Difference between revisions of "Bestückung von Einzelkontakten"

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(Abbrennstumpfschweißen (Perkussionsschweißen))
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Das Einpressen von Drahtabschnitten lässt sich besonders gut in ein Stanz-
 
Das Einpressen von Drahtabschnitten lässt sich besonders gut in ein Stanz-
Biege-Werkzeug integrieren (<xr id="fig:Direct_press_insertion_of_wire_segments"/><!--(Fig. 3.7)-->). Dem im Vergleich zu plattierten Kontaktnieten
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Biege-Werkzeug integrieren <xr id="fig:Direct_press_insertion_of_wire_segments"/><!--(Fig. 3.7)-->. Dem im Vergleich zu plattierten Kontaktnieten
 
höheren Edelmetallverbrauch steht dabei eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit
 
höheren Edelmetallverbrauch steht dabei eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit
 
gegenüber, die dieses Verfahren bei silberhaltigen Kontakten
 
gegenüber, die dieses Verfahren bei silberhaltigen Kontakten
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<figure id="fig:Direct_press_insertion_of_wire_segments">
 
<figure id="fig:Direct_press_insertion_of_wire_segments">
[[File:Direct press-insertion of wire segments.jpg|right|thumb|Figure 1: Direktes Einpressen von Drahtabschnitten]]
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[[File:Direct press-insertion of wire segments.jpg|right|thumb|Direktes Einpressen von Drahtabschnitten]]
 
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in reduzierender Atmosphäre in reinem Wasserstoff (H<sub>2</sub>) oder
 
in reduzierender Atmosphäre in reinem Wasserstoff (H<sub>2</sub>) oder
 
Ammoniakspaltgas (H<sub>2</sub>,N<sub>2</sub>).
 
Ammoniakspaltgas (H<sub>2</sub>,N<sub>2</sub>).
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A vacuum is a very efficient protective environment for brazing but using vacuum furnaces is more complicated and rather inefficient. Therefore this process is only used for materials and assemblies that are sensitive to oxygen, nitrogen, or hydrogen impurities. Not suitable for vacuum brazing are materials which contain components with a high vapor pressure.
  
 
Das Vakuum ist ein sehr wirkungsvolles „Schutzgas“. Da das Vakuumlöten
 
Das Vakuum ist ein sehr wirkungsvolles „Schutzgas“. Da das Vakuumlöten
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Bei diesem Lötvorgang dient die Widerstandserwärmung unter Stromfluss als
 
Bei diesem Lötvorgang dient die Widerstandserwärmung unter Stromfluss als
 
Energiequelle. In der Kontakttechnik werden für das Widerstandslöten zwei
 
Energiequelle. In der Kontakttechnik werden für das Widerstandslöten zwei
Verfahrensvarianten angewandt (<xr id="fig:Resistance brazing (schematic)"/><!--(Fig. 3.8)-->).
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Verfahrensvarianten angewandt <xr id="fig:Resistance brazing (schematic)"/><!--(Fig. 3.8)-->.
 
<figure id="fig:Resistance brazing (schematic)">
 
<figure id="fig:Resistance brazing (schematic)">
[[File:Resistance brazing (schematic).jpg|right|thumb|Figure 2: Widerstandslöten (schematisch)]]
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[[File:Resistance brazing (schematic).jpg|right|thumb|Widerstandslöten (schematisch)]]
 
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*Beispiele für gelötete Kontaktteile (<xr id="fig:Examples of brazed contact assemblies"/>)
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*Beispiele für gelötete Kontaktteile <xr id="fig:Examples of brazed contact assemblies"/>
 
<figure id="fig:Examples of brazed contact assemblies">
 
<figure id="fig:Examples of brazed contact assemblies">
[[File:Examples of brazed contact assemblies.jpg|right|thumb|Figure 3: Beispiele für gelötete Kontaktteile]]
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[[File:Examples of brazed contact assemblies.jpg|right|thumb|Beispiele für gelötete Kontaktteile]]
 
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</figure>
*Kontaktwerkstoffe <br />Ag, Ag-Legierungen., Ag/Ni, Ag/SnO<sub>2</sub>, Ag/ZnO und Ag/C mit lötbarer Unterseite, Refraktäre Werkstoffe auf W -, WC- und Mo-Basis<br />
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*Kontaktwerkstoffe <br />Ag, Ag-Alloys., Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO<sub>2</sub> (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO) and Ag/C (GRAPHOR D) mit lötbarer Unterseite, Refraktäre Werkstoffe auf W -, WC- und Mo-Basis<br />
  
 
*Lote <br />L-Ag 15P, L-Ag 55Sn u.a.<br />
 
*Lote <br />L-Ag 15P, L-Ag 55Sn u.a.<br />
  
*Trägerwerkstoffe <br />Cu, Cu-Legierungen u.a.<br />
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*Trägerwerkstoffe <br />Cu, Cu-Alloys. u.a.<br />
  
 
*Abmessungen <br />Lötfläche > 10 mm²<br />
 
*Abmessungen <br />Lötfläche > 10 mm²<br />
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===Schweißverfahren===
 
===Schweißverfahren===
 
Für das Schweißen als Verbindungsverfahren sprechen sowohl technische als
 
Für das Schweißen als Verbindungsverfahren sprechen sowohl technische als
auch wirtschaftliche Gesichtspunkte (<xr id="fig:Examples of Wire Welding"/>). Aufgrund der kurzzeitigen Wärmeeinwirkung
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auch wirtschaftliche Gesichtspunkte. Aufgrund der kurzzeitigen Wärmeeinwirkung
 
bleibt bei allen Schweißverfahren die Ausgangshärte der Trägerteile bis
 
bleibt bei allen Schweißverfahren die Ausgangshärte der Trägerteile bis
 
auf den unmittelbar thermisch beanspruchten Bereich erhalten. Unter den
 
auf den unmittelbar thermisch beanspruchten Bereich erhalten. Unter den
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eine Vorrangstellung ein.
 
eine Vorrangstellung ein.
  
Im Zuge der Miniaturisierung elektromechanischer Bauelemente z.B. Relais hat
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Because of miniaturization of electromechanical components laser welding has gained some application more recently. Friction welding is mainly used for bonding see [[Applications for Bonding Technologies|Applications for Bonding Technologies.]] Other welding methods such as ball (spheres) welding and ultrasonic welding are today used in only limited volume and therefore not covered in detail here.
das Laserschweißen eine gewisse Bedeutung erreicht. Das Reibschweißen hauptsächlich zur Herstellung von Bondverbindungen (Kap. 9 [[Anwendungen_in_der_Aufbau_und_Verbindungstechnik|Anwendungen in der Aufbau und Verbindungstechnik]]). Weitere
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Special methods such as electron beam welding and cast-on attachment of contact materials to carrier components are mainly used for contact assemblies for medium and high voltage switchgear.
Verbindungsverfahren, wie das Kugel- und Ultraschallschweißen finden z.Z. nur
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begrenzt Anwendung und werden daher hier nicht näher beschrieben.
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====Resistance Welding====
Spezielle Verbindungsverfahren, wie das Elektronenstrahlschweißen und das
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Resistance welding is the process of electrically joining work pieces by creating the required welding energy through current flow directly through the components without additional intermediate materials. For contact applications the most frequently used method is that of projection welding. Differently shaped weld projections are used on one of the two components to be joined (usually the contact). They reduce the area in which the two touch creating a high electrical resistance and high current density which heats the constriction area to the melting point of the projections. Simultaneously exerted pressure from the electrodes further spreads out the liquefied metal over the weld joints area. The welding current and electrode force are controlling parameters for the resulting weld joint quality. The electrodes themselves are carefully designed and selected for material composition to best suit the weld requirements.
Angießen, werden häufig eingesetzt bei Kontaktteilen für Schaltgeräte der
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Mittel- und Hochspannungstechnik.
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The waveform of the weld current has a significant influence on the weld quality. Besides 50 or 60 Hz AC current with phase angle control, also DC (6-phase from 3-phase rectified AC) and medium frequency (MF) weld generators are used for contact welding. In the latter the regular AC supply voltage is first rectified and then supplied back through a controlled DC/AC inverter as pulsed DC fed to a weld transformer. Medium frequency welding equipment usually works at frequencies between 1kHz to 10kHz. The critical parameters of current, voltage, and weld energy are electronically monitored and allow through closed loop controls to monitor and adjust the weld quality continuously. The very short welding times needed with these MF welding machines result in very limited thermal stresses on the base material and also allow the reliable joining of otherwise difficult material combinations.
  
*Beispiele für geschweißte Kontaktteile (<xr id="fig:Examples of Wire Welding"/>)
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===== Vertical Wire Welding=====
<figure id="fig:Examples of Wire Welding">
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During vertical wire welding the contact material is vertically fed in wire form through a clamp which at the same time acts as one of the weld electrodes <xr id="fig:Vertical wire welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.9)-->.
[[File:Examples of Wire Welding.jpg|right|thumb|Figure 4: Beispiele für geschweißte Kontaktteile]]
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<figure id="fig:Vertical wire welding (schematic)">
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[[File:Vertical wire welding (schematic).jpg|right|thumb|Vertical wire welding (schematic)]]
 
</figure>
 
</figure>
  
====Widerstandsschweißen====
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With one or more weld pulses the roof shaped wire end – from the previous cut-off operation – is welded to the base material strip while exerting pressure by the clamp-electrode. Under optimum weld conditions the welded area can reach up to 120% of the original cross-sectional area of the contact wire. After welding the wire is cut off by wedge shaped knives forming again a roof shaped weld projection. The welded wire segment is subsequently formed into the desired contact shape by stamping or orbital forming. This welding process can easily be integrated into automated production lines. The contact material must however be directly weldable, meaning that it cannot contain graphite or metal oxides.
Unter Widerstandsschweißen versteht man ein elektrisches Schweißverfahren,
 
bei dem die erforderliche Schweißwärme durch Stromfluss ohne Zusatzwerkstoffe
 
in den zu verbindenden Werkstücken selbst erzeugt wird. In der Kontakttechnik
 
wird meist das Prinzip des Buckelschweißens angewandt. Die
 
Konzentration des Schweißstromes wird dabei über unterschiedlich geformte
 
Buckel an einem der zu verbindenden Werkstücke vorgegeben. Diese Schweißbuckel
 
verringern die Berührungsfläche und erhöhen den elektrischen Widerstand
 
in der Kontaktenge. Infolge der erhöhten Stromdichte schmelzen die
 
Schweißbuckel (Schweißwarzen) teilweise oder vollständig auf, wobei die
 
Werkstücke gleichzeitig durch Einwirkung der Elektrodenkraft zusammengepresst
 
werden. Schweißstrom und Elektrodenkraft werden über die Schweißelektroden
 
übertragen, deren Werkstoffzusammensetzung und geometrische
 
Form der jeweiligen Schweißaufgabe angepasst sind.
 
  
Einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der Schweißverbindung hat die
+
===== Horizontal Wire or Profile Welding=====
Form des Schweißstromes. Neben 50Hz-Wechselstrom mit Phasenanschnittssteuerung
+
During horizontal welding the wire or profile contact material is fed at a shallow angle to the carrier strip material <xr id="fig:Horizontal profile cut-off welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.10)-->.  
kommen Gleichstromanlagen mit 6-phasigem Gleichstrom aus
+
<figure id="fig:Horizontal profile cut-off welding (schematic)">
Dreiphasengleichrichtung und neuerdings vor allem Mittelfrequenzschweißanlagen
+
[[File:Horizontal profile cut-off welding (schematic).jpg|right|thumb|Horizontal profile cut-off welding (schematic)]]
zum Einsatz. Bei letzteren wird die Netzspannung zunächst gleichgerichtet
 
und über einen geregelten Wechselrichter in Verbindung mit einem
 
Schweißtransformator als getaktete Gleichspannung bereitgestellt.
 
Mittelfrequenzschweißanlagen arbeiten meist mit Taktfrequenzen von 1kHz bis
 
10kHz. Die für die Qualität der Schweißverbindung maßgeblichen Parameter,
 
wie Strom, Spannung und Leistung werden mit Messaufnehmern erfasst und im
 
Bedarfsfall nachgeregelt. Die mit Mittelfrequenzschweißanlagen erreichbaren
 
sehr kurzen Schweißzeiten führen im Vergleich zu anderen Schweißanlagen zu
 
einer deutlich geringeren thermischen Beanspruchung der Werkstücke. Auch
 
kritische Materialkombinationen lassen sich so prozesssicher beherrschen.
 
 
 
=====Vertikal-Drahtaufschweißen=====
 
Beim Vertikal-Drahtaufschweißen wird der Kontaktwerkstoff in Drahtform in einer
 
Spannzange, die gleichzeitig als Schweißelektrode dient, vertikal zugeführt
 
(<xr id="fig:Vertical wire welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.9)-->).  
 
<figure id="fig:Vertical wire welding (schematic)">
 
[[File:Vertical wire welding (schematic).jpg|right|thumb|Figure 5: Vertikal-Drahtaufschweißen (schematisch)]]
 
 
</figure>
 
</figure>
 +
The cut-off from the wire or profile is performed either directly by the electrode or in a separate cutting station. This horizontal feeding is suitable for welding single or multiple layer weld profiles. The profile construction allows to custom tailor the contact layer shape and thickness to the electrical load and required number of electrical switching operations. By choosing a two-layer contact configuration multiple switching duty ranges can be satisfied. The following triple-layer profile is a good example for such a development: The top 5.0 μm AuAg8 layer is suitable to switch dry circuit electronic signals, the second or middle layer of 100 μm Ag/Ni 90/10 is used to switch relative high electrical loads and the bottom layer consists of an easily weldable alloy such as CuNi44 or CuNi9Sn2. The configuration of the bottom weld projections, i.e. size, shape, and number of welding nibs or weld rails are critically important for the final weld quality.
  
Durch einen oder mehrere Stromimpulse wird der dachförmig angeschnittene
+
Because of high production speeds (approx. 700 welds per min) and the possibility to closely match the amount of precious contact material to the
Draht unter Wirkung der Elektrodenkraft auf den Trägerwerkstoff
+
required need for specific switching applications, this joining process has gained great economical importance.
aufgeschweißt. Die verschweißte Fläche kann unter optimalen Schweißbedingungen bis 120 %
 
der ursprünglichen Drahtabschnittsfläche betragen. Nach Beendigung des
 
Schweißvorgangs trennen keilförmige Schermesser den Draht abfalllos ab. Die
 
Schermesser sind so ausgebildet, dass das Drahtende wiederum eine dachförmige,
 
schweißgerechte Stirnfläche für die nachfolgende Schweißung erhält.
 
Der geschweißte Drahtabschnitt wird in nachfolgenden Arbeitsschritten durch
 
Prägen oder Taumeln in die gewünschte Form gebracht. Dieses Schweißverfahren
 
lässt sich vorteilhaft in automatisierte Fertigungsprozesse für
 
Kontaktteile integrieren. Voraussetzung ist allerdings, dass der verwendete
 
Kontaktwerkstoff in Drahtform fertigbar und direkt schweißbar ist, d.h. keine
 
metalloxid- oder grafithaltigen Bestandteile enthält.
 
  
*Kontaktwerkstoffe <br />Ag, Ag-Leg., Au- und Pd-Leg. und Ag/Ni<br />
+
=====Tip Welding=====
 +
Contact tips or formed contact parts produced by processes as described in [[Manufacturing of Single Contact Parts#Contact Tips|Contact Tips ]] are mainly attached by tip welding to their respective contact supports. In this process smaller contact parts such as Ag/C or Ag/W tips with good weldable backings are welded directly to the carrier parts. To improve the welding process and quality the bottom side of these tips may have serrations (Ag/C) or shaped projections (Ag/W). These welding aids can also be formed on the carrier parts. Larger contact tips usually have an additional brazing alloy layer bonded to the bottom weld surface.
  
*Trägerwerkstoffe <br />Cu, Cu-Leg., Cu plattiertes Fe u.a.<br />
+
Tip welding is also used for the attachment of weld buttons (see [[Manufacturing of Single Contact Parts#Weld Buttons|Weld Buttons]]). The welding is performed mostly semi or fully automated with the buttons oriented a specific way and fed into a welding station by suitably designed feeding mechanisms.
  
*Abmessungen (<xr id="fig:Vertical Wire Welding Dimensions"/>)
+
==== Percussion Welding====
<figure id="fig:Vertical Wire Welding Dimensions">  
+
This process of high current arc discharge welding required the contact material and carrier to have two flat surfaces with one having a protruding nib. This nib acts as the igniter point for the high current arc <xr id="fig:Percussion welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.11)-->.
[[File:Vertical Wire Welding Dimensions.jpg|right|thumb|Figure 6: Abmessungen]]
+
<figure id="fig:Percussion welding (schematic)">
 +
[[File:Percussion welding (schematic).jpg|right|thumb|Percussion welding (schematic)]]
 
</figure>
 
</figure>
Funktionsrelevante Qualitätsmerkmale, wie verschweißter Flächenanteil oder Abscherkraft, werden üblicherweise zwischen Hersteller und Anwender vereinbart und in Liefervorschriften festgelegt.
+
The electric arc produces a molten layer of metallic material in the interface zone of the contact tip and carrier. Immediately afterwards the two components are pushed together with substantial impact and speed causing the liquid metal to form a strong joint across the whole interface area.
 +
Because of the very short duration of the whole melt and bonding process the two components, contact tip and carrier, retain their mechanical hardness and strength almost completely except for the immediate thin joint area. The unavoidable weld splatter around the periphery of the joint must be mechanically removed in a secondary operation. The percussion welding process is mainly applied in the production of rod assemblies for high voltage switchgear.
  
=====Horizontal- Draht- und Profilabschnittschweißen=====
+
====Laser Welding====
Beim Horizontal- Draht- und Profilabschnittschweißen wird der Kontaktwerkstoff
+
This contact attachment process is also one of the liquid phase welding methods. Solid phase lasers are predominantly used for welding and brazing.
als Draht oder Profil horizontal dem Trägerband zugeführt (<xr id="fig:Horizontal profile cut-off welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.10)-->).
+
The exact guiding and focusing of the laser beam from the source to the joint location is most important to ensure the most efficient energy absorption in the joint where the light energy is converted to heat. Advantages of the method are the touch-less energy transport which avoids any possible contamination of contact surfaces, the very well defined weld effected zone, the exact positioning of the weld spot and the precise control of weld energy.
<figure id="fig:Horizontal profile cut-off welding (schematic)">
 
[[File:Horizontal profile cut-off welding (schematic).jpg|right|thumb|Figure 7: Horizontal-Profilabschnittschweißen (schematisch)]]
 
</figure>
 
Das Abschneiden des Kontaktdrahtes oder -profils erfolgt entweder direkt mit
 
der Schweißelektrode oder in einer separaten Schneidstation. Die horizontale
 
Zuführung ermöglicht den Einsatz von Mehrschichtprofilen. Dieser Profilaufbau
 
gestattet, die Schichtdicke des Kontaktwerkstoffes sowie die Kontaktform
 
entsprechend der elektrischen Last und der vorgegebenen Schaltspielzahl
 
festzulegen. Durch eine Zweischicht-Kontaktauflage können mehrere elektrische
 
Belastungsbereiche beherrscht werden. Als Beispiel sei hier ein aus
 
Trimetall bestehendes Mehrschichtprofil angeführt. Die 5 μm dicke AuAg 8-
 
Auflage eignet sich zum Schalten trockener Stromkreise, die darunter liegende
 
100 μm dicke Ag/Ni 90/10-Zwischenschicht dient zum Schalten hoher elektrischer
 
Lasten, während die Profilunterseite aus einer dem Trägerwerkstoff angepassten, gut schweißbaren Unedelmetall-Legierung z.B. CuNi44 oder
 
CuNi9Sn2 besteht. Maßgebend für die Qualität der Schweißverbindung sind
 
Anzahl und Dimensionierung der Schweißwarzen bzw. -stege auf der
 
Profilunterseite
 
  
Aufgrund der erreichbaren hohen Taktzahlen (bis ca. 700 Schweißungen
+
Laser welding is mostly applied for rather small contact parts to thin carrier materials. To avoid any defects in the contact portion, the welding is usually performed through the carrier material. Using a higher power laser and beam splitting allows high production speeds with weld joints created at multiple spots at the same time.
pro min.) und des der Funktion angepassten Edelmetallbedarfs ist dieses
 
Verbindungsverfahren besonders wirtschaftlich.
 
  
*Kontaktwerkstoffe <br />Au-Leg., Pd-Leg., Ag-Leg., Ag/Ni, Ag/CdO, Ag/SnO<sub>2</sub>, Ag/ZnO, und Ag/C<br />
+
==== Special Welding and Attachment Processes====
 +
In high voltage switchgear the contact parts are exposed to high mechanical and thermal stresses. This requires mechanically strong and 100% metallurgically bonded joints between the contacts and their carrier supports which cannot be achieved by the traditional attachment methods. The two processes of electron beam welding and the cast-on with copper can however used to solve this problem.
  
*Basiswerkstoffe <br />(schweißbare Unterseite bei Mehrschichtprofilen) Ni, CuNi, CuNiFe, CuNiZn, CuSn und CuNiSn u.a.<br />
+
===== Electron Beam Welding=====
 +
The electron beam welding is a joining process which has shown its suitability for high voltage contact assemblies. A sharply focused electron beam has sufficient energy to penetrate the mostly thicker parts and generate a locally defined molten area so that the carrier component is only softened in a narrow zone (1 – 4 mm). This allows the attachment of Cu/W contacts to hard and thermally stable copper alloys as for example CuCrZr for spring hard contact tulips <xr id="fig:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers"/><!--(Fig. 3.12)-->.
 +
<figure id="fig:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers">
 +
[[File:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers.jpg|right|thumb|Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers]]
 +
</figure>
  
*Lotschicht <br />L-Ag 15P (CP 102 or BCUP-5)<br />
+
===== Cast-On of Copper=====
 +
The cast-on of liquid copper to pre-fabricated W/Cu contact parts is performed in special casting molds. This results in a seamless joint between the W/Cu and the copper carrier. The hardness of the copper is then increased by a secondary forming or deep-drawing operation.
  
*Abmessungen (<xr id="fig:Horizontal Wire Welding Dimensions"/>)
+
*Examples of Wire Welding (<xr id="fig:Examples of Wire Welding"/>)
<figure id="fig:Horizontal Wire Welding Dimensions">  
+
<figure id="fig:Examples of Wire Welding">
[[File:Horizontal Wire Welding Dimensions.jpg|right|thumb|Figure 8: Abmessungen horizontal]]
+
[[File:Examples of Wire Welding.jpg|right|thumb|Examples of Wire Welding]]
 
</figure>
 
</figure>
  
*Qualitätsmerkmale
+
'''Vertical Wire Welding'''
Funktionsrelevante Qualitätsmerkmale, wie verschweißter Flächenanteil oder Abscherkraft, werden üblicherweise zwischen Hersteller und Anwender vereinbart und in Liefervorschriften festgelegt.
 
  
=====Plättchenschweißen=====
+
*Contact materials <br />Ag, Ag-Alloys, Au- and Pd-Alloys, Ag/Ni (SINIDUR)<br />
Kontaktplättchen und -formteile, die z.B. nach den in Abschn. 3.1.2 aufgelisteten
 
Verfahren hergestellt wurden, werden überwiegend durch Plättchenschweißen
 
auf entsprechende Trägerteile aufgebracht. Bei diesem Verbindungsverfahren
 
werden meist kleinere Teile z.B. aus Ag/C oder Ag/W mit gut
 
schweißbarer Unterseite, direkt auf Trägerteile geschweißt. Zur besseren
 
Schweißbarkeit weisen die Plättchen auf der Unterseite eine Riffelung (Ag/C)
 
oder spezielle Schweißwarzen auf (Ag/W). Diese Schweißhilfen können aber
 
auch in Form von Prägungen auf dem Trägerteil aufgebracht werden. Größere
 
Kontaktplättchen sind meist auf der Unterseite lotbeschichtet.
 
  
Das Plättchenschweißen wird häufig zur Aufbringung von Aufschweißkontakten
+
*Carrier materials <br />Cu, Cu-Alloys, Cu clad Steel, et.al.<br />
(s. Abschn. [[Herstellung_von_Einzelkontakten#Aufschweißkontakte|Aufschweißkontakte]]) eingesetzt. Das Aufschweißen erfolgt dabei meist halb- oder
 
vollautomatisch, wobei die Aufschweißkontakte mittels geeigneter Zuführeinrichtungen
 
lagerichtig sortiert in entsprechend geformte Schweißelektroden
 
transportiert und danach mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden werden.
 
  
====Abbrennstumpfschweißen (Perkussionsschweißen)====
+
*Dimensions <xr id="fig:Vertical Wire Welding Dimensions"/>
Das Abbrennstumpfschweißen stellt eine Art Lichtbogenpressschweißen dar.
+
<figure id="fig:Vertical Wire Welding Dimensions">  
Dabei werden Kontaktauflage und Trägerteil in spezielle Elektroden geklemmt
+
[[File:Vertical Wire Welding Dimensions.jpg|right|thumb|Vertical Wire Welding Dimensions]]
und zwischen diesen über einen zentrischen Zapfen, der als Zündspitze dient,
 
ein Hochstromlichtbogen gezündet (<xr id="fig:Percussion welding (schematic)"/><!--(Fig. 3.11)-->).
 
<figure id="fig:Percussion welding (schematic)">
 
[[File:Percussion welding (schematic).jpg|right|thumb|Figure 9: Abbrennstumpfschweißen (schematisch)]]
 
 
</figure>
 
</figure>
Infolge Lichtbogeneinwirkung
+
Functional quality criteria such as bonded area percentage or shear force are usually agreed upon between the supplier and user and defined in delivery specifications.
entsteht in der Verbindungsfläche zwischen Kontaktauflage und Trägerteil eine
 
Schmelzzone. Unmittelbar danach schlagen beide Teile aufeinander, wobei das
 
flüssige Metall auf der gesamten Verbindungsfläche eine feste Verschweißung
 
bewirkt. Durch den extrem kurzen Ablauf des gesamten Schmelz- und
 
Schweißvorganges behalten Auflage und Träger ausgenommen der Verbindungszone
 
ihre Ausgangshärte. Die beim Fügevorgang unvermeidbaren
 
Schweißspritzer müssen durch eine mechanische Nachbearbeitung beseitigt
 
werden.
 
Das Abbrennstumpfschweißen wird hauptsächlich bei der Herstellung von
 
Schaltstiften für Hochspannungs-Leistungsschalter eingesetzt.
 
  
*Kontaktwerkstoffe <br />W/Cu, W/Ag, u.a.<br />
+
'''Horizontal Wire Welding'''
  
<figure id="fig:Examples for percussion welded contact parts">
+
*Contact materials <br />Au-Alloys, Pd-Alloys, Ag-Alloys, Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO<sub>2</sub> (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO), and Ag/C (GRAPHOR D)<br />
[[File:Examples for percussion welded contact parts.jpg|right|thumb|Figure 10: Beispiele für abbrennstumpfgeschweißte Kontaktteile]]
 
</figure>
 
  
*Trägerwerkstoffe <br />Cu, Cu-Alloys, u.a.<br />
+
*Carrier materials <br />(weldable backing of multi-layer profiles) Ni, CuNi, CuNiFe, CuNiZn, CuSn, CuNiSn, and others.<br />
  
*Abmessungen <br />Schweißfläche (plan) 6...25 mm Durchmesser<br />rechteckig... Diagonale ... 25 mm Durchmesser<br />
+
*Braze alloy layer <br />L-Ag 15P (CP 102 or BCUP-5)<br />
  
*Qualitätsmerkmale <br />Prüfung der Schweißverbindung erfolgt nach Vereinbarung zwischen Hersteller und Anwender.
+
*Dimensions <xr id="fig:Horizontal Wire Welding Dimensions"/>
 +
<figure id="fig:Horizontal Wire Welding Dimensions">
 +
[[File:Horizontal Wire Welding Dimensions.jpg|right|thumb|Dimensions]]
 +
</figure>
  
*Beispiele für abbrennstumpfgeschweißte Kontaktteile (<xr id="fig:Examples for percussion welded contact parts"/><!--(Fig. 3.13)-->)
+
*Quality criteria
 +
Functional quality criteria such as bonded area percentage or shear force are usually agreed upon between the supplier and user and defined in delivery specifications.
  
====Laserschweißen====
+
'''Percussion Welding'''
Dieses Verbindungsverfahren ist der Gruppe der Schmelzschweißverfahren
 
zuzuordnen. Zum Schweißen und auch Löten werden überwiegend Festkörperlaser
 
eingesetzt. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist die Strahlübertragung
 
bzw. -führung von der Strahlquelle zur Arbeitsstation, wo die absorbierte
 
Lichtenergie in Wärme umgewandelt wird. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen
 
in der berührungslosen Energieübertragung, wodurch eine Verschmutzung der
 
Kontaktflächen vermieden wird, der scharf begrenzten Schweißzone, der
 
genauen Lage des Schweißpunktes und der gut einstellbaren Schweißleistung.
 
  
Das Laserschweißen wird hauptsächlich zum Befestigen kleinerer Kontaktauflagen auf dünne Trägerteile angewandt. Um die Kontaktauflage nicht zu
+
*Contact materials <br />W/Cu, W/Ag, others<br />
schädigen, wird üblicherweise von der Trägerseite ausgehend geschweißt. Mit
 
einem leistungsstarken Laser und durch Strahlaufteilung lässt sich ein
 
automatisierter Fertigungsablauf mit hohen Taktzahlen erreichen. Dabei können
 
gleichzeitig an verschiedenen Stellen Schweißungen durchgeführt werden.
 
  
====Spezielle Verbindungsverfahren====
+
*Carrier materials <br />Cu, Cu-Alloys, others<br />
In der Hochspannungstechnik werden die Kontaktteile im Kurzschlussfall einer
 
extrem hohen mechanischen und thermischen Beanspruchung ausgesetzt.
 
Dies setzt mechanisch feste und 100% stoffschlüssige Verbindungen voraus,
 
die nach herkömmlichen Fügeverfahren nicht erreichbar sind. Als Lösungswege
 
bieten sich zwei Verfahren an, das Elektronenstrahlschweißen und das
 
Angießen von Kupfer.
 
  
=====Elektronenstrahlschweißen=====
+
*Dimensions <br />Weld surface area (flat) 6.0 to 25 mm diameter <br />Rectangular areas with up to 25 mm diagonals<br />
Das Elektronenstrahlschweißen hat sich als Fügeverfahren besonders bei
+
 
Kontakttulpen für Hochspannungs-Leistungsschalter bewährt. Der scharf
+
*Quality criteria <br />Test methods for bond quality are agreed upon between supplier and user<br /> <xr id="fig:Examples for percussion welded contact parts"/><!--(Fig. 3.13)-->
gebündelte Elektronenstrahl besitzt
+
<figure id="fig:Examples for percussion welded contact parts">
ausreichend Energie, um die relativ
+
[[File:Examples for percussion welded contact parts.jpg|right|thumb|Examples for percussion welded contact parts]]
dickwandigen Teile zu durchdringen.
 
Die dabei erzeugte Schmelzzone ist
 
örtlich eng begrenzt (1 bis 4 mm), so
 
dass die Trägerteile nur in einer
 
schmalen Zone um die Schweißnaht
 
erweichen. So können W/Cu-Kontaktauflagen
 
auf harte Trägerteile aus warmfesten
 
Kupferlegierungen z.B. CuCrZr
 
geschweißt werden, wenn federnde
 
Kontakttulpen benötigt werden (<xr id="fig:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers"/><!--(Fig. 3.12)-->).
 
<figure id="fig:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers">
 
[[File:Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers.jpg|right|thumb|Figure 11: Ausführungsformen von Kontakttulpen:
 
W/Cu-Kontaktauflage auf CuCrZr-Träger
 
elektronenstrahlgeschweißt.]]
 
 
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=====Angießen von Kupfer=====
 
Das Angießen von flüssigem Kupfer an die vorgefertigten W/Cu-Kontaktauflagen
 
erfolgt in Spezialgießformen. Auf diese Weise erhält man eine fugenlose
 
Verbindung zwischen W/Cu und dem Cu-Träger. Durch Nachverformen z.B.
 
Fließpressen des Cu wird eine Härtesteigerung erreicht.
 
 
*Qualitätsmerkmale
 
Funktionsrelevante Qualitätsmerkmale, wie verschweißter Flächenanteil oder Abscherkraft, werden üblicherweise zwischen Hersteller und Anwender vereinbart und in Liefervorschriften festgelegt.
 
  
 
==Referenzen==
 
==Referenzen==

Revision as of 21:32, 21 September 2014

In den nachfolgenden Abschnitten wird ein Überblick über die in der Kontakttechnik üblicherweise verwendeten Bestückungsverfahren von vorgefertigten Kontaktträgerteilen mit Kontaktmaterial gegeben. Zu diesen Verfahren zählen die mechanische Bestückung, das Löten und das Schweißen.

Mechanische Bestückungsverfahren

Das Einnieten von Kontaktnieten sowie das Einpressen und Formen von Drahtabschnitten in gelochte Kontaktträger sind vielfach angewandte Verfahren der mechanischen Bestückung von Kontaktträgern mit Kontaktmaterial.

Das Einnieten wird bei kleineren Stückzahlen meist mittels Exzenterpresse oder durch pneumatische oder magnetische Druckerzeugung ausgeführt. Bei großen Stückzahlen erfolgt der Prozessablauf meist in Folgeverbundwerkzeugen vollautomatisch, wobei die Kontaktniete über geeignete Zuführungen lagerichtig zur Montagestation gelangen. Zur sicheren Befestigung muss der Schließkopf ausreichend bemessen sein. Als Faustregel gilt, dass der Schaft mindestens um 1/3 länger, als der Kontaktträger dick ist. Bei der Herstellung von Umschaltkontakten wird ein Teil des Nietschaftes zu einem zweiten Kontaktkopf umgeformt. Um Deformationen vor allem bei dünnen Kontaktträgern zu vermeiden, erfolgt der Nietvorgang meist durch Rollieren oder Taumeln.

Das Einpressen von Drahtabschnitten lässt sich besonders gut in ein Stanz- Biege-Werkzeug integrieren Figure 1. Dem im Vergleich zu plattierten Kontaktnieten höheren Edelmetallverbrauch steht dabei eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber, die dieses Verfahren bei silberhaltigen Kontakten wirtschaftlich macht. Allerdings besteht bei der Verarbeitung von Drahtabschnitten aus sprödem Ag/SnO2-Vormaterial die Gefahr der Rissbildung.

Direktes Einpressen von Drahtabschnitten

Lötverfahren

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen metallischer Werkstoffe mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzwerkstoffes (Lot), gegebenenfalls unter Verwendung von Flussmittel oder Schutzgas. Der Schmelzbereich des Lotes umfasst den Temperaturbereich vom Beginn des Schmelzens (Solidustemperatur) bis zur vollständigen Verflüssigung (Liquidustemperatur). Er liegt unterhalb der Schmelzbereiche der zu fügenden Teile. Beim Lötvorgang kommt es bei gegenseitiger Löslichkeit durch thermische Aktivierung zu Diffusionsvorgängen, bei denen sowohl Elemente des Lotes in den Grundwerkstoff als auch Elemente des Grundwerkstoffes in das Lot eindringen. Dadurch wird eine Verstärkung der Haftkräfte und somit eine Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit erreicht.

Zur Befestigung von Kontaktplättchen auf Trägerteilen werden ausschließlich Hartlote verwendet. Gründe hierfür sind ihre im Vergleich zu Weichloten höhere Erweichungs- und Schmelztemperatur, höhere mechanische Festigkeit und günstigere elektrische Leitfähigkeit. Die für elektrische Kontakte eingesetzten Lote und Flussmittel werden in Kap. 4 (Lote und Flussmittel) und unter Prüfung von Löt- und Schweißverbindungen behandelt. Nachfolgend werden einige häufig verwendete Lötverfahren beschrieben.

Flammlöten

Am einfachsten lässt sich das Hartlöten mit Hilfe eines Gebläsebrenners ausführen. Bei hinreichend großen Stückzahlen wird das Flammlöten häufig teilautomatisiert. Dabei durchlaufen die zu lötenden Teile, nachdem sie mit dosierten Lot- und Flussmittelmengen versehen wurden, eine Reihe feststehender Brenner eines Lötkarussells oder einer Förderbandlötmaschine. Um den Anteil an Flussmittel- und Gaseinschlüssen in der Lotschicht einzuschränken, empfiehlt es sich, sobald das Lot schmelzflüssig ist, die Kontaktauflagen etwas hin- und herzubewegen (einzuschwemmen). Der Lotbindungsanteil liegt beim Flammlöten je nach Größe und geometrischer Form der Verbindungsflächen zwischen 65% und 90%.

Ofenlöten

Unter dem Begriff Ofenlöten wird vor allem das Schutzgaslöten und das Vakuumlöten verstanden. Beide Verfahren arbeiten flussmittelfrei.

Das Schutzgaslöten erfolgt entweder als diskontinuierliche Lötung in Muffel-, Topf- oder Haubenöfen oder als kontinuierliche Lötung in Förderbanddurchlauföfen in reduzierender Atmosphäre in reinem Wasserstoff (H2) oder Ammoniakspaltgas (H2,N2).

A vacuum is a very efficient protective environment for brazing but using vacuum furnaces is more complicated and rather inefficient. Therefore this process is only used for materials and assemblies that are sensitive to oxygen, nitrogen, or hydrogen impurities. Not suitable for vacuum brazing are materials which contain components with a high vapor pressure.

Das Vakuum ist ein sehr wirkungsvolles „Schutzgas“. Da das Vakuumlöten verhältnismäßig aufwändig ist, werden meist nur solche Werkstoffe gelötet, die während des Lötprozesses sehr empfindlich sind gegenüber Sauerstoff-, Stickstoff- oder Wasserstoffverunreinigungen. Für eine Vakuumlötung ungeeignet sind Werkstoffe, die Bestandteile mit hohem Dampfdruck enthalten.

Teile aus sauerstoffhaltigem Kupfer dürfen nicht in reduzierender Atmosphäre gelötet werden, da sonst die sog. Wasserstoffkrankheit auftritt. Ähnliches gilt für metalloxidhaltige Kontaktwerkstoffe, da durch Reduzierung des Metalloxids die Werkstoffzusammensetzung und dadurch die Kontakteigenschaften in der oberflächennahen Schicht geändert werden.

Widerstandslöten

Bei diesem Lötvorgang dient die Widerstandserwärmung unter Stromfluss als Energiequelle. In der Kontakttechnik werden für das Widerstandslöten zwei Verfahrensvarianten angewandt Figure 2.

Widerstandslöten (schematisch)

Beim direkten Widerstandslöten fließt der Strom unmittelbar durch die Lötfläche. Kontaktauflage und Trägerteil werden dabei zusammen mit Lot und Flussmittel zwischen die Elektroden einer Widerstandslötmaschine gespannt und durch direkten Stromdurchgang so lange erwärmt, bis das Lot in der Verbindungsfläche zum Schmelzen kommt.

Beim indirekten Widerstandslöten fließt der Strom nur über eines der zu verbindenden Werkstücke. Diese Verfahrensvariante bietet die Möglichkeit, die Kontaktauflage im schmelzflüssigen Lot hin-und herzubewegen (einschwemmen) und Lunkerstellen, verursacht durch Flussmitteleinschlüsse, aus dem Fügebereich zu entfernen und so den Bindeanteil zu erhöhen. Für das Widerstandslöten werden zwei Arten von Elektrodenwerkstoffen eingesetzt:

  • Elektroden aus schlecht leitenden Kohlewerkstoffen (Grafit))
    Die Wärme wird in den Elektroden erzeugt und durch Wärmeleitung zur Verbindungsfläche transportiert.
  • Elektroden aus gut leitenden, warmfesten Metallen.
    Die Wärme wird durch den erhöhten elektrischen Widerstand in der Verbindungsfläche, die durch geeignete Gestaltung eine ausgeprägte Stromenge darstellt, und durch den Widerstand der Werkstücke erzeugt.

Kohleelektroden kommen vor allem beim indirekten Widerstandslöten und bei Verbindungsflächen > 100 mm2 zum Einsatz. Bei Kontaktauflagen < 100 mm2, die bereits mit phosphorhaltigem Silber-Hartlot beschichtet sind, kann beim direktem Widerstandslöten die Lötzeit so kurz gehalten werden, dass die Trägerteile nur in unmittelbarer Nähe der Fügefläche erweichen. Für dieses „Kurzzeitlöten“ werden meist warmfeste Metallelektroden verwendet, deren Werkstoffzusammensetzung und geometrische Form den jeweils zu verbindenden Teilen angepasst sind.

Der Bindeanteil der gelöteten Fläche liegt beim üblichen Widerstandslöten mit Flussmittel je nach Kontaktgröße zwischen 70% und 90%, beim Kurzzeitlöten deutlich höher.

Induktionslöten

Beim Induktionslöten ensteht die Wärme über einen Induktor, der von einem Mittel- oder Hochfrequenzgenerator gespeist wird und ein elektromagnetisches Wechselfeld zur Folge hat, das im Lotgut Wirbelströme erzeugt. Aufgrund des Skineffektes erfolgt der Stromfluss und dadurch auch die Erwärmung bevorzugt in der Außenschicht des Werkstücks. Der Abstand des Heizinduktors zum Lötgut muss so gewählt werden, dass auf der gesamten Lötfläche möglichst gleichzeitig die Arbeitstemperatur erreicht wird. Das Induktionslöten kann für verschiedenste Kontaktformen durch geeignete Formgebung des Induktors optimiert werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt in der kurzen Aufheizzeit, so dass nur die der Lötzone unmittelbar benachbarten Bereiche erweichen. Die teilweise sehr unterschiedlichen Lötzeiten bei den verschiedenen Lötverfahren sind aus der nachfolgenden Table 1 zu entnehmen.

Table 1: Lötzeiten bei verschiedenen Lötverfahren
Lötverfahren Lötzeit in s
Flammenlöten 3 - 100
direktes Widerstandslöten 1 - 3
indirektes Widerstandslöten 1 - 5
Kurzzeitlöten 0.1 - 1
Induktionslöten 0.5 - 5
Ofenlöten 100 - 1000


  • Beispiele für gelötete Kontaktteile Figure 3
Beispiele für gelötete Kontaktteile
  • Kontaktwerkstoffe
    Ag, Ag-Alloys., Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO2 (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO) and Ag/C (GRAPHOR D) mit lötbarer Unterseite, Refraktäre Werkstoffe auf W -, WC- und Mo-Basis
  • Lote
    L-Ag 15P, L-Ag 55Sn u.a.
  • Trägerwerkstoffe
    Cu, Cu-Alloys. u.a.
  • Abmessungen
    Lötfläche > 10 mm²
  • Qualitätsmerkmale
    Die Prüfung der Lötverbindung erfolgt nach Vereinbarung zwischen Hersteller und Anwender.

Schweißverfahren

Für das Schweißen als Verbindungsverfahren sprechen sowohl technische als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte. Aufgrund der kurzzeitigen Wärmeeinwirkung bleibt bei allen Schweißverfahren die Ausgangshärte der Trägerteile bis auf den unmittelbar thermisch beanspruchten Bereich erhalten. Unter den nachfolgend beschriebenen Schweißverfahren nimmt das Widerstandsschweißen eine Vorrangstellung ein.

Because of miniaturization of electromechanical components laser welding has gained some application more recently. Friction welding is mainly used for bonding see Applications for Bonding Technologies. Other welding methods such as ball (spheres) welding and ultrasonic welding are today used in only limited volume and therefore not covered in detail here. Special methods such as electron beam welding and cast-on attachment of contact materials to carrier components are mainly used for contact assemblies for medium and high voltage switchgear.

Resistance Welding

Resistance welding is the process of electrically joining work pieces by creating the required welding energy through current flow directly through the components without additional intermediate materials. For contact applications the most frequently used method is that of projection welding. Differently shaped weld projections are used on one of the two components to be joined (usually the contact). They reduce the area in which the two touch creating a high electrical resistance and high current density which heats the constriction area to the melting point of the projections. Simultaneously exerted pressure from the electrodes further spreads out the liquefied metal over the weld joints area. The welding current and electrode force are controlling parameters for the resulting weld joint quality. The electrodes themselves are carefully designed and selected for material composition to best suit the weld requirements.

The waveform of the weld current has a significant influence on the weld quality. Besides 50 or 60 Hz AC current with phase angle control, also DC (6-phase from 3-phase rectified AC) and medium frequency (MF) weld generators are used for contact welding. In the latter the regular AC supply voltage is first rectified and then supplied back through a controlled DC/AC inverter as pulsed DC fed to a weld transformer. Medium frequency welding equipment usually works at frequencies between 1kHz to 10kHz. The critical parameters of current, voltage, and weld energy are electronically monitored and allow through closed loop controls to monitor and adjust the weld quality continuously. The very short welding times needed with these MF welding machines result in very limited thermal stresses on the base material and also allow the reliable joining of otherwise difficult material combinations.

Vertical Wire Welding

During vertical wire welding the contact material is vertically fed in wire form through a clamp which at the same time acts as one of the weld electrodes Figure 4.

Vertical wire welding (schematic)

With one or more weld pulses the roof shaped wire end – from the previous cut-off operation – is welded to the base material strip while exerting pressure by the clamp-electrode. Under optimum weld conditions the welded area can reach up to 120% of the original cross-sectional area of the contact wire. After welding the wire is cut off by wedge shaped knives forming again a roof shaped weld projection. The welded wire segment is subsequently formed into the desired contact shape by stamping or orbital forming. This welding process can easily be integrated into automated production lines. The contact material must however be directly weldable, meaning that it cannot contain graphite or metal oxides.

Horizontal Wire or Profile Welding

During horizontal welding the wire or profile contact material is fed at a shallow angle to the carrier strip material Figure 5.

Horizontal profile cut-off welding (schematic)

The cut-off from the wire or profile is performed either directly by the electrode or in a separate cutting station. This horizontal feeding is suitable for welding single or multiple layer weld profiles. The profile construction allows to custom tailor the contact layer shape and thickness to the electrical load and required number of electrical switching operations. By choosing a two-layer contact configuration multiple switching duty ranges can be satisfied. The following triple-layer profile is a good example for such a development: The top 5.0 μm AuAg8 layer is suitable to switch dry circuit electronic signals, the second or middle layer of 100 μm Ag/Ni 90/10 is used to switch relative high electrical loads and the bottom layer consists of an easily weldable alloy such as CuNi44 or CuNi9Sn2. The configuration of the bottom weld projections, i.e. size, shape, and number of welding nibs or weld rails are critically important for the final weld quality.

Because of high production speeds (approx. 700 welds per min) and the possibility to closely match the amount of precious contact material to the required need for specific switching applications, this joining process has gained great economical importance.

Tip Welding

Contact tips or formed contact parts produced by processes as described in Contact Tips are mainly attached by tip welding to their respective contact supports. In this process smaller contact parts such as Ag/C or Ag/W tips with good weldable backings are welded directly to the carrier parts. To improve the welding process and quality the bottom side of these tips may have serrations (Ag/C) or shaped projections (Ag/W). These welding aids can also be formed on the carrier parts. Larger contact tips usually have an additional brazing alloy layer bonded to the bottom weld surface.

Tip welding is also used for the attachment of weld buttons (see Weld Buttons). The welding is performed mostly semi or fully automated with the buttons oriented a specific way and fed into a welding station by suitably designed feeding mechanisms.

Percussion Welding

This process of high current arc discharge welding required the contact material and carrier to have two flat surfaces with one having a protruding nib. This nib acts as the igniter point for the high current arc Figure 6.

Percussion welding (schematic)

The electric arc produces a molten layer of metallic material in the interface zone of the contact tip and carrier. Immediately afterwards the two components are pushed together with substantial impact and speed causing the liquid metal to form a strong joint across the whole interface area. Because of the very short duration of the whole melt and bonding process the two components, contact tip and carrier, retain their mechanical hardness and strength almost completely except for the immediate thin joint area. The unavoidable weld splatter around the periphery of the joint must be mechanically removed in a secondary operation. The percussion welding process is mainly applied in the production of rod assemblies for high voltage switchgear.

Laser Welding

This contact attachment process is also one of the liquid phase welding methods. Solid phase lasers are predominantly used for welding and brazing. The exact guiding and focusing of the laser beam from the source to the joint location is most important to ensure the most efficient energy absorption in the joint where the light energy is converted to heat. Advantages of the method are the touch-less energy transport which avoids any possible contamination of contact surfaces, the very well defined weld effected zone, the exact positioning of the weld spot and the precise control of weld energy.

Laser welding is mostly applied for rather small contact parts to thin carrier materials. To avoid any defects in the contact portion, the welding is usually performed through the carrier material. Using a higher power laser and beam splitting allows high production speeds with weld joints created at multiple spots at the same time.

Special Welding and Attachment Processes

In high voltage switchgear the contact parts are exposed to high mechanical and thermal stresses. This requires mechanically strong and 100% metallurgically bonded joints between the contacts and their carrier supports which cannot be achieved by the traditional attachment methods. The two processes of electron beam welding and the cast-on with copper can however used to solve this problem.

Electron Beam Welding

The electron beam welding is a joining process which has shown its suitability for high voltage contact assemblies. A sharply focused electron beam has sufficient energy to penetrate the mostly thicker parts and generate a locally defined molten area so that the carrier component is only softened in a narrow zone (1 – 4 mm). This allows the attachment of Cu/W contacts to hard and thermally stable copper alloys as for example CuCrZr for spring hard contact tulips Figure 7.

Contact tulips with CuW welded to CuCrZr carriers
Cast-On of Copper

The cast-on of liquid copper to pre-fabricated W/Cu contact parts is performed in special casting molds. This results in a seamless joint between the W/Cu and the copper carrier. The hardness of the copper is then increased by a secondary forming or deep-drawing operation.

  • Examples of Wire Welding (Figure 8)
Examples of Wire Welding

Vertical Wire Welding

  • Contact materials
    Ag, Ag-Alloys, Au- and Pd-Alloys, Ag/Ni (SINIDUR)
  • Carrier materials
    Cu, Cu-Alloys, Cu clad Steel, et.al.
  • Dimensions Figure 9
Vertical Wire Welding Dimensions

Functional quality criteria such as bonded area percentage or shear force are usually agreed upon between the supplier and user and defined in delivery specifications.

Horizontal Wire Welding

  • Contact materials
    Au-Alloys, Pd-Alloys, Ag-Alloys, Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO2 (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO), and Ag/C (GRAPHOR D)
  • Carrier materials
    (weldable backing of multi-layer profiles) Ni, CuNi, CuNiFe, CuNiZn, CuSn, CuNiSn, and others.
  • Braze alloy layer
    L-Ag 15P (CP 102 or BCUP-5)
  • Dimensions Figure 10
Dimensions
  • Quality criteria

Functional quality criteria such as bonded area percentage or shear force are usually agreed upon between the supplier and user and defined in delivery specifications.

Percussion Welding

  • Contact materials
    W/Cu, W/Ag, others
  • Carrier materials
    Cu, Cu-Alloys, others
  • Dimensions
    Weld surface area (flat) 6.0 to 25 mm diameter
    Rectangular areas with up to 25 mm diagonals
  • Quality criteria
    Test methods for bond quality are agreed upon between supplier and user
    Figure 11
Examples for percussion welded contact parts

Referenzen

Referenzen