Bimetallic Aluminum - Copper Hybrid Metal Extrusion & Bonding Welded Electrical Busbars

Abstract

Interessen for ulik metallsveising for elektriske applikasjoner øker. Aluminium (Al) - Kobber (Cu) forbindelser var opprinnelig boltet, men på grunn av hyppig vedlikehold har kaldsveis bindingsteknikker vært ettertraktet for binding av Al - Cu ledere. Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) er en ny kaldsveiseteknikk. HYB har blitt brukt til å binde forskjellige metaller og metallkombinasjoner, men denne oppgaven vil dekke dens kapasitet ved binding av Al - Cu. Al - Cu HYB bundne prøver testes og analyseres når det kommer til deres brukbarhet som elektriske samleskinner. Elektriske samleskinner krever gode mekaniske egenskaper for deres strukturelle integritet. Elektriske egenskaper og mekaniske egenskaper er også sterkt koblet sammen, noe som gjør mekaniske egenskaper til en god indikator for elektriske egenskaper. Intermetalliske forbindelser (IMCs) produseres ved grensesnittet til sveisen. IMC er nødvendig å skape et bånd, men har iboende mer motstand og sprø egenskaper. IMC-lag vokser ved høye temperaturer og det er viktige faktorer i hvordan samleskinnene må dimensjoneres. Et lite tverrsnitt vil redusere levetiden ved rask vekst av IMC. Oppgaven målte IMC-vekst ved hjelp av Transmisjonselektronmikroskop (TEM) og TEM Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), samt å bruke Scanning Electron Microscope (SEM) og SEM EDX. Prøver ble varmet opp ved to forskjellige temperaturer; 200 ◦C og 250 ◦C. Dataene fra disse temperaturene laget både en isotermisk og isokinetisk modell for HYB IMC-veksten. Ledningsevnen av en uoppvarmet HYB-prøve, samt tre HYB-prøver oppvarmet til 250 ° C ble testet. Elektriske målinger fant en økning i motstand ved sveisegrensesnittet for alle prøvene, men målefeilene var for store til å vise hvor mye motstandsøkningen ble forårsaket av IMC-vekst.

Interest in dissimilar metal welding for electrical applications is increasing. Aluminum (Al) - Copper (Cu) connections were originally bolted, but due to the frequent maintenance required, solid-state bonding techniques have been sought after for bonding Al - Cu conductors. The Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) is a new solid-state welding technique. HYB has been used to bond various metals and metal combinations, but this thesis will cover its capability when bonding Al - Cu. Al - Cu HYB bonded samples are tested and analyzed with regards to their usability as electrical busbars. Electrical busbars require good mechanical properties for their structural integrity. Electrical properties and mechanical properties are also highly linked, making mechanical properties a good indicator of electrical properties. Intermetallic Compounds (IMCs) are produced at the interface of the weld. IMCs are needed to create a bond, but have inherently more resistivity and brittle properties; deteriorating both the electrical and the mechanical properties. IMC layers grow at high temperatures making them important factors in how the busbars need to be dimensioned. A small cross-section will decrease its lifetime by the rapid growth of IMC. The thesis measured IMC growth by using Transmission Electron Microscope (TEM) and TEM Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), as well as using Scanning Electron Microscope (SEM) and SEM EDX. Samples were heated up at two different temperatures; 200 ◦C and 250 ◦C. The data from these temperatures made both an isothermal and isokinetic model for the HYB IMC growth. The conductivity of one unheated HYB sample, as well as three HYB samples heated at 250 ◦C was tested. Electrical measurements found an increase in resistance at the weld interface for all samples, but the measurement errors were too big to show how much the resistance increase, was caused by IMC growth.