Das Ultraschall-Schweißverfahren löst schwierige Verbindungsprobleme – etwa zwischen Metall und Keramik – auf wirtschaftliche Weise. Speziell beim Ringnahtschweißen ist es konventionellen Produktionsmethoden überlegen.
Reinhard Züst ist Unternehmensbereichsleiter bei der Telsonic AG in Bronschhofen/Schweiz
Wenn herkömmliche Fügemethoden versagen oder unwirtschaftlich sind, kann das Ultraschall-Schweißen helfen. Mit diesem Kaltschweißverfahren lassen sich unterschiedliche Metalle nicht nur mit sich selbst, sondern auch untereinander sowie mit keramischen Werkstoffen verbinden. Besonders geeignet sind duktile Bunt- und Edelmetalle, aber auch Eisenwerkstoffe, die mit Bunt- oder Edelmetallen beschichtet sind. Sehr gute Resultate ergeben sich beispielsweise beim Verbinden von Aluminium und Kupfer.
Die zum Fügen benötigte Energie gelangt in Form mechanischer Schwingungen in das Schweißgut. Durch intensives Reiben an den Fügestellen wird die natürliche Oxidhaut aufgebrochen, und die beiden Teile werden unter gleichzeitiger Druckeinwirkung zusammengepreßt. Diese Vorgänge sorgen dafür, daß die atomaren Bindekräfte wirksam werden und das Verschweißen ohne wesentlichen Temperaturanstieg erfolgt.
Das Verfahren bietet folgende Vorteile:
– sehr kurze Schweißzeiten im Bereich von Sekunden-Bruchteilen,
– hohe Schweißqualität und Dichtigkeit,
– geringe elektrische und thermische Übergangswiderstände in den Verbindungen sowie
– einen niedrigen Energieverbrauch und ein günstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Zusatzmaterial ist nicht erforderlich. Der Prozeß läuft sauber, sicher und umweltfreundlich ab. Funken, Flammen oder Rauch entstehen nicht. Das Verfahren läßt sich problemlos automatisieren und in Produktionsstraßen integrieren. Die Schweißparameter können elektronisch überwacht werden. Die Schnittstelle zum zentralen Rechner ermöglicht das Abspeichern von Daten sowie statistische Auswertungen. Mit entsprechender Steuerungskonfiguration und Software sind über Modem auch Telediagnose und bei Bedarf Fernwartung möglich.
Das Einsatzspektrum des Ultraschall-Schweißens ist sehr breit. Es reicht von der Solartechnik über die Elektro- und Automobilindustrie bis zum Apparatebau. Beispiele aus der Elektroindustrie sind das Verschweißen von Kontakten, das Aufschweißen von Lötterminals oder runder elektronischer Teile, das Kontaktieren von Rotorkollektoren oder das Fügen von Batteriegehäusen. Typische Aufgaben in der Automobilindustrie sind das Aufschweißen von Aluminium-Befestigungsbolzen und -buchsen sowie das Verschweißen folienförmiger Aluminium-Wärmeisolationsabdeckungen. Anwendungen im Apparatebau sind das dichte Verschließen von Kupferröhrchen sowie das Verschweißen von Dosen für Vakuum-Membranen und Drucksensoren.
Beim Ultraschall-Schweißen sind zwei Varianten gebräuchlich: das lineare sowie das torsionale Verfahren. Ersteres eignet sich primär für punktförmige und geradlinige Verbindungen und findet vor allem in der Elektronikbranche breite Anwendung. Diese Verfahrens-Variante kann aber auch für Ringnahtschweißungen mit Durchmessern bis etwa 8 mm eingesetzt werden. Sind die Durchmesser größer, wirken sich Parallelitätstoleranzen und vor allem Amplitudenunterschiede entlang der Ringnahtschweißfläche negativ auf die Fügequalität aus.
Die genannten Nachteile des linearen Verfahrens lassen sich mit dem neuartigen Ultraschall-Torsionsschweißen beheben. Durch entsprechende Ausführung des elektromechanischen Resonanzsystems sind Schweißwerkzeuge möglich, die in einem Torsionsmodus schwingen und somit kreisförmige Amplituden erzeugen. Dies führt entlang einer Ringschweißnaht am gesamten Umfang zu konstanten Amplitudenwerten und somit zu einer gleichmäßigen, qualitativ hochstehenden Verbindung.
Dosen lassen sich heliumdicht verschließen
Da zudem die Achsen der Schweißkraftrichtung und des Schwingsystems zusammenfallen, enstehen keinerlei Biegedeformationen, die zu Unparallelitäten zwischen Schweißwerkzeugfläche und Schweißgut führen könnten. Daß enge Parallelitätstoleranzen eingehalten werden, ist vor allem bei größeren Ringnahtschweißungen wichtig. Der Grund: Parallelitätsfehler bewirken unterschiedliche spezifische Schweißkräfte entlang der Ringnaht und beeinflussen die Fügequalität negativ.
Mit dem torsionalen Ultraschall-Ringnahtschweißen sind kreisringförmige Verbindungen mit einem Durchmesser bis zu 90 mm möglich. Die Prozeßzeiten liegen im Hundertstel- bis Zehntelssekunden-Bereich. Mit dem Verfahren können beispielsweise runde tiefgezogene Behälter oder Dosen mit einem Deckel heliumdicht verschlossen werden. Dabei sind keine zusätzlichen Dichtungselemente, Zusatzwerkstoffe oder Schutzgas erforderlich. Da außerdem keine losen Partikel auftreten, läßt sich beispielsweise die Haltbarkeit chemischer und pharmazeutischer Produkte erheblich verlängern. Aufgrund der geringen Prozeßwärme verändert sich das Materialgefüge weder im Werkstoff noch im Inhalt der Dosen nachteilig. Die Entsorgung gestaltet sich ebenfalls einfach, da keine artfremden Materialien, etwa von Dichtungen, vorhanden sind.
Ultraschall-Schweißverfahren: Buntmetalle ohne Gefügeveränderungen verbinden
Beim Ultraschall-Schweißen handelt es sich um ein Kaltschweißverfahren. Die zum Fügen benötigte Energie wird in Form mechanischer Schwingungen in das Schweißgut eingebracht. Dabei koppelt das Schweißwerkzeug, die Sonotrode, an das ihr zugewandte Fügeteil an und läßt dieses in Längsrichtung schwingen. Das andere Fügeteil bewegt sich als Folge der Ankopplung zum fixen Amboß nicht. Damit eine relative Schwingungsbewegung zwischen den zu verbindenden Teilen zustande kommt, müssen die Ankoppelflächen von Sonotrode und Amboß strukturiert sein.
Ein Ultraschall-Generator verarbeitet den 50-Hz-Netzwechselstrom zu einem hochfrequenten Wechselstrom mit einer Arbeitsfrequenz von 20 bis 70 kHz. Der Leistungsbedarf ist anwendungsabhängig und kann zwischen 50 und 10 000 W liegen. Die elektrischen Schwingungen werden per Konverter in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt und über den Booster, ein Transformationsstück, und die Sonotrode auf das Schweißgut übertragen. Eine Steuereinheit kontrolliert den Fügeprozeß und ermöglicht die elektronische Erfassung der relevanten Schweißparameter.
Durch intensives Reiben an den Schweißstellen wird die Oxidhaut aufgebrochen und die beiden Teile unter gleichzeitiger Druckeinwirkung zusammengepreßt. Diese Vorgänge bewirken, daß die atomaren Bindekräfte wirksam werden können. Der relativ geringe Temperaturanstieg liegt weit unter der Schmelztemperatur und hat keinen wesentlichen Anteil an der Verschweißung. Da das Grundmaterial nicht aufgeschmolzen wird, kommt es auch nicht zu Gefügeveränderungen und den damit verbundenen negativen Auswirkungen wie Versprödung oder Rißbildung.
Die zu verschweißenden Teile müssen in der Regel nicht vorbehandelt werden. Das dem Schweißwerkzeug zugewandte Teil darf nicht zu dick oder zu schwer sein, da sonst keine Relativbewegung zustande kommt. Bei Aluminiumblech liegt die maximale Dicke bei etwa 2 mm. Für das amboßseitige Teil besteht keine Begrenzung.
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