precisione il collegamento che si intende realizzare.
1. Determinare il materiale e la geometria del conduttore
Quali materiali vengono collegati? Qual è la sezione del conduttore? Si tratta di conduttori singoli, trecce, fasci di conduttori, conduttori intrecciati o terminali?
2. Definire la geometria di incastro
Come devono essere collegati tra loro i conduttori? È previsto un collegamento cavo-cavo, cavo-terminale o terminale-terminale?
La geometria influisce in modo determinante sulla scelta del sonotrodo, dell’incudine e del dispositivo.
3. Individuare le finestre di processo
Sulla base di componenti reali vengono determinati i valori adeguati per ampiezza, forza, energia e tempo.
A tal proposito, non si dovrebbe considerare solo un singolo valore target. È fondamentale disporre di un intervallo di processo stabile, all’interno del quale la qualità di connessione richiesta venga raggiunta in modo riproducibile.
4. Verificare il collegamento e documentare il processo
A seconda dell'applicazione, possono essere necessarie, ad esempio, prove di trazione, misurazioni della resistenza elettrica, analisi metallografiche o altre prove specifiche richieste dal cliente.
Parallelamente, è possibile documentare i dati di processo per garantire la tracciabilità della produzione in serie.
Applicazioni tipiche della saldatura a ultrasuoni
La saldatura a ultrasuoni può essere utilizzata per diverse operazioni di collegamento elettrico, ad esempio:
- Collegamenti dei fasci di cavi e dei conduttori
- Collegamenti cavo-cavo
- Collegamenti cavo-terminale
- Collegamenti di conduttori intrecciati
- Collegamenti tramite sbarre collettrici e linguette
- Connessioni nel settore della mobilità elettrica
- Applicazioni nei sistemi a batteria
- Elettronica di potenza
- FPC e altri composti metallici
Proprio nel settore della mobilità elettrica e nelle applicazioni ad alta tensione, cresce l’importanza di collegamenti affidabili per sezioni trasversali dei conduttori di grandi dimensioni e diverse combinazioni di materiali.
L'idoneità tecnica concreta dipende tuttavia sempre dalla specifica applicazione.
Quale saldatrice a ultrasuoni per cavi è adatta alla mia applicazione?
Con la serie KS, Magntek offre diverse saldatrici a ultrasuoni per cavi, adatte a diverse sezioni dei conduttori e diverse soluzioni di giunzione.
KSK – per piccoli connettori e collegamenti terminali
Il sistema KSK è stato sviluppato per realizzare collegamenti precisi tra conduttori di piccola sezione e terminali. È adatto a conduttori in rame e alluminio, nonché a diversi tipi di terminali standard.
La sezione del conduttore in rame arriva fino a 25 mm². La macchina opera a 20 kHz e supporta la modalità a tempo e quella a energia. È possibile l'alimentazione manuale o automatizzata.
KSM – giunti compatti
Il sistema KSM è progettato per collegamenti via cavo compatti in settori quali l'elettronica, l'automotive e l'elettrotecnica.
A seconda dell'applicazione, sono possibili, tra l'altro, collegamenti rame-rame e rame-alluminio, nonché collegamenti tra fili singoli e cavi multifilari, conduttori intrecciati e conduttori stagnati.
KSS – per sezioni trasversali medie dei conduttori
La KSS è progettata per la saldatura in serie di fasci di cavi di sezione media e terminali.
Consente, tra l’altro, il collegamento di conduttori in rame e alluminio ai terminali, il collegamento di conduttori a treccia e il collegamento di linguette per sbarre collettrici. La sezione indicata per i conduttori in rame è compresa tra 16 e 70 mm². È possibile integrare sistemi automatici di alimentazione dei cavi e dei terminali.
KSG – per conduttori di grande sezione e cavi ad alta tensione
Il KSG è progettato per fasci di cavi di grande sezione e applicazioni ad alta tensione particolarmente esigenti.
Le possibili applicazioni comprendono collegamenti cavo-cavo, cavo-terminale e terminale-terminale, nonché saldature su ampie superfici di componenti in rame e alluminio. Magntek indica un intervallo compreso tra 95 e 120 mm² per i conduttori in rame e fino a 160 mm² per quelli in alluminio.
La serie KS soddisfa così diverse esigenze: dai piccoli collegamenti dei terminali fino ai conduttori ad alta tensione di grande sezione.
Non sapete quale macchina sia più adatta alla vostra applicazione?
Magntek può fornire assistenza nella scelta in base al materiale, alla sezione del conduttore, alla geometria del collegamento e ai requisiti di produzione.
Saldatrici a ultrasuoni per cavi Magntek
FAQ: Domande frequenti sulla saldatura a ultrasuoni dei cavi
È possibile saldare i cavi di rame con gli ultrasuoni?
Sì. Il rame è uno dei materiali più importanti per le applicazioni di saldatura a ultrasuoni dei metalli. A seconda della sezione trasversale del conduttore, della sua struttura e del tipo di collegamento, è possibile realizzare diverse geometrie di cavi e terminali.
È possibile saldare a ultrasuoni i cavi in alluminio?
Sì. L'alluminio può essere utilizzato per applicazioni di saldatura a ultrasuoni adeguate. I parametri di processo e gli utensili devono essere adattati al materiale, alla sezione trasversale e alla geometria.
È possibile unire tra loro il rame e l'alluminio?
Sì, alcuni composti di rame e alluminio possono essere realizzati mediante saldatura a ultrasuoni. A causa delle diverse proprietà dei materiali e dei requisiti di stabilità a lungo termine, ogni combinazione specifica di materiali dovrebbe essere convalidata separatamente.
Durante la saldatura a ultrasuoni si forma un bagno di fusione?
Nella saldatura a ultrasuoni dei metalli, i pezzi da unire non vengono completamente fusi. Il giunto si forma allo stato solido sotto l’azione di una forza definita e di vibrazioni meccaniche ultrasoniche.
Servono stagno per saldatura o fondente?
Per la saldatura a ultrasuoni vera e propria non sono in linea di principio necessari saldanti o fondenti aggiuntivi.
Quali sono i parametri importanti nella saldatura a ultrasuoni?
A seconda della macchina e dell’applicazione, possono risultare rilevanti in particolare la forza di saldatura, l’ampiezza, il tempo, l’energia, la potenza e la corsa. È fondamentale l’interazione di queste grandezze all’interno di un intervallo di processo adeguato.
La saldatura a ultrasuoni è adatta alla produzione in serie?
Sì. La saldatura a ultrasuoni può essere integrata in processi di produzione in serie automatizzati. A tal fine, è necessario coordinare tra loro macchina, utensile, parametri di processo, alimentazione, monitoraggio del processo e sistema di gestione della qualità.
Quali sezioni dei conduttori possono essere saldate?
La sezione trasversale possibile dipende dal materiale, dalla struttura del conduttore, dal collegamento e dalle specifiche del macchinario. La serie KS di Magntek copre diversi ambiti: dai conduttori di piccole dimensioni a quelli di grande sezione in rame e alluminio.
Conclusione: la saldatura a ultrasuoni come tecnologia di giunzione di precisione
La saldatura a ultrasuoni consente di realizzare giunzioni riproducibili tra conduttori elettrici applicando una forza definita e vibrazioni meccaniche ultrasoniche. Questo processo offre numerose possibilità, in particolare per i conduttori in rame e alluminio: dalle piccole connessioni dei terminali ai cavi di grande sezione e alle applicazioni ad alta tensione.
Tuttavia, per garantire un collegamento affidabile non è determinante solo il materiale. È necessario considerare nel loro insieme la sezione trasversale del conduttore, la struttura del conduttore, la geometria di giunzione, l’utensile, i parametri di processo e i requisiti di qualità.
Con la serie KS, Magntek offre diverse soluzioni per sezioni trasversali di conduttori di piccole, medie e grandi dimensioni. Dalla prima prova di saldatura, passando per lo sviluppo del processo, fino alla produzione in serie automatizzata, è possibile adattare la soluzione a ultrasuoni più adatta alla specifica applicazione.
State progettando un nuovo collegamento via cavo o desiderate convertire un'applicazione esistente alla saldatura a ultrasuoni?
Fonti e ulteriori informazioni
[1] Fraunhofer IWM: Informazioni sulle sfide tecniche relative ai composti di rame-alluminio, in particolare agli strati di ossido, alle fasi intermetalliche e ai diversi coefficienti di dilatazione termica.
[2] Fraunhofer IFAM: Studi sui giunti in alluminio-rame e sull’impiego della saldatura a ultrasuoni per i collegamenti elettrici.
[3] Fraunhofer ISE: Rapporto sul collegamento delle batterie – tra cui, tra l’altro, i materiali, gli strati di ossido e i requisiti relativi ai collegamenti elettrici nei sistemi di batterie.
[4] Magntek Electronics GmbH: Macchina per la saldatura a ultrasuoni di cavi – Panoramica dei prodotti e campi di applicazione della serie KS.
[5] Magntek Electronics GmbH: Saldatura a ultrasuoni dei cavi – Panoramica delle applicazioni e delle macchine.
[6] Magntek Electronics GmbH: Saldatrice a ultrasuoni per cavi KSK – dati tecnici e campo di applicazione.
[7] Magntek Electronics GmbH: Macchina per la saldatura a ultrasuoni di cavi KSS – dati tecnici e campo di applicazione.
[8] Magntek Electronics GmbH: Saldatrice a ultrasuoni per cavi KSG – dati tecnici e campo di applicazione.