Soldadura por pulso magnético para ensamblaje de vehículos eléctricos

Esta barra colectora de cobre y aluminio se ensambló mediante soldadura por pulso magnético. Foto cortesía de PSTproducts GmbH

La soldadura por pulso magnético puede unir terminales de alta resistencia a cables gruesos con alta compresión, alta resistencia y baja resistencia. Foto cortesía de PSTproducts GmbH

Un sistema típico de soldadura por impulsos magnéticos incluye una fuente de alimentación que contiene un banco de condensadores, un sistema de conmutación de alta velocidad y una bobina. Foto cortesía de PSTproducts GmbH

En la soldadura por impulsos magnéticos, los condensadores se descargan en una bobina hecha a medida para el conjunto. Esto crea un intenso campo magnético transitorio. Este campo magnético induce corrientes parásitas en cualquier material conductor cercano, en la dirección opuesta a la corriente primaria. Los campos opuestos dan como resultado una alta fuerza de repulsión, que impulsa la pieza de trabajo más cercana a la bobina a alta velocidad hacia la pieza de trabajo estacionaria, lo que resulta en un alto impacto entre los dos metales. Foto cortesía de PSTproducts GmbH

La revolución de los vehículos eléctricos plantea numerosos desafíos de ensamblaje para los ingenieros, como cómo unir metales diferentes y cómo conectar terminales grandes a cables gruesos. Irónicamente, una tecnología centenaria, la soldadura por impulsos magnéticos (MPW), podría ser la respuesta a estos problemas.

MPW, un proceso sin contacto, utiliza presión electromagnética para acelerar una pieza metálica y producir un impacto contra otra pieza metálica. El enlace atómico creado por este proceso es similar al enlace creado por la soldadura por explosión. La técnica se puede utilizar para unir metales tanto similares como diferentes.

MPW se desarrolló originalmente a finales del siglo XIX como un método para formar láminas de metal. En la década de 1960, el proceso de conformado se adaptó a un proceso para soldar los cierres finales de barras de combustible nuclear.

Un sistema típico de soldadura por impulsos magnéticos incluye una fuente de alimentación que contiene un banco de condensadores, un sistema de conmutación de alta velocidad y una bobina. Se introducen las piezas a unir en la bobina, se carga la batería de condensadores y se activa el interruptor de alta velocidad. A medida que se aplica corriente a la bobina, se crea un campo magnético y el componente externo colapsa sobre el componente interno.

Una cantidad significativa de energía (de 5 a 200 kilojulios) se almacena en los condensadores, que se cargan a un alto voltaje (de 3.000 a 30.000 voltios). Luego, los condensadores se descargan a través de barras colectoras de baja inductancia y alta conductividad en una bobina hecha a medida para el ensamblaje. La corriente resultante toma la forma de una onda sinusoidal amortiguada. Las corrientes máximas durante este proceso oscilan entre decenas de miles y millones de amperios, con anchos de pulso medidos en microsegundos.

Esto crea un campo magnético transitorio extremadamente intenso en las proximidades de la bobina. El campo magnético induce corrientes parásitas en cualquier material conductor cercano, en dirección opuesta a la corriente primaria. Los campos opuestos entre la bobina y la pieza de trabajo dan como resultado una fuerza de repulsión elevada. Esta fuerza impulsa la pieza de trabajo más cercana a la bobina a alta velocidad hacia el objetivo, la pieza de trabajo estacionaria, lo que resulta en un alto impacto entre los dos metales.

La presión del impacto elimina los contaminantes y óxidos de la superficie de las piezas y proporciona un contacto íntimo a través de la interfaz de la junta, creando una unión de estado sólido sin derretir los materiales. No hay zona afectada por el calor y se preserva la pureza de los metales, en la superficie y debajo de la superficie.

Como resultado, el proceso es particularmente adecuado para unir metales diferentes, como cobre y aluminio, ya que se crean pocos o ningún compuesto intermetálico. La junta es hermética a los gases y más resistente que los materiales originales.

Las propiedades magnéticas de los materiales de la pieza no son relevantes. El campo electromagnético es lo suficientemente fuerte como para que funcione cualquier metal conductor.

Las piezas a unir deben ubicarse a una distancia de 1 a 2 milímetros entre sí, para que se pueda acelerar. A pesar de esa corta distancia, la velocidad de la pieza en el momento del impacto puede superar los 300 metros por segundo.

MPW tiene numerosas ventajas, además de la capacidad de unir metales diferentes. Para empezar, es rápido. El proceso dura de 10 a 100 microsegundos. La única limitación de tiempo es cargar y descargar las piezas y cargar los condensadores. El proceso es adecuado para la producción en masa.

El proceso no requiere consumibles. No hay necesidad de materiales de relleno ni gas protector, y no hay electrodos que limpiar o reemplazar.

Es un proceso seguro. No produce humo ni radiación y no se requiere equipo de extracción de humos.

Después de soldar, casi no quedan tensiones residuales en la unión y no se produce corrosión en la zona de soldadura. Se puede lograr una distorsión cero de la pieza dependiendo de los materiales y la geometría de la pieza.

Por otro lado, el proceso tiene algunas limitaciones. Puede resultar complicado aplicarlo a soldaduras que no sean aproximadamente circulares, por lo que es posible que sea necesario cambiar la geometría de las piezas. Si las piezas no se pueden deslizar dentro y fuera de la bobina de pulso. Se debe diseñar una bobina de varias partes más compleja. Además, es posible que sea necesario rediseñar la bobina si cambian los materiales o las dimensiones de las piezas.

Los componentes frágiles pueden romperse debido al impacto. Además, el pulso electromagnético puede desactivar temporal o permanentemente los equipos eléctricos y electrónicos que se encuentran dentro o cerca de las piezas.

Finalmente, el proceso no es barato. Para ensamblajes de bajo volumen, el costo de inversión inicial puede superar el precio más bajo por soldadura.

MPW requiere una configuración de junta traslapada, ya que la parte exterior debe impactar la parte interior para crear la soldadura.

El proceso MPW tiene numerosas aplicaciones para el ensamblaje de vehículos eléctricos, como barras colectoras y carcasas de baterías. Puede conectar terminales de alta resistencia a cables gruesos con alta compresión, alta resistencia y baja resistencia. El proceso puede alojar cables con una sección transversal de hasta 400 milímetros cuadrados.

Las bolsas para baterías son ventajosas por su bajo peso y porque se pueden apilar fácilmente unas encima de otras. Sin embargo, son sensibles al aporte de calor. MPW es ideal para montar estas bolsas, porque funciona sin aporte de calor y sin tocar las pestañas. El proceso puede soldar pestañas de aluminio de polaridad positiva a pestañas de cobre de polaridad negativa, que pueden estar recubiertas de níquel o sin revestir. Al ser un proceso en frío, las partes plásticas de las bolsas, aislantes y tiras selladoras no se derriten. Después de soldar, la resistencia eléctrica en la unión es igual a la del metal base. Se pueden realizar varias soldaduras simultáneamente con un solo pulso.

El proceso se puede utilizar incluso para soldar conjuntos de marcos, tirantes y perfiles de chapa para la fabricación de carrocerías en blanco. En este caso, la capacidad de MPW para soldar materiales diferentes, como acero y aluminio, puede beneficiar los esfuerzos de aligeramiento. Se pueden realizar soldaduras de hasta 2 metros de largo con un solo pulso.

Más allá de la industria de los vehículos eléctricos, el MPW se puede utilizar para ensamblar tubos de torsión, líneas de combustible y recipientes a presión.

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