Investigation of ultrasonic welding for large-cross-section copper conductors to copper terminals joints : process feasibility and microstructural evaluation
Keihänen, Taru (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026031821256
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026031821256
Tiivistelmä
This thesis investigates the applicability of ultrasonic welding for joining large-cross-sectional copper conductors and terminals, focusing on the influence of key process parameters (weld force, energy input, amplitude, and weld time) on joint quality. The effects of surface pretreatment and metallurgical phenomena on weld formation were also examined.
Experimental welding trials were conducted using 70 mm² and 95 mm² copper conductors. Tensile strength and voltage drop measurements, supported by metallographic cross-section analysis, were used to evaluate joint performance. Optimized parameters produced mechanically robust joints, with tensile strengths exceeding the base material in several cases and voltage losses remaining below 1 mV. Metallographic examination revealed plastic deformation and partial recrystallization without evidence of melting, although localised porosity and incomplete bonding were observed in some samples.
Surface preparation showed inconsistent effects on tensile strength and electrical performance, suggesting that the as-received material surfaces were already suitable for welding.
The study confirms ultrasonic welding as a viable method for joining large copper conductors when parameters are carefully optimized. Further research is recommended to evaluate long-term durability, fatigue behavior, and the influence of different welding systems and tooling. Tässä diplomityössä tutkitaan ultraäänihitsauksen soveltuvuutta suuripoikkipinta-alaisten kuparijohtimien ja -liittimien liittämiseen keskittyen prosessiparametrien (hitsausvoima, energiansyöttö, amplitudi ja hitsausaika) vaikutukseen liitoksen laatuun. Lisäksi tarkastellaan pinnan esikäsittelyn sekä metallurgisten ilmiöiden vaikutusta hitsin muodostumiseen.
Hitsauskokeet suoritettiin 70 mm²:n ja 95 mm²:n kuparijohtimille. Liitosten suorituskykyä arvioitiin vetokokeiden ja jännitehäviömittausten avulla, ja analyysiä täydennettiin metallografisilla tutkimuksilla. Optimoiduilla prosessiparametreilla saavutettiin mekaanisesti kestäviä liitoksia, joissa vetolujuus ylitti useissa tapauksissa perusmateriaalin vetolujuuden ja jännitehäviö jäi alle 1 mV:n. Metallografinen tarkastelu osoitti merkittävää plastista muodonmuutosta sekä paikoin uudelleenkiteytymistä ilman sulamisen merkkejä. Joissakin näytteissä havaittiin kuitenkin paikallista huokoisuutta ja epätäydellistä sitoutumista.
Pinnan esikäsittelyn vaikutus vetolujuuteen ja sähköiseen suorituskykyyn oli epäjohdonmukainen, mikä viittaa siihen, että materiaalien toimitustilainen pinta oli jo lähtökohtaisesti riittävä hitsaukseen.
Tutkimus osoittaa, että ultraäänihitsaus soveltuu hyvin suuripoikkipinta-alaisten kuparijohtimien liittämiseen, kun prosessiparametrit optimoidaan huolellisesti. Jatkotutkimusta suositellaan erityisesti pitkäaikaiskestävyyden, väsymiskäyttäytymisen sekä erilaisten hitsausjärjestelmien ja työkalujen vaikutusten arvioimiseksi.
Experimental welding trials were conducted using 70 mm² and 95 mm² copper conductors. Tensile strength and voltage drop measurements, supported by metallographic cross-section analysis, were used to evaluate joint performance. Optimized parameters produced mechanically robust joints, with tensile strengths exceeding the base material in several cases and voltage losses remaining below 1 mV. Metallographic examination revealed plastic deformation and partial recrystallization without evidence of melting, although localised porosity and incomplete bonding were observed in some samples.
Surface preparation showed inconsistent effects on tensile strength and electrical performance, suggesting that the as-received material surfaces were already suitable for welding.
The study confirms ultrasonic welding as a viable method for joining large copper conductors when parameters are carefully optimized. Further research is recommended to evaluate long-term durability, fatigue behavior, and the influence of different welding systems and tooling.
Hitsauskokeet suoritettiin 70 mm²:n ja 95 mm²:n kuparijohtimille. Liitosten suorituskykyä arvioitiin vetokokeiden ja jännitehäviömittausten avulla, ja analyysiä täydennettiin metallografisilla tutkimuksilla. Optimoiduilla prosessiparametreilla saavutettiin mekaanisesti kestäviä liitoksia, joissa vetolujuus ylitti useissa tapauksissa perusmateriaalin vetolujuuden ja jännitehäviö jäi alle 1 mV:n. Metallografinen tarkastelu osoitti merkittävää plastista muodonmuutosta sekä paikoin uudelleenkiteytymistä ilman sulamisen merkkejä. Joissakin näytteissä havaittiin kuitenkin paikallista huokoisuutta ja epätäydellistä sitoutumista.
Pinnan esikäsittelyn vaikutus vetolujuuteen ja sähköiseen suorituskykyyn oli epäjohdonmukainen, mikä viittaa siihen, että materiaalien toimitustilainen pinta oli jo lähtökohtaisesti riittävä hitsaukseen.
Tutkimus osoittaa, että ultraäänihitsaus soveltuu hyvin suuripoikkipinta-alaisten kuparijohtimien liittämiseen, kun prosessiparametrit optimoidaan huolellisesti. Jatkotutkimusta suositellaan erityisesti pitkäaikaiskestävyyden, väsymiskäyttäytymisen sekä erilaisten hitsausjärjestelmien ja työkalujen vaikutusten arvioimiseksi.