Materialen, soldeerlegeringen en procescontrole voor betrouwbare elektrische verbindingen

In de sector van elektrische contacten is de kwaliteit van de verbinding tussen de verschillende onderdelen van cruciaal belang om de betrouwbaarheid, duurzaamheid en prestaties van het apparaat te waarborgen.

Relais, schakelaars, schakelaars, klemmen, beveiligingsinrichtingen en tal van andere elektrische componenten moeten namelijk functioneren onder omstandigheden die worden gekenmerkt door:

• stroom;
• herhaalde thermische cycli;
• trillingen;
• mechanische belastingen;
• mogelijke elektrische bogen;
• lokaal hoge temperaturen.

In veel van deze toepassingen is hardsolderen een bijzonder effectieve technologie om ongelijksoortige materialen met elkaar te verbinden en mechanisch sterke en reproduceerbare verbindingen te creëren.

Om echter een goede verbinding te maken bij elektrische schakelaars, moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de basismaterialen, de soldeerlegering, de geometrie van de verbinding, de verwarmingstechniek en de procesregeling.

In dit artikel analyseren we de belangrijkste vereisten voor het hardsolderen van elektrische contacten en enkele van de belangrijkste aspecten waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van het proces.

Waarom wordt hardsolderen toegepast bij elektrische contacten?

Veel elektrische onderdelen zijn vervaardigd uit verschillende materialen, die zijn gekozen om specifieke functies te vervullen.

Een component kan bijvoorbeeld het volgende combineren:

• een drager van koper of een koperlegering, gekozen vanwege zijn hoge geleidbaarheid;
• een contactmateriaal met specifieke eigenschappen wat betreft weerstand tegen vonkvorming, slijtage of hoge temperaturen;
• een vulmateriaal dat wordt gebruikt om de verbinding tussen de twee elementen tot stand te brengen.

In deze gevallen kun je met hardsolderen een permanente verbinding tot stand brengen zonder dat de basismaterialen smelten.

De soldeerlegering smelt en dringt door capillaire werking in de verbinding, waardoor een metallurgische verbinding tussen de oppervlakken ontstaat.

Tot de belangrijkste voordelen van hardsolderen bij elektrische contacten behoren:

• de mogelijkheid om verschillende materialen te combineren;
• hoge mechanische weerstand van de verbinding;
• goede herhaalbaarheid van het proces;
• temperaturen die lager zijn dan het smeltpunt van de basismaterialen;
• mogelijkheid om de productie te automatiseren;
• compatibiliteit met onderdelen met een complexe geometrie;
• de mogelijkheid om de hoeveelheid gebruikte legering nauwkeurig te meten.

De belangrijkste eisen voor een elektrisch gesoldeerde verbinding

Een verbinding in een elektrisch onderdeel moet doorgaans aan meerdere eisen tegelijk voldoen.

Mechanische weerstand

De verbinding moet bestand zijn tegen de belastingen die tijdens de montage en het gebruik van het onderdeel ontstaan.

Trillingen, openings- en sluitingscycli, thermische uitzetting en mechanische schokken kunnen de verbinding aan herhaalde belastingen blootstellen.

Om deze reden moet de soldeerlegering zorgen voor een passende combinatie van:

• weerstand;
• ductiliteit;
• vermogen om spanningen op te vangen;
• stabiliteit op de lange termijn.

Elektrische prestaties

Bij het tot stand brengen van elektrische contacten moet ook bijzondere aandacht worden besteed aan het elektrische gedrag van de assemblage.

Het gesoldeerde gebied mag geen onnodig hoge contactweerstanden of onderbrekingen in het stroompad veroorzaken.

Het is echter belangrijk te benadrukken dat de geleidbaarheid van de verbinding afhangt van het gehele systeem:

• grondstoffen;
• hardlooplegering;
• gewrichtsgeometrie;
• dikte van het gesoldeerde gebied;
• metallurgische kwaliteit van het grensvlak.

Om deze reden is het niet alleen de bedoeling om de legering met de hoogst mogelijke geleidbaarheid te kiezen, maar ook om een verbinding te ontwerpen die tegelijkertijd voldoende elektrische, mechanische en fabricage-eigenschappen garandeert.

Weerstand tegen thermische cycli

De stroomdoorvoer zorgt voor warmteontwikkeling.

Bovendien werken veel elektrische apparaten op basis van herhaalde aan-uit-cycli.

De soldeerverbinding kan daarom worden blootgesteld aan voortdurende temperatuurschommelingen.

Wanneer materialen met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten worden samengevoegd, kunnen deze verschillen spanningen in de verbinding veroorzaken.

Een legering met voldoende ductiliteit kan deze spanningen helpen opvangen en zo het risico op scheurvorming of defecten op de lange termijn verminderen.

De materialen die worden gebruikt in elektrische contacten

Voor elektrische contacten wordt een grote verscheidenheid aan materialen gebruikt.

Tot de meest voorkomende basismaterialen behoren:

• koper;
• messing;
• koperlegeringen;
• staalsoorten;
• materialen op basis van zilver;
• composietmaterialen die bestemd zijn voor elektrische contacten.

Contactmaterialen kunnen worden gekozen op basis van de eigenschappen die voor de toepassing vereist zijn, zoals:

• geleidbaarheid;
• boogweerstand;
• slijtvastheid;
• hoge temperatuurstabiliteit;
• contactlasweerstand.

Door de aanwezigheid van verschillende materialen is het onderzoek naar de metallurgische compatibiliteit tussen het basismateriaal, het contactmateriaal en de soldeerlegering van bijzonder groot belang.

De keuze van de soldeerlegering

De keuze van de soldeerlegering is een van de belangrijkste aspecten bij het ontwerpen van het proces.

In veel toepassingen met elektrische contacten worden legeringen op basis van zilver gebruikt, dankzij de combinatie van:

• uitstekende bevochtigbaarheid;
• goede vloeibaarheid;
• relatief lage soldeertemperaturen;
• hoge betrouwbaarheid van de verbindingen;
• goede vervormbaarheid;
• compatibiliteit met talrijke metalen.

Het zilvergehalte en de samenstelling van de legering moeten echter worden beoordeeld op basis van de toepassing.

Soldeertemperatuur

Een lagere bedrijfstemperatuur kan een voordeel zijn wanneer onderdelen gevoelig zijn voor warmte.

Door de warmte-inname te verminderen, kun je het volgende helpen beperken:

• vervormingen;
• metallurgische veranderingen;
• oxidatie;
• schade aan andere onderdelen in het geheel.

Bevochtigbaarheid

De legering moet de te verbinden materialen goed kunnen bevochtigen.

Onvoldoende bevochtigbaarheid kan leiden tot:

• onvolledige vulling;
• niet-gesoldeerde delen;
• verminderde weerstand;
• resultaten die moeilijk te herhalen zijn.

De compatibiliteit tussen legering, basismateriaal en vloeimiddel moet daarom in zijn geheel worden beoordeeld.

Ductiliteit

Bij toepassingen die worden blootgesteld aan trillingen of thermische cycli kan een goede vervormbaarheid van de verbinding een belangrijk voordeel zijn.

Het zorgt er namelijk voor dat een deel van de spanningen die ontstaan door de verschillende thermische uitzettingen van de materialen, wordt opgevangen.

Gewrichtsgeometrie en capillariteit

Net als bij alle soldeertoepassingen speelt ook bij elektrische contacttoepassingen de geometrie van de verbinding een cruciale rol.

De gesmolten legering moet dankzij capillaire werking tussen de oppervlakken kunnen doordringen.

Onjuist gebruik kan het proces in gevaar brengen.

Het spel staat te hoog

Het kan het volgende vaststellen:

• vermindering van de capillaire werking;
• een hoger verbruik van legeringen;
• ophoping van materiaal;
• lagere herhaalbaarheid.

Het spel is te klein

Het kan er juist voor zorgen dat de legering niet volledig in de verbinding doordringt.

Bij het ontwerp moet ook rekening worden gehouden met de verschillen in thermische uitzetting van de materialen tijdens het hardsoldeerproces.

Warmteregeling

Bij de productie van elektrische componenten is het vaak nodig om de warmteontwikkeling te beperken tot uitsluitend de gebieden die bij het hardsolderen worden bewerkt.

Een te hoge warmtetoevoer kan de eigenschappen van het onderdeel namelijk veranderen of gevoelige materialen beschadigen.

Om die reden worden er verschillende verwarmingstechnieken toegepast.

Vlamsolderen

Het kan worden gebruikt voor een relatief flexibele productie of voor grotere onderdelen.

Het resultaat hangt echter in belangrijke mate af van de handelingen van de operator.

Inductieloten

Inductieloten is met name interessant voor elektrische contacten, omdat het de volgende verwarmingsmogelijkheden biedt:

• snel;
• gelokaliseerd;
• regelbaar;
• zeer goed herhaalbaar.

Het leent zich ook uitstekend voor automatisering en massaproductie.

Stoven in de oven

Voor bepaalde soorten onderdelen en bij grote productievolumes kan ook ovenhardsolderen worden toegepast.

Het belangrijkste voordeel is de grote uniformiteit van de thermische cyclus en de mogelijkheid om talrijke onderdelen tegelijkertijd te bewerken.

De rol van deoxidatiemiddelen

Wanneer er in aanwezigheid van lucht wordt gesoldeerd, kan de vorming van oxiden het proces aanzienlijk verstoren.

Het soldeervloeimiddel vervult daarom een essentiële functie:

• verwijdert oppervlakteoxiden;
• beschermt materialen tijdens het verwarmen;
• verbetert de bevochtigbaarheid;
• bevordert de vloeibaarheid van de legering.

Bij de keuze van het ontzuuringsmiddel moet rekening worden gehouden met:

• te verbinden materialen;
• hardlooplegering;
• procestemperatuur;
• verwarmingsmethode;
• eventuele verdere reinigingswerkzaamheden.

Bij processen die plaatsvinden in een gecontroleerde atmosfeer of onder vacuüm kan het gebruik van flux worden beperkt of zelfs overbodig zijn, afhankelijk van de toepassing.

Voorvormen en regeling van de hoeveelheid legering

Bij de industriële productie van elektrische contacten is herhaalbaarheid een van de belangrijkste aspecten.

Het gebruik van een variabele hoeveelheid legering kan leiden tot aanzienlijke verschillen tussen de ene component en de andere.

Om deze reden worden vaak de volgende gebruikt:

• ringen;
• ringen;
• schijven;
• segmenten;
• bepaalde vormen;
• andere soorten voorvormen van hardsoldeerlegeringen.

Met behulp van een voorvorm kan een vooraf bepaalde hoeveelheid legering in de verbinding worden aangebracht.

Hiermee kun je:

• de variabiliteit verminderen;
• het teveel aan legering beperken;
• de herhaalbaarheid verbeteren;
• automatisering vereenvoudigen;
• afval verminderen;
• de productiviteit verhogen.

De geometrie van de voorvorm kan ook worden aangepast aan de vorm van het te solderen onderdeel.

Hardsolderen en automatisering

De sector van elektrische contacten wordt vaak gekenmerkt door productie op grote schaal.

Om die reden worden veel processen vanaf het begin af aan ontworpen met het oog op automatisering.

Een geautomatiseerde productielijn kan het volgende aansturen:

Door deze stappen te standaardiseren, worden de verschillen tussen de afzonderlijke onderdelen verkleind en wordt de algehele stabiliteit van het proces verbeterd.

Typische toepassingen

Hardsolderen kan worden toegepast bij verschillende onderdelen in de elektrische en elektromechanische sector.

Tot de toepassingen behoren onder meer:

1. Relais:  Verbinding van contactelementen en materialen met hun metalen dragers.
2. Schakelaars: Samenstelling van componenten die zijn ontworpen voor frequente schakelcycli en hoge stromen.
3. Schakelaars en beveiligingsapparatuur:  Componenten die een hoge mechanische en elektrische betrouwbaarheid vereisen.
4. Aansluitingen en verbindingen: Toepassingen waarbij de beheersing van de elektrische weerstand en de mechanische robuustheid van bijzonder groot belang zijn.
5. Elektrische verdeelapparatuur: Onderdelen die worden gebruikt in schakelkasten, verdeelapparatuur en industriële systemen.

Belangrijkste punten die moeten worden gecontroleerd

Hetzelfde defect kan door meerdere oorzaken worden veroorzaakt: daarom moet bij de analyse altijd rekening worden gehouden met het gehele soldeersysteem.

Gezamenlijke kwaliteits- en procescontrole

Bij elektrische componenten moet de kwaliteit van de verbinding niet alleen vanuit esthetisch oogpunt worden beoordeeld.

Afhankelijk van de toepassing kunnen controles nodig zijn met betrekking tot:

• een juiste verdeling van de legering;
• gewrichtsvulling;
• mechanische weerstand;
• afmetingen en geometrie;
• continuïteit van de verbinding;
• elektrische prestaties;
• weerstand tegen thermische cycli.

Het niveau en het type controle moeten worden vastgesteld op basis van de eisen die aan de component worden gesteld en de gebruiksomstandigheden.

Conclusie

Bij het hardsolderen voor elektrische contacttoepassingen is een evenwicht nodig tussen mechanische prestaties, elektrische eigenschappen en de stabiliteit van het productieproces.

De kwaliteit van het resultaat hangt af van de juiste combinatie van:

• te verbinden materialen;
• hardlooplegering;
• gewrichtsgeometrie;
• ontzuurder;
• opwarmtechniek;
• hoeveelheid legering;
• regeling van de thermische cyclus.

Met name bij productie in grote volumes kan het gebruik van voorvormen en geautomatiseerde processen de herhaalbaarheid aanzienlijk verbeteren en de variatie tussen onderdelen verminderen.

Een correct procesontwerp maakt het dus niet alleen mogelijk om betrouwbare verbindingen te verkrijgen, maar ook om afval te verminderen, de productiviteit te verbeteren en de betrouwbaarheid van het eindproduct te vergroten.

Thessco-oplossingen voor elektrische contacten

Thessco obiedt een breed scala aan oplossingen voor toepassingen in de elektrische en elektromechanische sector, waarbij bijzondere aandacht wordt besteed aan de kwaliteit en herhaalbaarheid van industriële processen.

Het assortiment omvat:

• soldeerlegeringen op basis van zilver;
• legeringen die verkrijgbaar zijn in verschillende smeltbereiken en samenstellingen;
• garens, linten en vellen;
• ringen en voorvormen die kunnen worden ontworpen op basis van de geometrie van het onderdeel;
• AGELCA Eco Green soldeervloeimiddelen;
• oplossingen voor handmatige en geautomatiseerde processen.

Door de juiste combinatie van legering, vorm, vloeimiddel en soldeertechniek kunnen betrouwbaardere processen worden ontwikkeld die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van toepassingen met elektrische contacten.