Ultraschallschweißen verstehen

Für eine größere Ansicht auf das Bild klickenAbbildung 1Obwohl sich die Art und Weise, wie die Schwingungen beim Keilblattsystem erzeugt werden, vom Seitenantriebssystem unterscheidet, sind die Ergebnisse die gleichen.

Seit den 1950er Jahren werden Ultraschallschwingungen zum Schweißen von Metallen und Kunststoffen eingesetzt. Beim Ultraschall-Metallschweißen haben der Festkörpercharakter des Prozesses sowie andere Vorteile zu weit verbreiteten Anwendungen in der Elektronik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Geräte- und Medizinindustrie geführt. Verschiedene Merkmale des Ultraschall-Metallschweißens sowie aktuelle Trends in der Prozessentwicklung weisen den Weg zu einer erweiterten Nutzung des Prozesses in einer Reihe von Industriesektoren.

Beim Ultraschallschweißen erzeugen Ultraschallschwingungen eine reibungsähnliche Relativbewegung zwischen zwei Oberflächen, die unter Druck zusammengehalten werden. Durch die Bewegung werden lokale Oberflächenunebenheiten verformt, geschert und abgeflacht, wobei Grenzflächenoxide und Verunreinigungen verteilt werden, um einen Metall-zu-Metall-Kontakt und eine Bindung zwischen den Oberflächen herzustellen.1, 2 Der Prozess ist ein Festkörperprozess, das heißt, er findet ohne Schmelzen oder Verschmelzen statt der unedlen Metalle.

Abbildung 1 stellt die beiden Haupttypen von Systemen dar, die zum Ultraschallschweißen von Metallen verwendet werden, und zeigt außerdem Details zum lokalen Verhalten in der Schweißzone. Das seitliche Antriebssystem besteht aus einem Ultraschallwandler, einem Booster und einem Horn/Sonotrode. Das Netzteil versorgt den piezoelektrischen Wandler mit hochfrequenter elektrischer Energie und erzeugt so eine hochfrequente mechanische Vibration am Ende des Wandlers. Eine typische Betriebsfrequenz beträgt 20 kHz, 30 kHz oder höher sind jedoch möglich. Diese Vibration wird durch den Verstärkerabschnitt übertragen, der die Vibration verstärken kann, und dann auf das Horn/die Sonotrode übertragen, das die Vibrationen auf die Werkstücke überträgt.

Für eine größere Ansicht auf das Bild klickenAbbildung 2a Das hier gezeigte Schweißsystem mit Querantrieb versorgt den piezoelektrischen Wandler mit hochfrequenter elektrischer Energie und erzeugt so eine hochfrequente mechanische Vibration am Ende des Wandlers. Foto mit freundlicher Genehmigung von EWI.

Die Werkstücke, meist zwei dünne Metallbleche in einer einfachen Überlappungsverbindung, werden durch eine statische Kraft fest zwischen der Sonotrode und einem starren Amboss eingespannt. Das obere Werkstück wird durch ein Rändelmuster auf der Sonotrodenoberfläche gegen die sich bewegende Sonotrode gegriffen. Ebenso wird das untere Werkstück durch ein Rändelmuster auf dem Amboss am Amboss festgehalten. Die Ultraschallschwingungen der Sonotrode, die parallel zu den Werkstückoberflächen verlaufen, erzeugen eine relative reibungsähnliche Bewegung zwischen den Grenzflächen der Werkstücke, was zu einer Verformung, Scherung und Abflachung der zuvor erwähnten Unebenheiten führt.

Die Komponenten des Schweißsystems sind in einem Gehäuse untergebracht, das die Schweißbaugruppe an kritischen Stellen festhält, um die Ultraschallschwingungen nicht zu dämpfen und eine Möglichkeit zu bieten, eine Kraft auf die Baugruppe auszuüben und sie zu bewegen, um die Sonotrode mit den Werkstücken in Kontakt zu bringen wenden Sie die statische Kraft an. Ein Beispiel für ein Schweißgerät mit Querantrieb ist in dargestelltAbbildung 2A.

Eine zweite Art von Ultraschall-Metallschweißsystemen ist als Wedge-Reed-System bekannt. Die Schlüsselelemente dieses Systems sind der piezoelektrische Wandler, der einen Booster antreibt, der aufgrund seiner besonderen Form Keil genannt wird (ansonsten aber die gleiche Rolle wie der zuvor beschriebene Booster spielt). Der Keil versetzt dann einen vertikalen Stab (Reed) in Biegeschwingung. Die Schwingung am Ende des Rohrblattes wird dann über die Sonotrode am Rohrblatt auf die Werkstücke übertragen (vglAbbildung 2B).

Die Werkstückanordnung ähnelt dem Querantriebssystem – es wird durch eine statische Kraft zwischen Sonotrode und Amboss eingespannt. Der Amboss des Keilblattsystems ist nicht starr (wie beim Seitenantrieb), sondern so konstruiert, dass er sich unter der Wirkung der Ultraschallschwingungen leicht nachgibt. Obwohl die Art und Weise, wie die Vibrationen im Keilblatt erzeugt werden, anders ist als beim seitlichen Antrieb, ist das Ergebnis dasselbe: eine Vibrationsbewegung der Sonotrode, die parallel zu den Werkstückoberflächen verläuft und die relative reibungsähnliche Bewegung an den Werkstücken erzeugt ' Schnittstelle.

Dies wird deutlich, wenn man sich die Schweißzone genauer anschaut (Abbildung 1), was zeigt, dass die beiden Systeme den gleichen Effekt in der Schweißverbindungszone eines dünnen Bereichs aus plastisch verformtem Material erzeugen, in dem eine feste Verbindung zwischen den Werkstücken stattgefunden hat, ohne dass die Materialien schmelzen.

Ultraschallschweißsysteme ähneln Punktschweißgeräten, da sie eine Verbindung auf einer kleinen Fläche der Teile herstellen (typischerweise in der Größenordnung von 40 mm2). Es ist auch möglich, eine Ultraschallnahtschweißung zu erzeugen, indem eine mit Ultraschall in Schwingung versetzte massive Scheibe kontinuierlich über die Werkstücke gerollt wird. Andere Arten von Ultraschall-Bondsystemen umfassen Torsionsvibration und Ultraschall-Mikrobonden, die in der Elektronikindustrie häufig zum Verbinden feiner Drähte mit Schaltkreisen und Mikrochips eingesetzt werden und bei denen die Größe der Schweißnähte in der Größenordnung von 0,150 mm2 liegt.

Für eine größere Ansicht auf das Bild klickenAbbildung 3aFoto mit freundlicher Genehmigung von Sonobond Corp.

Eine Reihe von Parametern kann den Schweißprozess beeinflussen, wie z. B. Ultraschallfrequenz, Vibrationsamplitude, statische Kraft, Leistung, Energie, Zeit, Materialien, Teilegeometrie und Werkzeuge.

Ultraschallfrequenz. Ultraschall-Schweißwandler sind für den Betrieb mit einer bestimmten Frequenz von 15 bis 300 kHz für verschiedene Systeme und Anwendungen ausgelegt. Die meisten Metallschweißsysteme arbeiten mit 20 bis 40 kHz, wobei 20 kHz die häufigste Frequenz ist.

Schwingungsamplitude. Die Schwingungsamplitude der Schweißspitze hängt direkt von der an die Schweißnaht abgegebenen Energie ab. Die Amplituden der Ultraschallschwingungen sind recht klein – 10, 30 oder 50 Mikrometer an der Schweißnaht, und überschreiten selten 100 Mikrometer (ungefähr 0,004 Zoll). Bei manchen Schweißsystemen ist die Amplitude eine abhängige Variable; das heißt, es hängt mit der dem System zugeführten Leistung zusammen. In anderen Systemen ist die Amplitude eine unabhängige Variable, die über ein Rückkopplungssystem an der Stromversorgung eingestellt und gesteuert werden kann.

Statische Kraft. Die über die Schweißspitze und den Amboss auf die Werkstücke ausgeübte Kraft erzeugt einen engen Kontakt zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen, wenn die Schweißvibrationen beginnen. Die Größe der Kraft, die von den Materialien und Dicken sowie der Größe der erzeugten Schweißnaht abhängt, kann zwischen mehreren zehn und tausend Newton liegen. Beispielsweise kann für die Herstellung einer Schweißnaht von 40 mm2 in Aluminium der Serie 6000 eine Kraft von 1.500 N erforderlich sein, während für Schweißnähte von 10 mm2 in 0,5 mm dickem Weichkupferblech möglicherweise nur 400 N erforderlich sind.

Kraft, Energie und Zeit. Obwohl sie als separate Schweißparameter aufgeführt sind, sollten Leistung, Energie und Zeit am besten zusammen untersucht werden, da sie alle eng miteinander verbunden sind. Beim Schweißen erzeugen die Spannung und der Strom der Stromversorgung Strom, der während des Schweißvorgangs zum Wandler fließt. Die abgegebene Energie ist die Fläche unter der Schweißleistungskurve. Die meisten Schweißstromquellen werden nach der Spitzenleistung bewertet, die sie liefern können. Diese variiert zwischen einigen hundert Watt und mehreren Kilowatt. Die meisten Schweißzeiten betragen weniger als eine Sekunde. Bei konstanter Leistungsabgabe würde eine 0,4-sekündige Schweißung mit einem 2-kW-Schweißgerät eine Energie von 800 Joule liefern.

Materialien. Dies umfasst ein breites Spektrum an Fragestellungen und Parametern rund um das Ultraschall-Metallschweißen. Erstens geht es um die Art des Materials oder die Materialkombination. Es wurde festgestellt, dass die meisten Materialien und Materialkombinationen in gewisser Weise schweißbar sind, obwohl für die meisten von ihnen im Allgemeinen spezifische Schweißparameter und Leistungsdaten fehlen. Die Eigenschaften des Materials, einschließlich Modul, Streckgrenze und Härte, sind ein wichtiger Gesichtspunkt.

Im Allgemeinen lassen sich weiche Legierungen wie Aluminium, Kupfer, Nickel, Magnesium, Gold, Silber und Platin am einfachsten mit Ultraschall schweißen. Härtere Legierungen wie Titan, Eisen und Stähle sowie Luftfahrtlegierungen auf Nickelbasis und hochschmelzende Metalle (Molybdän und Wolfram) sind schwieriger.

Ein weiterer Parameter sind die Eigenschaften der Materialoberfläche, darunter Oberflächenbeschaffenheit, Oxide, Beschichtungen und Verunreinigungen.

Teilegeometrie. Die Formen der geschweißten Teile spielen eine wichtige Rolle, wobei die Teiledicke der dominierende Faktor ist. Im Allgemeinen haben dünne Teile eine bessere Chance, eine erfolgreiche Ultraschallschweißung zu erreichen. Eine Erhöhung der Teiledicke, insbesondere des Teils, das die Schweißspitze berührt, erfordert eine größere Schweißspitzenfläche, mehr statische Kraft und eine höhere Schweißleistung. Die maximal erreichbaren Dicken hängen vom Material und der verfügbaren Leistung der Schweißstromquelle ab.

Werkzeuge. Das aus der Sonotrode/Schweißspitze und dem Amboss bestehende Werkzeug dient zur Unterstützung der Teile und zur Übertragung von Ultraschallenergie und statischer Kraft. In den meisten Fällen wird die Werkzeugspitze als integraler Bestandteil einer massiven Sonotrode bearbeitet (sieheAbbildung 2A ), aber in einigen Fällen werden abnehmbare Werkzeugspitzen verwendet. Die Kontaktflächen der Werkzeuge weisen typischerweise maschinell bearbeitete, gerändelte Muster aus Rillen und Stegen oder andere Oberflächenaufrauungen auf, um den Halt des Werkstücks zu verbessern.

Während die Kontaktflächen zwischen Schweißspitze und Amboss normalerweise flach sind, kann die Schweißspitze mit einer leichten konvexen Krümmung gestaltet sein, um die Kontaktspannungen zu verändern.

Für eine größere Ansicht auf das Bild klickenAbbildung 3eFoto mit freundlicher Genehmigung von Dukane Corp.

Anwendungen für das Ultraschallschweißen finden sich in der Elektro-/Elektronik-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Geräte- und Medizinindustrie. Zu den derzeit am weitesten verbreiteten Anwendungen in diesen Branchen gehören Legierungen aus Kupfer, Aluminium, Magnesium und verwandten weicheren Metallen, einschließlich Gold und Silber. Einige Beispiele sind:

Ein zukünftiger Trend beim Einsatz des Ultraschallschweißens liegt in strukturellen Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen, bei denen dünne Aluminiumbleche und andere Leichtmetalle verbunden werden. Die Machbarkeit des Verfahrens wurde für Verschlussplatten sowohl in Hubschraubern als auch in Flugzeugen nachgewiesen.

Es werden leistungsstärkere Schweißanlagen mit 5 kW und mehr entwickelt. Dies ermöglicht das Schweißen anspruchsvollerer Materialien und dickerer Verbindungen.

In mehreren Industrie- und Universitätslabors werden derzeit Forschungsarbeiten durchgeführt, die zu einem besseren Verständnis dieses Schweißprozesses führen, um die gesamte Bandbreite an Materialien und Anwendungen zu ermitteln, die realistischerweise verbunden werden können. Abgesehen von der gebräuchlichsten Überlappungsverbindung werden auch bei den Verbindungskonfigurationen einige Fortschritte erzielt. Als Beispiel wurde über die Erzielung von Stumpfschweißnähten berichtet. Der verstärkte Einsatz von Prozesssensoren kann eine Überwachung und Verbesserung der Verbindungsqualität ermöglichen.

Eine kürzlich aufgetauchte Anwendung des Ultraschallschweißens ist die additive Fertigung, bei der dünne Metallbänder mit dazwischen liegenden Bearbeitungsvorgängen zusammengeschweißt werden, um massive Metallteile herzustellen. Diese Anwendung kann insbesondere im Bereich des Rapid Prototyping von Nutzen sein.

Dr. Karl Graff ist der Technologieführer im Bereich Ultraschall und Matt Bloss ist Projektingenieur am Edison Welding Institute, 1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected].

Anmerkungen

1. KF Graff (Kapitelausgabe), Kapitel 8, „Ultrasonic Welding of Metals“, Welding Handbook, 9. Ausgabe, Bd. 4 (Miami: American Welding Society, 2007).

2. KF Graff (Kapitel-Hrsg.), Kapitel 9, „Ultrasonic Metal Welding“, New Developments in Advanced Welding, Hrsg. N. Ahmed (Cambridge, England: Woodhead Publishing, 2005).