Zgrzewanie ultradźwiękowe kabli – precyzyjne połączenia dla miedzi, aluminium i zastosowań wysokonapięciowych
Przewody elektryczne muszą być niezawodnie i w sposób powtarzalny łączone ze sobą w wiązkach kablowych, pojazdach, układach akumulatorowych oraz w wielu zastosowaniach przemysłowych. Wraz z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi wydajności elektrycznej, przestrzeni montażowej i bezpieczeństwa procesowego coraz większego znaczenia nabiera zgrzewanie ultradźwiękowe kabli.
W procesie metalowego zgrzewania ultradźwiękowego elementy przewodzące są łączone ze sobą przy zastosowaniu określonej siły i drgań mechanicznych o wysokiej częstotliwości. Proces ten odbywa się bez użycia lutu i topnika i umożliwia, w zależności od zastosowania, tworzenie połączeń między miedzią, aluminium i innymi odpowiednimi elementami metalowymi.
Metoda ta jest szczególnie interesująca w przypadku połączeń typu kabel-kabel, kabel-terminal oraz innych połączeń elektrycznych, w których wymagane jest uzyskanie powtarzalnego połączenia metalowego w ograniczonej przestrzeni montażowej.
Jak działa zgrzewanie ultradźwiękowe kabli?
Zgrzewanie ultradźwiękowe metali jest metodą łączenia w stanie stałym. Elementy, które mają zostać połączone, umieszcza się najpierw w przewidzianym położeniu między sonotrodą a kowadłem.
Następnie przyłożona zostaje określona siła. Jednocześnie sonotroda przenosi drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości na strefę łączenia.
W wyniku względnego ruchu elementów łączonych pod ciśnieniem powierzchnie w strefie połączenia ulegają aktywacji mechanicznej. Warstwy tlenku i zanieczyszczenia powierzchniowe mogą zostać w ten sposób rozbite lub wypchnięte, co umożliwia utworzenie się połączenia metalicznego.
W tym procesie elementy łączone nie ulegają całkowitemu stopieniu. Połączenie powstaje raczej w stanie stałym dzięki współdziałaniu nacisku, drgań, ruchu względnego oraz odpowiedniemu sterowaniu procesem.
To, jakie parametry są niezbędne do uzyskania stabilnego połączenia, zależy od materiału, przekroju przewodu, budowy przewodu, geometrii połączenia oraz konstrukcji narzędzia.
Proces w czterech krokach
1. Ustawienie drabiny
Najpierw przewody, które mają zostać połączone, ustawia się zgodnie z przewidzianą geometrią połączenia.
Precyzyjne i powtarzalne pozycjonowanie ma szczególne znaczenie zwłaszcza w zautomatyzowanych procesach produkcyjnych. Nawet niewielkie odchylenia w zakresie nakładania się elementów, położenia lub mocowania mogą wpływać na rzeczywistą powierzchnię połączenia.
2. Wywieranie siły spawalniczej
Elementy łączone są mocowane między elementami narzędzia z określoną siłą.
Wymagana siła nie jest taka sama dla każdego zastosowania. Zależy ona między innymi od materiału, przekroju przewodu, budowy przewodu, powierzchni łączenia oraz geometrii narzędzia.
3. Wywołanie drgań ultradźwiękowych
Podczas przyłożenia siły zgrzewania do strefy łączenia wprowadzane są mechaniczne drgania ultradźwiękowe.
W zależności od systemu spawania istotne dla sterowania procesem i monitorowania mogą być między innymi następujące parametry:
- Siła zgrzewania
- Amplituda
- Czas spawania
- Energia
- Wydajność
- Droga lub zagęszczenie
- Krzywe procesowe
Celem jest uzyskanie powtarzalnego stanu procesu, w którym powstaje wystarczające połączenie metaliczne bez niepotrzebnego obciążania przewodów.
4. Zakończenie procesu i ocena jakości
Po osiągnięciu określonych warunków procesowych drgania ultradźwiękowe zostają zatrzymane, a połączenie zostaje odciążone.
Nowoczesne systemy zgrzewania ultradźwiękowego mogą zapisywać dane zebrane podczas procesu i wykorzystywać je do monitorowania procesu. W zależności od koncepcji jakości można dodatkowo przeprowadzać badania mechaniczne, elektryczne lub metalograficzne.
Dzięki temu można systematycznie monitorować przebieg procesu od pierwszej próbki spawanej aż po produkcję seryjną.
Jakie materiały można zgrzewać ultradźwiękowo?
Zgrzewanie ultradźwiękowe stosuje się przede wszystkim w przypadku przewodów elektrycznych z miedzi i aluminium. W zależności od konstrukcji możliwe są różne układy przewodów, przekroje i kombinacje połączeń.
Miedź
Miedź charakteryzuje się bardzo dobrą przewodnością elektryczną, dlatego jest ważnym materiałem stosowanym w przewodach elektrycznych i wiązkach kablowych.
Zgrzewanie ultradźwiękowe można stosować na przykład w przypadku splotów, wiązek przewodów, kabli i odpowiednich końcówek. Decydujące znaczenie mają tu nie tylko materiał miedziany, ale także przekrój przewodu, budowa splotu, powierzchnia łączenia oraz geometria narzędzia.
Aluminium
Również aluminium nadaje się do niektórych zastosowań zgrzewania ultradźwiękowego.
Właśnie w przypadku aluminium naturalna warstwa tlenku odgrywa istotną rolę. Dlatego też proces musi być zaprojektowany w taki sposób, aby osiągnąć stabilny związek metaliczny w ramach przewidzianego zakresu procesowego.
W zależności od zastosowania drabinki aluminiowe można łączyć z innymi elementami aluminiowymi lub odpowiednimi zaciskami.
Łączenie miedzi i aluminium
Szczególne wymagania pojawiają się przy łączeniu różnych materiałów, takich jak miedź i aluminium.
Podczas opracowywania procesu należy uwzględnić zróżnicowane właściwości materiałów, warstwę tlenku aluminium oraz ewentualne tworzenie się faz międzymetalicznych. Instytut Fraunhofera IWM również opisuje te aspekty jako wyzwania techniczne związane ze spoinami Cu-Al.
Zgrzewanie ultradźwiękowe stanowi interesującą technologię łączenia w tego typu zastosowaniach. Jednak konkretną przydatność tej metody należy zawsze sprawdzić w oparciu o rzeczywiste materiały, geometrię i wymagania.
Dlaczego zgrzewanie ultradźwiękowe jest interesującym rozwiązaniem w przypadku połączeń kablowych?
Bez dodatkowych lutów ani topników
W tej metodzie do samego połączenia metalowego nie jest potrzebny ani lut, ani topnik. Dzięki temu proces ten można przeprowadzić bez stosowania dodatkowych materiałów łączących.
Niewielkie obciążenie termiczne
Ponieważ elementy łączone nie ulegają całkowitemu stopieniu, proces ten zasadniczo różni się od klasycznych procesów zgrzewania topliwego. Może to być szczególnie interesujące w przypadku przewodników elektrycznych i elementów wrażliwych na temperaturę.
Kompaktowe połączenie metalowe
Połączenie powstaje bezpośrednio w przewidzianej strefie łączenia. Dzięki temu można tworzyć kompaktowe połączenia elektryczne, na przykład w zastosowaniach typu „kabel–kabel” lub „kabel–zacisk”.
Nadaje się do różnych materiałów przewodzących
W zależności od konstrukcji maszyny i narzędzia można obrabiać przewody miedziane i aluminiowe, a także różne kombinacje połączeń.
Można monitorować dane procesowe
W przemysłowych systemach zgrzewania ultradźwiękowego można rejestrować i dokumentować istotne parametry procesu. Dzięki temu proces zgrzewania można zaprojektować w sposób zapewniający powtarzalność oraz monitorować go w ramach produkcji seryjnej.
Jakie czynniki decydują o jakości spawania?
Stabilne połączenie ultradźwiękowe nie wynika z jednego parametru. Decydujące znaczenie ma współdziałanie materiału, geometrii, narzędzia i sterowania procesem.
Do najważniejszych czynników wpływających na to należą:
- Materiał i kombinacja materiałów
- Przekrój przewodów
- Budowa drabiny i geometria splotów
- Powierzchnia łączenia
- Geometria sonotrod i kowadeł
- Siła zgrzewania
- Amplituda
- Czas spawania
- Energia lub moc
- Zagęszczenie i droga
- Monitorowanie procesu
- Koncepcja kontroli i jakości
Dlatego nie należy po prostu przenosić parametrów spawania z jednej istniejącej konstrukcji kablowej na inną.
W przypadku nowych kombinacji materiałów lub przekrojów warto najpierw określić odpowiednie okno procesowe na podstawie rzeczywistych elementów konstrukcyjnych, a następnie zweryfikować je za pomocą zdefiniowanych badań.
Od pierwszej próby spawania aż po produkcję seryjną
Skuteczne zastosowanie ultradźwięków nie zaczyna się dopiero od wyboru urządzenia. Najważniejsze jest przede wszystkim dokładne określenie przyszłego połączenia.
1. Określić materiał i geometrię przewodnika
Jakie materiały mają być połączone? Jaki jest przekrój przewodu? Czy są to przewody pojedyncze, linki, wiązki przewodów, przewody oplotowe czy końcówki?
2. Określenie geometrii wstawiania
W jaki sposób należy połączyć przewody? Czy przewiduje się połączenie typu „kabel-kabel”, „kabel-zacisk” czy „zacisk-zacisk”?
Geometria ma decydujący wpływ na dobór sonotrody, kowadła i osprzętu.
3. Określenie okna procesu
Na podstawie rzeczywistych elementów konstrukcyjnych określa się odpowiednie wartości amplitudy, siły, energii i czasu.
Nie należy przy tym brać pod uwagę tylko jednej wartości docelowej. Kluczowe znaczenie ma stabilny zakres procesu, w którym wymagana jakość połączenia jest osiągana w sposób powtarzalny.
4. Sprawdzić połączenie i udokumentować proces
W zależności od zastosowania konieczne mogą być na przykład próby rozciągania, pomiary oporu elektrycznego, badania metalograficzne lub inne badania dostosowane do wymagań klienta.
Równolegle można dokumentować dane procesowe, aby zapewnić identyfikowalność produkcji seryjnej.
Typowe zastosowania zgrzewania ultradźwiękowego
Zgrzewanie ultradźwiękowe może być stosowane do różnych zadań związanych z połączeniami elektrycznymi, na przykład:
- Połączenia wiązek przewodów i przewodów
- Połączenia typu „kabel-kabel”
- Połączenia typu „kabel–terminal”
- Połączenia przewodów plecionych
- Połączenia szyn zbiorczych i łączników
- Połączenia w elektromobilności
- Zastosowania w systemach akumulatorowych
- Elektronika mocy
- FPC i inne połączenia metalowe
Szczególnie w dziedzinie elektromobilności oraz w zastosowaniach wysokonapięciowych rośnie znaczenie niezawodnych połączeń dla przewodów o dużych przekrojach i różnych kombinacji materiałów.
Konkretna przydatność techniczna zależy jednak zawsze od konkretnego zastosowania.
Która ultradźwiękowa zgrzewarka kablowa najlepiej sprawdzi się w moim zastosowaniu?
W ramach serii KS firma Magntek oferuje różne ultradźwiękowe zgrzewarki kabli przeznaczone do różnych przekrojów przewodów i metod łączenia.
KSK – do małych przewodów i połączeń zaciskowych
KSK została opracowana z myślą o precyzyjnym łączeniu przewodów o małych przekrojach z końcówkami. Nadaje się do przewodów miedzianych i aluminiowych, a także do różnych standardowych typów końcówek.
Przekrój przewodu miedzianego wynosi do 25 mm². Maszyna pracuje z częstotliwością 20 kHz i obsługuje tryb czasowy oraz tryb energetyczny. Możliwe jest podawanie ręczne lub automatyczne.
KSM – kompaktowe połączenia
System KSM jest przeznaczony do tworzenia kompaktowych połączeń kablowych w takich branżach jak elektronika, motoryzacja i elektrotechnika.
W zależności od zastosowania możliwe są między innymi połączenia miedź-miedź i miedź-aluminium, a także połączenia między pojedynczymi żyłami a przewodami wielożyłowymi, przewodami oplotowymi oraz przewodami ocynkowanymi.
KSS – do przewodów o średnich przekrojach
Urządzenie KSS jest przeznaczone do seryjnego spawania wiązek kablowych o średnich przekrojach oraz złączy.
Umożliwia między innymi łączenie przewodów miedzianych i aluminiowych z zaciskami, połączenia przewodów oplotowych oraz łączniki szyn zbiorczych. Podany zakres dla przewodów miedzianych wynosi 16–70 mm². Możliwe jest zintegrowanie automatycznych systemów podawania kabli i zacisków.
KSG – do przewodów o dużych przekrojach i kabli wysokiego napięcia
KSG jest przeznaczony do wiązek kablowych o dużym przekroju oraz do wymagających zastosowań wysokonapięciowych.
Możliwe zastosowania obejmują połączenia typu kabel-kabel, kabel-zacisk oraz zacisk-zacisk, a także spawanie na dużych powierzchniach elementów miedzianych i aluminiowych. Magntek podaje zakres 95/120 mm² dla przewodów miedzianych i do 160 mm² dla przewodów aluminiowych.
W ten sposób seria KS spełnia różnorodne wymagania – od małych połączeń terminali po przewody wysokonapięciowe o dużym przekroju.
Nie są Państwo pewni, która maszyna będzie odpowiednia do Państwa zastosowania?
Firma Magntek może pomóc w doborze odpowiedniego rozwiązania, biorąc pod uwagę rodzaj materiału, przekrój przewodu, geometrię połączenia oraz wymagania produkcyjne.
Ultradźwiękowe zgrzewarki do kabli firmy Magntek
FAQ: Najczęściej zadawane pytania dotyczące zgrzewania ultradźwiękowego kabli
Czy można spawać kable miedziane za pomocą ultradźwięków?
Tak. Miedź należy do najważniejszych materiałów stosowanych w metalowych zastosowaniach zgrzewania ultradźwiękowego. W zależności od przekroju przewodu, jego budowy i rodzaju połączenia można uzyskać różne geometrie kabli i końcówek.
Czy można zgrzewać kable aluminiowe metodą ultradźwiękową?
Tak. Aluminium może być wykorzystywane w odpowiednich zastosowaniach zgrzewania ultradźwiękowego. Parametry procesu i narzędzia należy przy tym dostosować do materiału, przekroju i geometrii.
Czy można połączyć miedź z aluminium?
Tak, niektóre połączenia Cu-Al można wykonać za pomocą zgrzewania ultradźwiękowego. Ze względu na różne właściwości materiałów oraz wymagania dotyczące długotrwałej stabilności każda konkretna kombinacja materiałów powinna zostać zweryfikowana osobno.
Czy podczas zgrzewania ultradźwiękowego powstaje stop?
W przypadku metalowego zgrzewania ultradźwiękowego elementy łączone nie ulegają całkowitemu stopieniu. Połączenie powstaje w stanie stałym pod wpływem określonej siły i mechanicznych drgań ultradźwiękowych.
Czy potrzebny jest lut czy topnik?
Do samego połączenia ultradźwiękowego zasadniczo nie są potrzebne żadne dodatkowe lutowie ani topniki.
Jakie parametry mają znaczenie podczas zgrzewania ultradźwiękowego?
W zależności od maszyny i zastosowania istotne znaczenie mogą mieć w szczególności siła zgrzewania, amplituda, czas, energia, moc i przesunięcie. Decydujące znaczenie ma współdziałanie tych wielkości w ramach odpowiedniego zakresu procesowego.
Czy zgrzewanie ultradźwiękowe nadaje się do produkcji seryjnej?
Tak. Zgrzewanie ultradźwiękowe można zintegrować z zautomatyzowanymi procesami seryjnymi. W tym celu należy odpowiednio dopasować do siebie maszynę, narzędzie, parametry procesu, system podawania, monitorowanie procesu oraz koncepcję zapewnienia jakości.
Jakie przekroje przewodów można spawać?
Możliwy przekrój zależy od materiału, budowy przewodu, połączenia oraz konstrukcji maszyny. Seria Magntek KS obejmuje różne zakresy – od małych przewodów po przewody miedziane i aluminiowe o dużym przekroju.
Wniosek: Zgrzewanie ultradźwiękowe jako precyzyjna technologia łączenia
Zgrzewanie ultradźwiękowe umożliwia powtarzalne łączenie przewodów elektrycznych przy zastosowaniu określonej siły i mechanicznych drgań ultradźwiękowych. Metoda ta oferuje szerokie możliwości, zwłaszcza w przypadku przewodów miedzianych i aluminiowych – od małych połączeń zaciskowych po kable o dużym przekroju i zastosowania wysokonapięciowe.
Jednak o niezawodność połączenia decyduje nie tylko materiał. Należy łącznie uwzględnić przekrój przewodu, jego budowę, geometrię połączenia, narzędzie, parametry procesu oraz wymagania jakościowe.
W ramach serii KS firma Magntek oferuje różne koncepcje maszyn przeznaczone do małych, średnich i dużych przekrojów przewodów. Od pierwszej próbki zgrzewania, poprzez opracowanie procesu, aż po zautomatyzowaną produkcję seryjną – odpowiednie rozwiązanie ultradźwiękowe można dostosować do konkretnego zastosowania.
Planują Państwo nowe połączenie kablowe lub chcą Państwo przestawić istniejącą aplikację na zgrzewanie ultradźwiękowe?
Skontaktuj się z firmą Magntek
Źródła i dodatkowe informacje
[1] Fraunhofer IWM: Informacje dotyczące wyzwań technicznych związanych ze związkami miedzi i glinu, w szczególności warstwami tlenkowych, fazami międzymetalicznymi oraz różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej.
[2] Fraunhofer IFAM: Badania nad połączeniami aluminium-miedź oraz zastosowaniem zgrzewania ultradźwiękowego w tworzeniu połączeń elektrycznych.
[3] Fraunhofer ISE: Raport dotyczący połączeń akumulatorów – między innymi dotyczące materiałów, warstw tlenkowych oraz wymagań dotyczących połączeń elektrycznych w systemach akumulatorowych.
[4] Magntek Electronics GmbH: Ultradźwiękowa zgrzewarka do kabli – Przegląd produktów i obszary zastosowań serii KS.
[5] Magntek Electronics GmbH: Zgrzewanie ultradźwiękowe kabli – Przegląd zastosowań i maszyn.
[6] Magntek Electronics GmbH: Ultradźwiękowa zgrzewarka kabli KSK – dane techniczne i zakres zastosowania.
[7] Magntek Electronics GmbH: Ultradźwiękowa zgrzewarka kabli KSS – dane techniczne i zakres zastosowania.
[8] Magntek Electronics GmbH: Ultradźwiękowa zgrzewarka do kabli KSG – dane techniczne i zakres zastosowania.