Soudage par ultrasons ou soudage par résistance pour les assemblages de contacts électriques et les barres omnibus

Le soudage par ultrasons relie les métaux conducteurs par des vibrations mécaniques à haute fréquence-avec un chauffage global limité, tandis que le soudage par résistance génère une zone de fusion localisée grâce au courant électrique et à la résistance de contact. Pour les ensembles de contacts électriques et les jeux de barres, la sélection dépend de la combinaison de matériaux, de l'épaisseur de la section, de l'exposition thermique admissible, de la résistance au cisaillement requise et de la résistance électrique du joint fini.

 

La décision technique ne consiste pas simplement à déterminer quel procédé de soudage est le plus résistant. Le joint doit maintenir une faible résistance électrique, une résistance mécanique contrôlée, une liaison métallurgique stable, une précision dimensionnelle et une qualité de production reproductible après emboutissage et assemblage.

 

 

 

Liaison à basse-température pour les assemblages de contacts AgSnO₂-Cu

Le soudage par ultrasons est particulièrement applicable lorsque le contact électrique contient un alliage d'argent et que le substrat est en cuivre. Un assemblage de soudage par contact par ultrasons peut créer une liaison à l'état solide-sans que l'ensemble de l'interface du joint atteigne la température de fusion des matériaux de base.

 

Les applications typiques incluent :

Assemblages de contacts AgSnO₂-Cu nécessitant une exposition thermique limitée à l'alliage d'argent.
Connexions de fils tressés Cu-Cu où la déformation des brins doit rester contrôlée.
Feuilles de cuivre minces, piles de feuilles, bornes et conducteurs flexibles.
Connexions de batterie et de composants électroniques-d'alimentation où une chaleur excessive peut endommager l'isolation adjacente.
Ponts de contacts électriques nécessitant une résistance de contact constante après l'assemblage.

Le mécanisme de soudage combine une pression de serrage contrôlée avec des vibrations ultrasoniques. Les oxydes et contaminants de surface sont perturbés à l'interface, tandis que la déformation plastique localisée augmente la zone de contact métallique réelle.

Pour la qualification de la production, les variables critiques ne se limitent pas à la fréquence ultrasonore. L'amplitude de soudage, la force de soudage, l'énergie, le temps de cycle, la dureté du matériau, la zone de chevauchement et l'état de surface doivent être contrôlés comme une fenêtre de processus.

 

AgSnO₂-Variables communes en cuivre

Variable	Considération technique	Objectif qualité typique
Matériau de contact AgSnO₂	Alliage de contact électrique en oxyde d'argent-étain-	Éviter une dégradation thermique excessive
Substrat de cuivre	C1100 / cuivre à haute-conductivité	Maintenir la conductivité et la stabilité dimensionnelle
Épaisseur des joints	Structures-en feuilles minces et en couches	Prévenir les déformations excessives
Force de soudure	Détermine la pression d'interface	Collage stable sans écrasement
Amplitude ultrasonique	Contrôle le frottement et la déformation de l’interface	Évitez de trop-souder
Énergie de soudage	En corrélation avec la cohérence de la liaison	Établir une fenêtre de processus via le DOE
Résistance électrique	Indique la-qualité actuelle du chemin	Vérification de la résistance basée sur 100 % ou sur un échantillonnage-
Force de cisaillement	Indique l’intégrité mécanique	Corréler les données de tests destructifs avec les paramètres de soudure

 

 

 

Le soudage par résistance utilise le courant électrique traversant les pièces pour générer un chauffage Joule localisé. La chaleur générée à l’interface est approximativement liée à :

 

Q=I²Rt

 

où I est le courant de soudage, R est la résistance électrique et t est la durée du courant.

Cela rend la force de l'électrode, le courant, le temps de soudage, la résistance du matériau et la géométrie du contact directement pertinents pour la formation de la soudure.

Pour les composants emboutis plus épais, le soudage par points par résistance peut générer une zone de fusion définie avec une pénétration plus importante que de nombreux processus d'assemblage à l'état solide. Cela le rend adapté au soudage par points par résistance des contacts en cuivre, des ponts électriques estampés, des bornes et des composants conducteurs multicouches.

 

Soudage par résistance des composants en cuivre C1100

Le cuivre présente un défi spécifique en matière de soudage par résistance-car sa résistivité électrique est faible et sa conductivité thermique est élevée. Un courant important peut donc être nécessaire pour générer suffisamment de chaleur localisée.

 

L'ingénierie de production se concentre normalement sur :

Géométrie de l'électrode et zone de contact.
Stabilité de la force de l’électrode.
Répétabilité du courant de soudage-.
Caractéristiques actuelles de hausse et de baisse.
Épaisseur de la feuille et empilement-.
Oxydation et contamination des surfaces.
Usure des électrodes.
Diamètre et pénétration de la pépite.
Résistance électrique après-soudage.
Tests destructifs de cisaillement ou de pelage.

 

Un pont de contact soudé par résistance-ne doit pas être qualifié uniquement par une inspection visuelle. La formation de pépites, la résistance mécanique, la résistance électrique et le mode de défaillance doivent être corrélés à la fenêtre du processus de soudage.

 

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Matériaux de contact en cuivre C1100 et AgSnO₂

La combinaison de matériaux détermine si l'apport thermique ou la déformation mécanique est la contrainte d'ingénierie dominante.

 

Paramètre	Soudage par ultrasons	Soudage par résistance
Mécanisme de liaison primaire	Liaison mécanique-à l'état solide	Chauffage localisé généré par une résistance-
Fusion de matériaux en vrac	Normalement évité	Zone de fusion généralement formée
Zone affectée par la chaleur-	Relativement limité	Température maximale plus localisée mais plus élevée
Feuilles de cuivre minces	Très approprié	Adapté avec des paramètres optimisés
Tresse de cuivre	Très approprié	Plus difficile pour les structures-à brins fins
Cuivre estampé épais	Dépend de l'application-	Bien adapté
Contact AgSnO₂	Convient là où l'exposition thermique doit être limitée	Possible avec apport de chaleur contrôlé
Pépite de soudure	Ce n'est pas la principale fonctionnalité de qualification	Caractéristique de qualité de la soudure primaire-
Exigence d'électrode	Système corne/enclume	Électrodes requises
Usure des électrodes	L'usure des outils dépend du matériau et de l'amplitude	Variable de production importante
Validation typique	Cisaillement + résistance électrique + métallographie	Nugget + cisaillement/pelage + résistance électrique
Optimisation des processus	Force + amplitude + énergie + temps	Courant + force + temps + géométrie de l'électrode

 

Cuivre-à-fil tressé en cuivre

La tresse de cuivre présente un problème d’assemblage différent de celui de la tôle emboutie. Les brins individuels ont de petites sections transversales-et des couches d'oxyde, tandis qu'un apport thermique excessif peut provoquer un recuit local ou une déformation indésirable.

Le soudage par ultrasons peut consolider plusieurs brins de cuivre contre une borne en cuivre tout en conservant une région affectée thermiquement-relativement compacte.

 

L’objectif de l’ingénierie est d’atteindre :

Faible résistance électrique + résistance à la traction/cisaillement suffisante + consolidation contrôlée des brins.

Une spécification de production doit donc définir la résistance électrique et le mode de défaillance mécanique acceptables plutôt que de se fier uniquement à l'apparence de la soudure.

 

 

Une connexion électrique soudée a deux fonctions indépendantes :

Transportez du courant avec une perte électrique contrôlée.
Survivez aux charges mécaniques pendant l’assemblage et l’entretien.

Un joint peut avoir une résistance mécanique acceptable tout en présentant une résistance électrique excessive. À l’inverse, un joint à faible-résistance peut avoir une résistance mécanique insuffisante.

 

Mesure de résistance électrique

La mesure Kelvin à quatre -fils est préférable lorsque la résistance cible est suffisamment faible pour que la résistance du fil et du contact puisse autrement affecter la mesure.

Le système de test doit contrôler :

Testez le courant.
Position de la sonde.
Sens de mesure.
Pression de contact.
Température.
Temps de stabilisation.
Fréquence d'échantillonnage.

Pour les connexions en cuivre à courant élevé-, la valeur de résistance doit être corrélée à la géométrie du conducteur et à la zone de transport de courant efficace- plutôt qu'à être interprétée comme un nombre isolé.

 

Essais de cisaillement et de traction

La validation mécanique peut inclure :

Test de cisaillement-par recouvrement.
Réalisez-des tests.
Test de pelage pour les structures en couches.
Essais de traction des bornes.
Analyse transversale destructive-.

Le mode de défaillance fournit des informations supplémentaires. Une fracture à travers le matériau parent indique une condition de processus différente d'une séparation interfaciale.

 

 

 

Contrôles de processus IATF 16949 pour les contacts soudés

Pour les composants de contact électrique automobile, le soudage doit être traité comme un processus spécial contrôlé plutôt que comme une opération d’assemblage isolée.

Un plan de contrôle de production peut inclure :

Vérification du matériel entrant.
Contrôle dimensionnel sur MMT.
Surveillance du processus d'estampage-.
Surveillance des paramètres de soudure.
Vérifications de l’état des électrodes ou du klaxon.
Test de résistance électrique.
Validation de la force de cisaillement-.
Contrôle métallographique.
Traçabilité par lot ou lot de production.
MSA et jauge R&R.
SPC pour les dimensions critiques et les caractéristiques de soudure.

Pour la soumission PPAP niveau 3, le fournisseur devra peut-être établir une relation documentée entre DFMEA → PFMEA → Plan de contrôle → Instructions de travail → dossiers d'inspection → études de capacité → résultats de validation.

 

Inspection sur MMT et contrôle dimensionnel de ±0,01 mm

L'assemblage soudé doit conserver une compatibilité dimensionnelle avec le contacteur, le relais, le fusible, l'appareillage de commutation ou le jeu de barres en aval.

En fonction de la géométrie du produit, les dimensions critiques peuvent inclure :

Position du centre de contact-.
Diamètre du trou.
Planéité des bornes.
Emplacement de soudure.
Hauteur des contacts.
Angle de pliage.
Longueur totale.
Épaisseur de la feuille de cuivre.

Pour les composants estampés avec précision, les dimensions sélectionnées peuvent être contrôlées à ± 0,01 mm, sous réserve du dessin réel du produit et de l'empilement des tolérances fonctionnelles-.

 

 

Un fournisseur de ponts de contact soudés doit être évalué par rapport à l’ensemble de la chaîne de fabrication plutôt que par rapport à la seule capacité de soudage.

 

Article de qualification	Vérification recommandée
Matière première	Certificat de matériau et vérification de la composition
Estampillage	Enregistrements de processus d'inspection dimensionnelle et d'outils-
Soudage	Fenêtre de paramétrage et validation du processus
Performances électriques	Mesure de faible-résistance
Performances mécaniques	Essais de cisaillement / traction / pelage
Métallurgie	Coupe transversale-et inspection microscopique
Précision dimensionnelle	Contrôle MMT
Traçabilité	Enregistrements de production au niveau du lot-
Qualité automobile	Système IATF 16949
Dossier de soumission	Capacité PPAP niveau 3
Conformité environnementale	Documentation RoHS/REACH
Capacité du processus	SPC / Cp / Cpk là où spécifié

 

Un fournisseur capable d’emboutir mais incapable de corréler les paramètres de soudure avec la résistance et les résultats mécaniques crée un travail de qualification supplémentaire pour l’acheteur. Le modèle d'approvisionnement préféré est celui dans lequel l'estampillage, l'assemblage, l'inspection, la traçabilité et la documentation PPAP sont gérés au sein d'un seul système de fabrication contrôlé.

 

 

Soudage par ultrasons : cuivre fin, tresse et faible exposition thermique

Sélectionnez le soudage par ultrasons lorsque la conception l’exige :

Consolidation de tresses de cuivre.
Feuilles conductrices fines.
Chauffage en vrac limité.
Jonction à l'état solide-.
AgSnO₂-à-contact en cuivre joignant.
Zones de connexion électrique compactes.
Déformation contrôlée des matériaux conducteurs fins.

Soudage par résistance : composants emboutis épais et pépites de soudure définies

Sélectionnez le soudage par résistance lorsque la conception nécessite :

Composants en cuivre estampé épais.
Apport de chaleur localisé élevé.
Pépites de fusion définies.
Débit de production élevé.
Positionnement répétable des électrodes.
Assemblage structurel de ponts de contact emboutis.

La décision finale en matière de processus doit être basée sur l'empilement des matériaux-, l'épaisseur, la géométrie des joints, la résistance électrique cible, les-charges mécaniques requises, la sensibilité thermique et le volume de production.

 

Télécharger Contact Spécification de conception d'assemblage

 

 

Un ensemble de contacts électriques qualifié doit disposer de trois formes de preuve complémentaires.

 

Validation électrique

Mesurez le chemin de courant terminé et établissez la plage de résistance acceptable dans des conditions de test définies.

Pour les joints en cuivre à faible-résistance, la méthode de mesure elle-même fait partie de la spécification.

 

Validation mécanique

Les essais de cisaillement ou de traction déterminent si le joint peut résister aux forces d'assemblage, aux vibrations, aux cycles thermiques et aux charges de service.

Le critère d'acceptation doit spécifier à la fois la force minimale et le mode de rupture acceptable.

 

Validation métallographique

L'analyse transversale-peut identifier :

Liaison incomplète.
Des vides.
Des fissures.
Déformation excessive.
Pénétration insuffisante de la soudure.
Régions affectées par une chaleur excessive-.
Géométrie irrégulière des pépites.

 

 

 

Avant de commercialiser un ensemble de contacts soudés pour la production en série, le dessin technique et les spécifications du fournisseur doivent définir :

 

Matériau : C1100, C2680, AgSnO₂ ou alliage d'argent spécifié.
Épaisseur du matériau : épaisseur réelle de la feuille ou du conducteur.
Configuration des joints : recouvrement, bout à bout, chevauchement, tresse-vers-terminal ou contact-vers-support.
Procédé de soudage : Soudage par ultrasons ou par résistance.
Exigence électrique : Résistance de joint maximale admissible.
Exigence mécanique : Force minimale de cisaillement ou de traction.
Exigence dimensionnelle : dimensions et tolérances critiques, telles que ±0,01 mm, le cas échéant.
État de la surface : exigences en matière de placage, d’oxydation, de contamination et de nettoyage.
Méthode d'inspection : mesure de résistance Kelvin, CMM, métallographie et essais destructifs.
Système qualité : IATF 16949 où les exigences en matière d'approvisionnement automobile s'appliquent.
Soumission : PPAP niveau 3 lorsque spécifié par le client.
Conformité environnementale : exigences RoHS et REACH.

 

 

Quelle est la documentation PPAP type 3 requise pourassemblages de contacts soudés?

Le PPAP niveau 3 requiert normalement les enregistrements de conception applicables, le flux de processus, la PFMEA, le plan de contrôle, les résultats dimensionnels, les résultats des tests de matériaux et de performances, les preuves MSA, les données de capacité de processus, les échantillons de pièces et le PSW, sous réserve des exigences de soumission spécifiques du client.

 

Comment choisir le soudage par ultrasons pour la tresse de cuivre au lieu du soudage par résistance ?

Le soudage par ultrasons est généralement envisagé lorsque la tresse de cuivre nécessite une consolidation des brins avec un chauffage en vrac limité. Le soudage par résistance est plus adapté lorsque le joint nécessite une zone de fusion définie dans des composants emboutis plus épais.

 

Comment tester la résistance électrique sur un contact en cuivre soudé ?

Une méthode de mesure Kelvin à quatre -fils est couramment utilisée pour les joints à faible-résistance. Les spécifications du test doivent définir le courant, l'emplacement de la sonde, la température, les conditions de stabilisation, la fréquence d'échantillonnage et la résistance de joint maximale autorisée.