Saldatura a impulsi magnetici per l'assemblaggio di veicoli elettrici

Questa barra collettrice in rame e alluminio è stata assemblata con saldatura ad impulsi magnetici. Foto per gentile concessione di PSTproducts GmbH

La saldatura a impulsi magnetici può collegare terminali per carichi pesanti a cavi spessi con elevata compressione, elevata resistenza e bassa resistenza. Foto per gentile concessione di PSTproducts GmbH

Un tipico sistema di saldatura a impulsi magnetici comprende un alimentatore che contiene un banco di condensatori, un sistema di commutazione ad alta velocità e una bobina. Foto per gentile concessione di PSTproducts GmbH

Nella saldatura a impulsi magnetici i condensatori vengono scaricati in una bobina realizzata su misura per l'assemblaggio. Questo crea un intenso campo magnetico transitorio. Questo campo magnetico induce correnti parassite in qualsiasi materiale conduttivo nelle vicinanze, nella direzione opposta alla corrente primaria. I campi opposti determinano un'elevata forza di repulsione, che spinge il pezzo più vicino alla bobina ad alta velocità verso il pezzo stazionario, provocando un forte impatto tra i due metalli. Foto per gentile concessione di PSTproducts GmbH

La rivoluzione dei veicoli elettrici sta ponendo numerose sfide di assemblaggio agli ingegneri, ad esempio come unire metalli diversi e come collegare terminali di grandi dimensioni su cavi spessi. Ironicamente, una tecnologia vecchia di un secolo, la saldatura a impulsi magnetici (MPW), potrebbe essere la risposta a questi problemi.

Un processo senza contatto, MPW utilizza la pressione elettromagnetica per accelerare una parte metallica per produrre un impatto contro un'altra parte metallica. Il legame atomico creato da questo processo è simile al legame creato dalla saldatura a esplosione. La tecnica può essere utilizzata per unire metalli simili e dissimili.

L'MPW è stato originariamente sviluppato alla fine del 1800 come metodo per la formatura della lamiera. Negli anni '60, il processo di formatura fu adattato a un processo per saldare le chiusure terminali delle barre di combustibile nucleare.

Un tipico sistema di saldatura a impulsi magnetici comprende un alimentatore che contiene un banco di condensatori, un sistema di commutazione ad alta velocità e una bobina. Le parti da unire vengono inserite nella bobina, il banco di condensatori viene caricato e l'interruttore di alta velocità viene attivato. Quando viene applicata corrente alla bobina, viene creato un campo magnetico e il componente esterno collassa sul componente interno.

Una notevole quantità di energia (da 5 a 200 kilojoule) viene immagazzinata nei condensatori, che vengono caricati ad alta tensione (da 3.000 a 30.000 volt). I condensatori vengono quindi scaricati attraverso sbarre collettrici a bassa induttanza e altamente conduttive in una bobina realizzata su misura per l'assemblaggio. La corrente risultante assume la forma di un'onda sinusoidale smorzata. Le correnti di picco durante questo processo variano tra decine di migliaia e milioni di ampere, con ampiezze di impulso misurate in microsecondi.

Ciò crea un campo magnetico transitorio estremamente intenso in prossimità della bobina. Il campo magnetico induce correnti parassite in qualsiasi materiale conduttivo nelle vicinanze, nella direzione opposta alla corrente primaria. I campi opposti nella bobina e nel pezzo producono un'elevata forza di repulsione. Questa forza spinge il pezzo più vicino alla bobina ad alta velocità verso il bersaglio, il pezzo stazionario, provocando un forte impatto tra i due metalli.

La pressione dell'impatto allontana i contaminanti superficiali e gli ossidi dalle parti e fornisce un contatto intimo attraverso l'interfaccia del giunto, creando un legame allo stato solido senza sciogliere i materiali. Non esiste alcuna zona alterata dal calore e la purezza dei metalli, in superficie e sotto la superficie, viene preservata.

Di conseguenza, il processo è particolarmente adatto per unire metalli diversi, come rame e alluminio, poiché si creano pochi o nessun composto intermetallico. Il giunto è a tenuta di gas e più resistente dei materiali di base.

Le proprietà magnetiche dei materiali del pezzo non sono rilevanti. Il campo elettromagnetico è abbastanza forte da far funzionare qualsiasi metallo conduttivo.

Le parti da unire dovrebbero trovarsi a una distanza compresa tra 1 e 2 millimetri l'una dall'altra, in modo che si possa accelerare. Nonostante la breve distanza, la velocità del pezzo all'impatto può superare i 300 metri al secondo.