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Punktschweißen von Buntmetall und Abisolieren von Kabeln - LAZ/LIM



Problem:

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Abb.1: Laserabisoliertes Flachbandkabel und Punktschweissverbindungen mit Stecker

    In der Automobilzulieferindustrie werden traditionelle Verbindungstechnologien wie z.B. das Krimpen von Kabellitzen zunehmend durch neue Technologien ersetzt. Der Einsatz von Flachbandkabeln und Stanzgittern mit Massivkontakten verspricht eine Effektivierung der Fertigungstechnologie. Zur Herstellung der Verbindung zwischen Kabel und Kontakt stehen mehrere Verfahren, wie:

    • Löten
    • Ultraschallschweißen
    • Laserschweißen
    zur Auswahl. Die Entscheidung für ein bestimmtes Verfahren kann erst nach gründlicher Voruntersuchung unter Beachtung des Gesamtfertigungsprozesses getroffen werden.

Aufgabe:

    Bereits im Jahr 1996 trat die Firma ODW ELEKTRIK GmbH, Steinau an der Straße, an das LAZ Mittweida heran, um sich zunächst allgemein zum Laserschweißen beraten zu lassen. Die Firma hatte bereits gute Erfahrungen mit der Laserbeschriftung gemacht und stand deshalb weiteren Laserbearbeitungstechnologien positiv gegenüber. Von der Firma werden Zulieferteile für Automobilairbags hergestellt, die höchsten Qualitätsanforderungen genügen müssen.
    Es sollten Laserschweissuntersuchungen an konkreten Bauelementen für einen neuen Airbag durchgeführt werden, um im Endeffekt entscheiden zu können, ob die Lasertechnologie sinnvoll in den Produktionsprozeß integriert werden kann.
    Die Komplexität dieser Aufgabe machte es nötig, das Vorhaben in mehrere Untersuchungsschritte zu unterteilen. Insgesamt wurden vier Erprobungen und Beratungen mit folgendem Inhalt durchgeführt:

    • Untersuchungen zur Laserschweissbarkeit unterschiedlicher Buntmetalllegierungen
    • Optimierung der Parameter zum Schweißen von 0,12mm dickem Kupfermaterial auf 0,7mm dickes Bronzematerial für beide Lasereinwirkrichtungen
    • Optimierung einer Spannvorrichtung für 4- und 6-poliges Flachbandkabel und Steckerkontakten für die Laserbearbeitung
    • Untersuchungen zum Abisolieren eines Flachbandkabels mit Laserabtragen
    • Punktschweißen von 4- und 6-poligen Flachbandkabel an einen vergossenen abgewinkelten Stecker mit Massivanschlüssen

Lösung:

    Im ersten Schritt wurden Voruntersuchungen zur Schweissbarkeit von verschiedenen Buntmetallegierungen durchgeführt, die für den speziellen Fall hätten eingesetzt werden können. Nach Prüfung dieser Punktschweissverbindungen entschied sich die Firma für Cu/CuSn6 als Verbindungsmaterialien. Die Leiterzüge des Flachbandkabels aus Kupfer hatten eine Dicke von 0,12mm und die Massivanschlüsse des Steckers aus Bronze eine Dicke von 0,7mm. Die Schwierigkeit bei der Realisierung dieser Verbindung bestand neben der Überwindung des hohen Reflexionsgrades der beiden Materialien zunächst darin, daß durch die vorhandene Fertigungslinie vorgegeben war, die Laserschweissung von der Seite der dickeren Massivanschlüsse des Steckers aus durchzuführen.
    Die Laserschweissverbindungen wurden mit einer 120W Nd:YAG-Laseranlage und alternativ mit einem 30W Nd:YAG-Handarbeitslaser für Dentalanwendungen (Firma Girrbach) realisiert. Mit beiden Anlagen konnten gute Bearbeitungsergebnisse erzielt werden, wobei sich aber zeigte, daß nur ein beschränktes Parameterfenster existiert. Neben den exakten Pulsparametern war besonders auf einen guten Kontakt der Teile und eine entsprechende Defokussierung der Laserstrahlung zu achten.
    Nach der Parameteroptimierung war der nächste Schritt, eine einfache Automatisierung zu realisieren, um die Zuverlässigkeit des Prozesses zu prüfen. Hierzu wurde eine vorhandene Spannvorrichtung so modifiziert, daß die Steckerkontakte auf den Leiterzügen des 4- und 6-poligen Flachbandkabels exakt fixiert werden konnten. Mit Hilfe dieser Vorrichtung wurden erste Muster für weiterführende Tests gefertigt.
    Bei einer neueren Version des Steckers machte es die äußere Form erforderlich, die Schweisstechnologie dahingehend umzustellen, daß der Laserstrahl im Gegensatz zur vorher praktizierten Variante von dem dünneren Flachkabelmaterial absorbiert werden mußte. Das Kupfer wies einen höheren Reflexionsgrad auf als das Bronzematerial der Massivkontakte des Steckers. Dadurch wurde der Schweissprozeß empfindlicher gegenüber Parameteränderungen. Zur Erhöhung der Haltbarkeit und somit auch der Zuverlässigkeit wurden pro Leiterzug und Steckerkontakt zwei Schweisspunkte realisiert. Als schwierig erwies es sich, mit der vorhandenen Vorrichtung die dünnen Leiterzüge eben und ohne Luftspalt auf den Kontakten zu spannen, um eine gute Schweissverbindung zu gewährleisten.
    Die Abisolierung des Flachbandkabels sollte möglichst in den Fertigungsprozeß integriert werden. Als Laserverfahren wurde von der Firma zunächst extern das Abtragen mit dem Maskenprojektionsverfahren unter Verwendung eines TEA-Pulslasers erprobt. Die Qualität des abisolierten Fensters war sehr gut, aber das Betriebsgeräusch des Lasers erwies sich als zu störend für die Fertigung. Als Alternative wurde deshalb am LAZ Mittweida ein Abtragsverfahren mittels Scannen des Laserstrahles zur Erzeugung des isolationsmaterialfreien Fensters erprobt. Das Fenster sollte eine Höhe von 5mm bei einer Kabelbreite von 16mm haben. Die ersten Versuche dazu wurden mit einem gepulsten 400W CO2-Laser auf einer 2-Achs-Portalanlage durchgeführt. Da eine Beschädigung der Leiterzüge sowie ein Materialaufwurf bzw. die Verkohlung des Kunststoffes unbedingt vermieden werden mußten, existierte für das Verfahren nur ein sehr kleines Parameterfenster. Für das beidseitige Abisolieren eines Kabels wurden ca. 10s Prozeßzeit benötigt. Zur beseren Integration der Technologie in die geplante Fertigungslinie wurde als Alternative die Bearbeitung mit einer Scanneroptik erprobt. Damit wurden zwar keine Zeitvorteile erzielt, aber mit der Verwendung dieser Optik muß das Kabel für den Abtragsprozeß nicht bewegt werden, was insgesamt technologische Vorteile bringt.
    Im Anschluß an diese Beratungen und Erprobungen wurde eine Laserfirma mit der Herstellung von ca. 60 Musterteilen beauftragt. Die Hälfte dieser Teile wurde einem 72 stündigen Salzsprühnebeltest zur Bestimmung des Langzeit-Korrosionsverhal-tens unterzogen. Die restlichen Teile durchliefen einen längeren Zug- Biegetest zur Ermittlung der Haltbarkeit der Schweissverbindung. Diese Tests bestätigten die Tauglichkeit der Lasertechnologien für den speziellen Einsatzfall.

Fazit:

    Mit diesen über mehrere Etappen verlaufenden Beratungen und Erprobungen wurde nachgewiesen, daß die Lasertechnologien

    • Punktschweißen und
    • Abtragen
    in die Herstellung eines qualitativ hochwertigen Bauteiles für einen Automobilairbag effektiv integriert werden können.

Bearbeiter:

 
 
Erstellt: 14.08.2009 12:53:10 | Letzte Änderung: 22.01.2003 13:59:21
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