EP1640108B1 - Procédé de fabrication d'un contact - Google Patents

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EP1640108B1
EP1640108B1 EP04022661A EP04022661A EP1640108B1 EP 1640108 B1 EP1640108 B1 EP 1640108B1 EP 04022661 A EP04022661 A EP 04022661A EP 04022661 A EP04022661 A EP 04022661A EP 1640108 B1 EP1640108 B1 EP 1640108B1
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EP
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laser
contact according
coating
laser pulse
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Klaus Frietsch
Matthias Dr. Müller
Karlheinz Storz
Richard Hettich
Tobias Wölfle
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Hugo Kern und Liebers & Co KG Platinen-Und Federnfabrik GmbH
Original Assignee
Hugo Kern und Liebers & Co KG Platinen-Und Federnfabrik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/041—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H2011/0087—Welding switch parts by use of a laser beam

Definitions

  • the invention relates to a method for producing contacts according to the preamble of claim 1.
  • US-A-4 348 263 a treatment of a carrier material prior to the electrolytic coating with a noble metal or a noble metal alloy by a pulsed laser beam is described.
  • example 3 from US Pat. No. 4,348,263 it is described that the carrier material or the substrate is displaced between individual pulses, so that individual laser treatment points overlap with about 30%.
  • the documents DE 28 49 716 A and DE 30 05 662 A describe contact coating methods using pulsed laser light, wherein the required energy for melting or liquefying the carrier material or the coating material is introduced by a laser pulse in the welding region of the contact.
  • a laser pulse train contains 10 to about 20 temporally spaced laser pulses. It is advantageous if these laser pulses have an approximately equal peak energy and an approximately equal energy density and an approximately equal pulse length.
  • a plurality of laser pulse trains are usually connected in series. It has been found to be particularly advantageous if the Laserpulsrepetitionsrate in the range of about 5kHz to about 50kHz, preferably between about 10kHz to 20kHz and the Laserpulszugrepetitionsrate within the Laserpulszuges about 50Hz to 500Hz, preferably 50Hz to 150Hz. The upper limit of the laser pulse repetition rate is in the range of 50 kHz.
  • the laser pulse pauses are too small, so that the melt can not solidify and the Melt volume increases during the course of the coating, whereby the mixing processes increase.
  • the laser pulse repetition rate within a laser pulse train is decisive for the efficiency of the method. It is also possible to carry out the process with a laser pulse repetition rate of less than 10 kHz, but the coating process then proceeds correspondingly slower.
  • a U-shaped stamped part 10 made of sheet metal, z. B. steel or a copper alloy is inserted into a support block 12.
  • a carrier 14 formed contact springs, which are formed in the example shown as round wires.
  • the carriers 14 are welded with their rear ends on embossing ribs 16 of the stamped part 10.
  • the free ends 18 of the carrier 14 are bent at right angles.
  • a contact-giving coating 20 is provided which has been applied by means of the method according to the invention.
  • the end face of the coating 20 is seated on printed conductors, not shown. In this way, the micro-grinding contact via the coating 20, the carrier 14 and the U-shaped stamped part 10 connect two interconnects.
  • a large number of contact points can be arranged side by side on a relatively small width of, for example, 2 mm.
  • contact springs By punching the carrier 14, a gap remains between each of them, so that the number of juxtaposed to a predetermined width carrier 14 is lower in such an embodiment.
  • the degree of purity of the coating is crucial. The less carrier material near the surface of the coating 20, the more accurately the desired alloy composition is achieved and the lower are the corrosion phenomena on the coating surface and the more constant the contact resistance over time.
  • coating material preferably metal powder, of an alloy containing a noble metal is applied continuously to the surfaces of the carriers 14.
  • the build-up welding which preferably takes place under protective gas, takes place by means of a pulsed laser beam. It is crucially important that the operating parameters are dimensioned such that the temperature in the welding region 22 oscillates around the melting temperature in such a way that the melt is alternately liquefied and solidifies again.
  • the pulse energy of a laser pulse is between about 0.5 mJ and 5 mJ, in particular between 1 mJ and 2 mJ.
  • the effective laser beam cross-sectional area amounts to about 0.05 mm 2 for a preferred laser beam diameter of 250 ⁇ m.
  • the thickness of the applied with a laser crossing coating is depending on the requirement about 10 .mu.m to 50 .mu.m, with advantage about 30 .mu.m.
  • the coating takes place in several laser pulse trains, wherein for coating the surface of a round wire of a micro-contact about a laser pulse train is necessary and for coating a spring tongue about three laser pulses are necessary.
  • the coating length of a laser pulse train is about 0.1 mm.
  • the laser pulse repetition rate is between 50 Hz and 500 Hz, preferably between 50 Hz and 150 Hz.
  • the laser beam diameter of about 250 ⁇ m is large compared to the diameter of a single carrier (round wire) of 0.1 mm.
  • FIG. 6 shows the relative laser pulse energy and the temperature in the melting zone during a laser pulse train, here by way of example only six periodic single laser pulses, as a function of time.
  • the absolute dimensions are given in the value ranges given in the description and the claims.
  • the temperature in the welding region oscillates around the melting temperature of the carrier material and of the coating material.
  • the diagram shows by way of example that the energy of the laser beam drops to zero between two adjacent energy peaks. This is not absolutely necessary - it is sufficient if one phase lags between two peaks Laser energy is provided.
  • the parameters must be chosen so that the melt has sufficient time to at least partially release the heat to the substrate and thereby solidify.
  • laser pulse trains are also conceivable in which longer pauses without laser application are maintained between the individual laser pulses, which serve as cooling phases.
  • the illustrated waveform of the energy curve of the laser pulses is chosen only as an example. Other waveforms are also conceivable, for example, a more rectangular, trapezoidal, sinusoidal or triangular energy profile.
  • the melt cools again in the time interval 3 and the coating solidifies completely.
  • the percentage of coating material 28 in this region of the melt increases and the mixing with molten carrier material decreases very rapidly.
  • the purity achieved by the method according to the invention can only be achieved by the fact that the melt is alternately liquefied and solidifies again. As a result, only the respective upper layer of the applied coating is melted, with the result that the percentage of the newly added, continuously supplied coating material increases with increasing coating thickness. Even at low thicknesses of the coating results in a high purity of the coating material in the surface area. Due to the very high surface / volume ratio, the metal powder has a high specific absorption of the laser energy and is therefore preferably heated and melted.
  • the "mirroring" base material of the carrier absorbs the laser energy only at a depth of about the size of the wavelength of the laser and is thereby heated only at the surface.
  • the heat is dissipated in the carrier. This results in an advantageous ratio of coating material to carrier material in the coating.
  • the coating thickness profile and the coating contour profile can be varied. If the coating is to be made thicker at some points of the carrier than at other locations, this special area can either be run over several times by the laser or the relative speed can be reduced in the area. Likewise, it is conceivable to influence the coating process, for example, via the laser pulse energy density or the laser pulse length as well as the repetition rate.
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of a micro-grinding contact.
  • the contact-providing coating 20 is not provided at the free ends 18 of the carriers 14.
  • the contact-giving coating 20 is provided on the outer radius of the bent support 14.
  • the carrier 14 is seated with the provided on the outer radius coating 20 on printed conductors, not shown. This way you can the micro-grinding contact via the coating 20, the carrier 14 and the U-shaped stamped part 10 connect two interconnects together.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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Claims (26)

  1. Procédé de fabrication d'un contact, selon lequel on dépose un revêtement donnant contact sur un support par soudage au laser en utilisant un laser pulsé, avec apport de matière de revêtement, dans au moins un train d'impulsions laser,
    caractérisé en ce que
    les paramètres de fonctionnement du laser pulsé sont dimensionnés de telle façon que la température dans la zone de soudage pendant l'opération de soudage oscille autour du point de fusion, notamment de telle façon que le bain soit alternativement liquéfié et de nouveau solidifié, les paramètres de fonctionnement déterminants étant l'énergie des impulsions laser et les écarts entre pointes d'impulsions laser, l'énergie des impulsions laser doit être suffisante pour fondre aussi bien la matière du support que la matière de revêtement, et on choisit les écarts entre les pointes d'impulsion laser pour que le bain ait suffisamment de temps pour que la température baisse en dessous du point de fusion par conduction thermique dans la matière du support et/ou dans la matière de revêtement déjà déposée.
  2. Procédé de fabrication d'un contact selon la revendication précédente,
    caractérisé en ce qu'
    un train d'impulsions laser contient de préférence environ 10 à environ 20 impulsions laser espacées l'une de l'autre dans le temps, de préférence avec une énergie de pointe sensiblement égale et/ou avec une densité d'énergie sensiblement égale et/ou avec une longueur d'impulsion sensiblement égale.
  3. Procédé de fabrication d'un contact selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que
    la densité d'énergie d'une impulsion laser atteint environ 0,05 mJ/cm2 à environ 0,5 mJ/cm2, de préférence environ 0,1 mJ/cm2 à environ 0,2 mJ/cm2.
  4. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la longueur d'impulsion laser atteint environ 0,01 ms à environ 0,1 ms, de préférence environ 0,025 ms à environ 0,075 ms.
  5. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la fréquence de répétition des impulsions laser atteint environ 5 kHz à environ 50 kHz, de préférence environ 10 kHz à environ 20 kHz.
  6. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la densité de puissance des pointes d'impulsions laser atteint environ 1*104 W/cm2 à environ 1*105 W/cm2.
  7. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    le diamètre utile du faisceau laser atteint environ 0,1 mm à environ 1 mm, de préférence environ 0,2 mm à environ 0,5 mm.
  8. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la surface de la section transversale du faisceau laser atteint environ 0,03 mm2 à environ 3,15 mm2, de préférence environ 0,28 mm2 à environ 0,79 mm2.
  9. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce qu'
    on prévoit un mouvement relatif entre le laser et le support, dans lequel la vitesse relative entre le laser et le support atteint environ 1 mm/s à 20 mm/s, de préférence environ 5 mm/s à 10 mm/s.
  10. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce qu'
    on émet plusieurs trains d'impulsions laser pour le revêtement d'un support, de préférence avec une fréquence de répétition des impulsions laser d'environ 50 Hz à environ 500 Hz, de préférence d'environ 50 Hz à environ 150 Hz.
  11. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l'épaisseur du revêtement déposé avec un train d'impulsions laser atteint environ 5 µm à environ 100 µm, de préférence environ 30 µm.
  12. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    le faisceau laser est de nouveau positionné après un train d'impulsions, de préférence à proximité d'une trace déjà revêtue pour la réalisation d'un revêtement étendu.
  13. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la pointe d'énergie d'une première impulsion laser d'un train d'impulsions laser est plus élevée, ou les pointes d'énergie des premières impulsions laser d'un train d'impulsions laser sont plus élevées que les autres pointes d'énergie des impulsions laser du train d'impulsions laser.
  14. Procédé de fabrication d'un contact selon la revendication 13,
    caractérisé en ce que
    les pointes d'énergie des impulsions laser successives d'un train d'impulsions laser diminuent de préférence de façon linéaire ou logarithmique.
  15. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce qu'
    on surveille la température du bain, en particulier avec une caméra infrarouge, et on commande l'exposition du bain au faisceau laser en fonction de la température du bain, de préférence de telle façon que, lorsque la température du bain descend en dessous du point de fusion, le bain reçoive au moins une impulsion laser.
  16. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce qu'
    on produit un revêtement s'adaptant géométriquement du support (14) avec la matière de revêtement (28), en modifiant au moins un paramétre de fonctionnement pendant l'opération de soudage, de préférence en fonction de la température du support (14) et/ou en fonction de la température du revêtement (20) et/ou en fonction de la température du bain et/ou en fonction de l'épaisseur du revêtement.
  17. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce qu'
    on fait varier l'épaisseur du revêtement en effectuant plusieurs passages au même endroit avec le faisceau laser, de préférence en passant plusieurs fois sur une trace déjà revêtue.
  18. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    les contacts fabriqués sont des microcontacts frottants avec plusieurs ressorts de contact pourvus d'un revêtement.
  19. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la matière de revêtement (28) se compose d'un alliage qui contient au moins un métal noble.
  20. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l'alliage pour le revêtement contient un ou plusieurs des métaux platine, palladium, or et argent.
  21. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l'alliage contient du cuivre avec au moins un métal noble.
  22. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la longueur d'onde de la lumière laser pour une matière de support contenant du cuivre atteint environ 532 nm.
  23. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la longueur d'onde de la lumière laser pour une matière de support contenant du fer atteint environ 1064 nm.
  24. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l'apport de matière de revêtement est effectué en continu.
  25. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la matière de revêtement est apportée sous forme de poudre, de préférence est soufflée au moyen d'un transporteur de poudre sous gaz protecteur (par exemple Ar, N2, He).
  26. Procédé de fabrication d'un contact selon l'une quelconque des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la matière de revêtement est fondue à partir d'un corps d'appoint, en particulier un fil en matière de revêtement, par exposition au laser et de cette façon apportée à la zone de soudage.
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