Design und Mechanismus von Schweißmaterialien – ein wichtiges Bindeglied bei elektrischen Niederspannungsschweißkomponenten

Mit der Entwicklung industrieller Elektrifizierungs- und Automatisierungstechnologien steigen die Anforderungen an Sicherheit, Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit von Niederspannungs-Elektroprodukten ständig. Kernkomponenten wie Kontaktbaugruppen, thermische Baugruppen, magnetische Baugruppen und leitfähige Verbindungsstrukturen erfordern alle stabile Metallverbindungstechnologien, um eine dauerhafte Verbindung zu erreichen. Neben zahlreichen Verbindungsverfahren werden Löt- und Schweißtechnologien aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit häufig in der Herstellung elektrischer Verbindungen eingesetzt. Beispielsweise sind Stumpfschweißen und Widerstandsschweißen zu wichtigen technologischen Grundlagen in der Herstellung elektrischer Komponenten geworden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In elektrischen Niederspannungs-Schaltsystemen wirken sich Probleme wie das Durchbrennen von Kontakten, das Ablösen von Silberkontakten und ein erhöhter Kontaktwiderstand direkt auf die Lebensdauer und die Sicherheitsleistung des Produkts aus. Relevante Statistiken zeigen, dass bei unzureichender Schweißqualität die Ausbrennrate von Kontaktmaterialien um das Zwei- bis Dreifache ansteigen kann, was zu einer erheblichen Verkürzung der Produktlebensdauer führt. Unter den gleichen Produktdesignbedingungen wird daher die Schweißqualität häufig zu einem Schlüsselfaktor für die Zuverlässigkeit der Ausrüstung. Der Schweißprozess, die Schweißmaterialien, die Eigenschaften des Grundmaterials und die Fähigkeiten der Ausrüstung bestimmen gemeinsam die Endqualität, wobei die Konstruktion und Auswahl der Schweißmaterialien besonders wichtig sind. Viele elektrische Verbindungsstrukturen, wie z. B. gelötete elektrische Kontakte, sind für einen langfristig zuverlässigen Betrieb auf stabile Lötmaterialien angewiesen.

 

Lot fungiert in einem Schweißsystem als Brücke zwischen dem Grundmaterial und dem Substrat und ermöglicht eine metallurgische Verbindung zwischen verschiedenen Materialien. Aufgrund seiner relativ niedrigen Löttemperatur und seiner Eignung für komplexe Strukturen und unterschiedliche Materialverbindungen wird Hartlöten häufig bei der Herstellung von Niederspannungs-Elektrogeräten eingesetzt. Aus materieller Sicht können Lote in verschiedene Systeme eingeteilt werden, z. B. auf Silber-- und Kupfer--Basis, und hinsichtlich der physikalischen Form können sie in feste Lote, Pulverlote und Pastenlote unterteilt werden. Verschiedene elektrische Produkte, wie zum Beispiel elektrische Kontaktbaugruppen, erfordern häufig die Auswahl geeigneter Lötsysteme auf der Grundlage ihres Betriebsstroms, ihrer Temperaturbedingungen und ihrer mechanischen Struktur.

 

Während des eigentlichen Schweißens können Fehler wie Porosität, Risse und Schlackeneinschlüsse in der Schweißnaht auftreten, die die mechanische Festigkeit und Leitfähigkeit der Schweißverbindung schwächen. Wenn beispielsweise Silberkontakte ein Kupfersubstrat hartlöten, kommt es während des Schweißerwärmungsprozesses leicht zu Oxidation auf der Kupferoberfläche. Wenn die Oxidationsreaktion nicht wirksam kontrolliert wird, verbindet sich Kupfer mit Sauerstoff und bildet Kupferoxid, das während der Schweißerstarrung eine eutektische Struktur mit niedrigem -Schmelzpunkt-bildet, die entlang der Kupferkorngrenzen verteilt ist und so die Gesamtfestigkeit der Verbindung verringert. Ähnliche Probleme können bei einigen Buckelschweißverbindungen auftreten, weshalb die Kontrolle des Lots und der Schweißumgebung von entscheidender Bedeutung ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Hauptursachen für Schweißporosität hängen eng mit den thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien zusammen. Sowohl Silber als auch Kupfer haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Wenn das Schweißbad während der Abkühlphase schnell erstarrt, nimmt die Löslichkeit der Gase im Schweißbad schnell ab und es kommt zur Ausfällung. Wenn die Gase nicht rechtzeitig vor der Erstarrung entweichen können, bilden sich im Inneren der Schweißnaht poröse Strukturen. Diese Art von Problem erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Herstellung silbergelöteter elektrischer Kontakte, da Schweißfehler die Stromübertragungskapazität und die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

 

Beim Verschweißen von Silberkontakten mit einem Kupfersubstrat kann es außerdem zu Heißrissen in der Schmelzzone kommen. Zu den Hauptursachen gehören der große lineare Ausdehnungskoeffizient von Kupfer, die während der Erstarrung gebildete eutektische Cu+Cu₂O-Struktur und die Absonderung von Verunreinigungen im Grundmaterial an den Korngrenzen. Die kombinierte Wirkung dieser Faktoren kann zu Spannungskonzentrationen im Schweißbereich und damit zur Rissbildung führen. Bei einigen geschweißten elektrischen Kontaktteilen können diese Risse die Betriebsstabilität der elektrischen Ausrüstung direkt beeinträchtigen.

 

Unter den verschiedenen Lotsystemen werden zum Verbinden von Kupfer und Kupferlegierungen häufig phosphorhaltige -kupferhaltige-Lote verwendet. Phosphor{3}}haltige Lote besitzen gute Fließ- und Selbstlöteigenschaften, weisen aber auch eine gewisse Sprödigkeit auf. Daher muss bei der Materialkonstruktion ein Gleichgewicht zwischen Fließfähigkeit und Verbindungsfestigkeit gefunden werden. Viele Lötsysteme, die für gelötete Silberkontaktbaugruppen verwendet werden, erfordern eine Optimierung der Zusammensetzung, um die allgemeine Schweißzuverlässigkeit zu verbessern.

 

Phosphor spielt in Lotsystemen zwei Hauptrollen. Erstens können Kupfer und Phosphor gemäß dem Cu-P-Phasendiagramm, wenn der Phosphorgehalt einen bestimmten Anteil erreicht, eine eutektische Struktur mit niedrigem -Schmelzpunkt-bilden, wodurch die Schmelztemperatur des Lots erheblich gesenkt und die Fließfähigkeit der Schweißnaht verbessert wird. Cu₃P ist jedoch eine typische spröde Phase und ihr Gehalt steigt mit zunehmendem Phosphorgehalt. Daher ist eine strenge Kontrolle des Phosphorgehalts erforderlich, um eine übermäßige Sprödigkeit der Schweißverbindung zu vermeiden. Bei bestimmten Anwendungen von Kupfer-Silber-Schweißkontakten ist diese Zusammensetzungskontrolle besonders kritisch.

 

Zweitens zeigt Phosphor auch einen gewissen Grad an Selbstverlötung während des Schweißprozesses. Unter Hochtemperaturbedingungen können Kupferoxide mit Phosphor unter Bildung von Oxiden reagieren und dadurch eine weitere Oxidation der Kupferoberfläche verhindern. Diese Reaktion kann eine schützende flüssige Oxidschicht bilden, die die Oberfläche des Grundmaterials aktiv hält und die Benetzung und Diffusion des Lots erleichtert. Diese Eigenschaft macht phosphorhaltige Lote äußerst wertvoll für die Verbindung von Kupfermaterialien und wird häufig in Strukturen wie elektrischen Kontakten mit Silberspitzen eingesetzt.

 

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass phosphorhaltige Lote eine schwache Korrosionsbeständigkeit in schwefelhaltigen Umgebungen aufweisen, eine schlechte Benetzbarkeit mit Materialien auf Eisenbasis haben und spröde Verbindungen bilden können. Daher müssen beim Schweißen von Stahl oder eisenhaltigen Legierungen je nach den jeweiligen Umständen alternative Lotsysteme ausgewählt werden. Bei kundenspezifischen elektrischen Kontaktkomponenten, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, ist die Bewertung der Lötkompatibilität besonders wichtig.

 

Im Hinblick auf die Optimierung der Lotzusammensetzung kann die Zugabe kleiner Mengen von Legierungselementen die Mikrostruktur der Schweißverbindung deutlich verbessern. Beispielsweise können bestimmte Legierungselemente den Schmelzpunkt einer Legierung senken, den Anteil der eutektischen Struktur erhöhen und die Morphologie der Cu₃P-Phase verändern, indem sie sie von einer blockigen oder dendritischen Struktur in feine Partikel umwandeln und so die Zähigkeit und Plastizität der Verbindung verbessern. Dieser Materialdesignansatz wurde in großem Umfang auf hochzuverlässige AgCu-Kontaktbaugruppen für Schaltanlagen angewendet.

 

Aus Sicht der Schweißschnittstellenstruktur besteht eine typische Lötverbindung normalerweise aus drei Teilen: einer Grenzschicht, einer Diffusionsschicht und einer Restschicht. Die Grenzschicht besteht hauptsächlich aus einer metallurgischen Verbindungsschicht, die zwischen den Legierungselementen und dem Grundmaterial gebildet wird; die Diffusionsschicht besteht hauptsächlich aus einer festen Lösung auf Kupfer--Basis, die Phosphor und Legierungselemente enthält; und die Restschicht kann eine undiffundierte eutektische Cu₃P-Struktur enthalten. Zur Verbesserung der Schweißnahtfestigkeit ist es notwendig, die Dicke der Restschicht zu reduzieren und die eutektische Struktur durch Materialdesign zu optimieren. Diese Mikrostrukturkontrolle ist für viele komplexe vergoldete oder silberne Kontaktbaugruppen mit elektrischen Kontakten von entscheidender Bedeutung.

 

Neben der Gestaltung der Lotzusammensetzung ist auch ein hochaktives Flussmittel ein wichtiger Faktor für die Sicherstellung der Schweißqualität. Ein geeignetes Flussmittel kann Oxide von der Oberfläche des Grundmaterials entfernen, die Benetzbarkeit des Lots verbessern und Korrosion des Metallsubstrats verhindern. Ein gut konzipiertes Flussmittelsystem fördert eine glatte, dichte und vollständige Schweißnahtstruktur und verbessert so die Schweißzuverlässigkeit weiter. Diese Art von Verfahren findet man häufig bei automatisierten Schweißprozessen wie dem Ofenlöten oder Widerstandslöten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Niederspannungs-Elektrotechnologie werden ständig neue Materialien und Strukturen in die Konstruktion elektrischer Geräte eingeführt, was höhere Anforderungen an die Schweißzuverlässigkeit stellt. Vom Lötdesign über die Steuerung des Schweißprozesses bis hin zur Optimierung der Schnittstellenmikrostruktur treibt die synergetische Entwicklung von Materialwissenschaft und Fertigungstechnologie kontinuierlich die Weiterentwicklung der elektrischen Verbindungstechnologie voran.

 

In praktischen Industrieanwendungen verlängert eine stabile und zuverlässige Schweißtechnik nicht nur die Lebensdauer elektrischer Produkte, sondern senkt auch die Wartungskosten der Geräte erheblich. Für massenproduzierte Silver Brazed Contact Assembly Factory/OEM-Produkte sind Schweißmaterialdesign und Prozessoptimierung zu entscheidenden Grundlagen für die Sicherstellung der Produktqualität geworden.

 

 

In modernen Elektrogeräten sind hochzuverlässige Schweißkonstruktionen zu einer wichtigen Grundlage für die Herstellung von Kontaktkomponenten geworden. Vom Silberkontaktlöten bis hin zu kupferbasierten leitfähigen Strukturverbindungen, verschiedenen Arten von silbergelöteten elektrischen Kontakten undKupfer-Silber-geschweißte Kontaktewerden häufig in Relais, Leistungsschaltern, Schützen und Schaltanlagen verwendet. Durch ausgereifte Verfahren wie Stumpfschweißen, Widerstandsschweißen, Buckelschweißen und Ofenlöten können stabile und zuverlässige gelötete elektrische Kontakte und komplexe kundenspezifische elektrische Kontaktkomponenten hergestellt werden.

 

Für die Anforderungen von Leistungsschaltern und industriellen Elektrogeräten bieten spezialisierte Hersteller in der Regel komplette Produktlösungen an, darunter elektrische Kontaktbaugruppen, elektrische Kontakte mit Silberspitzen und AgCu-Kontaktbaugruppen für Schaltanlagen. Diese leistungsstarken elektrischen Kontaktkomponenten gewährleisten die Leitfähigkeit und erfüllen gleichzeitig die Anwendungsanforderungen hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer.