Beim Ultraschallschweißen (USW) handelt es sich um ein Festkörperschweißverfahren, bei dem zwei Komponenten durch die Anwendung hochfrequenter oszillierender Scherspannungen unter mäßiger Klemmkraft verbunden werden. Dieses Verfahren, das häufig beim Überlappschweißen eingesetzt wird (siehe Abbildung unten), bricht Oberflächenbeschichtungen ab und ermöglicht engen Kontakt zwischen den Komponenten, wodurch eine starke metallurgische Verbindung entsteht. Durch Reibung und plastische Verformung entsteht an der Schnittstelle Wärme, die Temperaturen bleiben jedoch weit unter dem Schmelzpunkt, sodass keine Schutzgase, Flussmittel oder Füllmetalle erforderlich sind.
Beim USW überträgt eine Sonotrode, die an einen Ultraschallwandler angeschlossen ist, die Schwingungsbewegung auf das obere Werkstück. Dieses Gerät wandelt elektrische Energie in hochfrequente Schwingungsbewegungen mit Amplituden von 0.018 bis 0.13 mm (0.0007–0.005 Zoll) und einem Frequenzbereich von üblicherweise 15 bis 75 kHz um. Die Oberflächen werden nicht wesentlich plastisch verformt, da die verwendeten Klemmdrücke wesentlich niedriger sind als beim Kaltschweißen. Die Schweißzeiten sind normalerweise kürzer als eine Sekunde.
Kupfer und Aluminium gehören zu den weicheren Materialien, bei denen Ultraschallschweißen am besten funktioniert. Härtere Materialien erodieren die Sonotrode schneller. Die besten Werkstücke sind klein, normalerweise weniger als 3 mm (1/8 Zoll) Schweißdicke. Löten ist bei dieser Technologie für Kabelanschlüsse und Spleißen in der Elektro- und Elektronikbranche nicht erforderlich. Darüber hinaus wird sie beim Schweißen von Solarpanelröhren an Bleche, bei der Montage von Kleinteilen und bei der Montage von Aluminiumblechplatten eingesetzt.
Schweißprozess
Im Folgenden wird die grundsätzliche Funktionsweise des Ultraschallschweißverfahrens beschrieben:
-Materialvorbereitung: Platzieren Sie die Kunststoffkomponenten in einer Überlappungskonfiguration auf dem Schweißstapel der Maschine.
-Erzeugung von Hochfrequenzstrom: Normalstrom (50–60 Hz) wird durch den Generator in Hochfrequenzstrom (20–40 kHz) umgewandelt.
-Umwandlung in Ultraschall: Die Vibrationen werden durch den Booster verstärkt, nachdem der Wandler den Hochfrequenzstrom in Ultraschallwellen umgewandelt hat.
-Schweißen: Ultraschallschwingungen werden durch das Schweißhorn, auch Sonotrode genannt, auf die zusammengefügten Teile gerichtet. Die Presse wird vom Bediener verwendet, um Druck auszuüben. Der Bediener entnimmt die geschweißten Komponenten und zieht das Horn nach dem Schweißen zurück.
Komponenten von Ultraschallschweißgeräten
Ultraschallschweißgeräte bestehen aus verschiedenen Teilen, von denen jedes eine bestimmte Funktion hat. Hier sind einige wichtige Teile, die in allen Arten von Ultraschallschweißgeräten zu finden sind:
Stromerzeuger
Der Generator wandelt elektrische Energie in die erforderliche Hochfrequenz und Spannung bei einer Resonanzfrequenz um. Ein Mikroprozessor, der den Schweißzyklus verwaltet und die notwendige Kommunikation über die Benutzerschnittstelle ermöglicht, ist ebenfalls Teil des Generators.
Maschinenpresse
Die Maschinenpresse sichert die Schweißbaugruppe und wendet die erforderliche Kraft an, um die Verbindung aufrechtzuerhalten. Sie ist mit einem Druckmesser und einem Regler ausgestattet, sodass der Bediener die auf das System ausgeübte Kraft anpassen kann.
Schweißstapel
Wandler, Booster und Schweißhorn sind Teil des Schweißstapels und werden in der Mitte des Boosters an der Presse befestigt. Die Ultraschallschwingungen werden von dieser Baugruppe erzeugt und um hervorragende Schweißnähte zu gewährleisten, muss ihre Frequenz nahezu mit der des Generators übereinstimmen.
Transducer
Ein Wandler, manchmal auch als Konverter bezeichnet, wandelt elektrische Energie mit hoher Frequenz in mechanische Schwingungen um. Er besteht aus vielen piezoelektrischen Keramikscheiben, die zwischen zwei Titanblöcken angeordnet sind. Zusätzlich befindet sich zwischen den piezoelektrischen Scheiben eine dünne Elektrode aus Metall.
Booster
Der Booster hat zwei Hauptaufgaben. Er überträgt die Vibrationen an das Schweißhorn, nachdem er sie durch Kontraktion und Expansion verstärkt hat. Außerdem dient er als Grundlage für den Schweißstapel auf der Schweißpresse.
Schweißhorn
Ein Schweißhorn, das normalerweise aus Aluminium oder Titan besteht, überträgt Vibrationen auf das geschweißte Teil. Obwohl Aluminium bei Anwendungen mit geringem Volumen gut funktioniert, nutzt es sich schnell ab. Um dem entgegenzuwirken, verfügen die meisten Schweißhörner über gehärtete Spitzen, die die Leistung und Langlebigkeit bei starker Beanspruchung verbessern.
Support-Tools
Stützwerkzeuge dienen als Fundament der Maschine, indem sie die untere Komponente während des Schweißens stützen. Um Stabilität und Genauigkeit zu gewährleisten, sind sie so gefertigt, dass sie sich den Kurven der Werkstücke anpassen.
Schweißparameter
Ultraschallschweißen ist eine äußerst effektive Methode zum Verbinden von Materialien, normalerweise Metallen oder Polymeren, durch den Einsatz hochfrequenter Schwingungen. Die senkrecht zur Schwingungsrichtung ausgeübte Kraft, die Schwingungsamplitude und die Schwingungsdauer sind die drei wichtigsten technologischen Faktoren, die die Wirksamkeit und Qualität des Ultraschallschweißens beeinflussen. Das Verstehen und Verwalten dieser Variablen ist für das Erreichen idealer Schweißnähte von entscheidender Bedeutung.
Vibrationsdauer
Die Zeit, in der Ultraschallschwingungen auf die zu verbindenden Materialien ausgeübt werden, wird als Schwingungsdauer oder Schweißzeit bezeichnet. Diese Dauer beträgt bei den meisten Schweißvorgängen typischerweise weniger als eine Sekunde. Wenn eine Schweißung jedoch mehr Energie erfordert, muss die Schwingungsdauer erhöht werden, während die Werte für die anderen Parameter gleich bleiben. Die folgende Formel bestimmt die für einen Schweißzyklus erforderliche Energie:
wobei �� die Energie in Joule, �� die Leistung in Watt, F die Kraft in Newton, �� die Amplitude in Mikrometern, �� die Frequenz in Hertz und �� die Zykluszeit in Sekunden ist.
Schwingungsamplitude
Die Längsausdehnung und -kontraktion des Schweißwerkzeugs wird anhand der Amplitude der Ultraschallschwingungen gemessen, die zwischen 5 und 35 Mikrometern variiert. Dies ist eine wichtige Amplitude, da sie dem Reibungsabstand der Schweißoberfläche entspricht. Bei einer erhöhten Amplitude ist weniger Zeit erforderlich, um dieselbe Energiemenge einzubringen, da mehr Leistung erforderlich ist, um die Schwingung aufrechtzuerhalten. Die sogenannte Amplitudenprofilierung oder -schrittweise wird durch hochmoderne Ultraschallgeräte während des Schweißzyklus ermöglicht. Da diese Methode die Verbindung stärkt und ein Feststecken des Werkzeugs verhindert, ist sie beim Schweißen von Legierungen wie Aluminium sehr hilfreich.
Kraft senkrecht zur Schwingungsrichtung
Ein wesentlicher Faktor beim Ultraschallschweißen ist die senkrecht zur Schwingungsrichtung aufgebrachte Kraft. Durch diese Kraft, die von einem pneumatischen Zylinder erzeugt wird, entsteht die erforderliche mechanische Spannung in der Schweißzone. Im Folgenden werden die Leistungskriterien für die Schwingungserzeugung und -erhaltung beschrieben:
wo istmh ist die Querschnittsfläche des pneumatischen Zylinders in Quadratmetern, pℓ ist der Druckluftdruck in Pascal und η ist der mechanische Wirkungsgrad. Mit steigendem Druck steigt die mechanische Belastung, sodass mehr Leistung erforderlich ist, um die Vibration aufrechtzuerhalten.
Prozessvarianten
Beim Ultraschall-Punktschweißen wird die Schwingbewegung von den überlappenden Einsätzen auf die dünneren Materialien (von 0.005 bis 3 mm) übertragen. Die Sonotrode übt Kraft aus, um die Teile zusammenzudrücken, und erzeugt eine Schweißverbindung, die mit dem Werkstück vibriert. Es ist wichtig, dass eine Relativbewegung zwischen den Werkstücken stattfindet, nicht zwischen der Sonotrode und dem oberen Werkstück. Mit dieser Methode können Bleche oder Drähte unterschiedlicher Materialqualitäten verbunden werden. Beim Ultraschallschweißen, einer Form des kontinuierlichen Punktschweißens, werden Schweißverbindungen zwischen überlappenden dünnen Blechen hergestellt, die zwischen der Sonotrode und dem Amboss positioniert sind. Während des Prozesses sorgen drei Vibrationseinheiten für eine abwechselnde Bewegung um die Achse der röhrenförmigen Sonotrode und bilden mit ihrer röhrenförmigen Vorderseite eine Naht von gleichbleibender Größe und Form.
Arten des Ultraschallschweißens
Sowohl Metalle als auch Polymere, die unterschiedliche Materialkompatibilitäten aufweisen, werden häufig durch Ultraschallschweißen verbunden.
Ultraschall-Kunststoffschweißen: Für Thermoplaste wie Polyester, ABS und Polycarbonat ist das Ultraschall-Kunststoffschweißen die beste Methode. Eigenschaften wie Härte und Feuchtigkeitsgehalt sollten berücksichtigt werden. Für Kunststoffpolymere wie Polyamid und PVC ist es jedoch nicht geeignet.
Ultraschall-Metallschweißen: Diese Technik eignet sich zum Verbinden von Metallen, darunter Legierungen aus Kupfer, Silber, Messing, Nickel, Gold und Aluminium. Diese Methode funktioniert am besten mit dünnen Metallen mit kleinem Durchmesser und ist daher ideal für empfindliche Anwendungen.
Vorteile des Ultraschallschweißens
Da beim Ultraschallschweißen indirekte Heiztechniken zum Einsatz kommen, verbessert es die Ästhetik ohne Abstriche bei der Funktionalität und unterscheidet sich damit vom herkömmlichen Blechschweißen und anderen Verfahren. Dies sind die Hauptvorteile:
Geschwindigkeit: Durch Ultraschallschweißen werden geeignete Teile durch hochfrequente Ultraschallschwingungen schnell verschweißt und sorgen so für einen schnellen Produktionsprozess. Kurze Durchlaufzeiten und hoher Durchsatz sind die Folge.
Hohe Sicherheit: Durch die indirekte Wärmeeinwirkung entsteht ein geringeres Betriebsrisiko. Die Schweißverbindungen und die umliegenden Materialien werden durch die lokalisierte und schnelle Ableitung der erzeugten Wärme vor Beschädigungen geschützt.
Zuverlässigkeit: Die Maschinen sind zuverlässig und weisen nur wenige Störungen und Ausfälle auf. Durch die Automatisierung werden außerdem Betriebs- und menschliche Fehler minimiert, Betriebskosten gespart und die Qualität der Schweißverbindungen verbessert.
Geeignet für unterschiedliche Materialien: Ein weiterer wichtiger Aspekt des Kunststoffschweißens ist, dass sich dieses Verfahren gut zum Verbinden unterschiedlicher Materialien eignet. Beim Verbinden unterschiedlicher Kunststoffe ist beim Ultraschallschweißen im Gegensatz zu anderen Kunststoffschweißverfahren keine Entwicklung molekularer Bindungen erforderlich.
Nachteile des Ultraschallschweißens
Das Ultraschallschweißen hat eine Reihe von Nachteilen. Es ist für harte und feuchtigkeitshaltige Kunststoffe ungeeignet. Bei Thermoplasten mit hohem Feuchtigkeitsgehalt und starken Polymeren wie Polypropylen ist dieses Verfahren problematisch. Darüber hinaus ist die Reichweite des Wandlers auf 100-150 mm begrenzt, sodass er keine Teile mit Verbindungen über 150 mm schweißen kann. Die Teilegröße ist eine weitere Einschränkung. Die Tatsache, dass das Schmelzen dicker Materialien viel Energie erfordert, macht sie ebenfalls problematisch.
Die hohen Anschaffungskosten sind ein weiterer großer Nachteil. Für Unternehmen ist Ultraschallschweißen eine erhebliche finanzielle Investition, da die Kosten hoch sind und mit der Automatisierung weiter steigen. Darüber hinaus ist diese Methode auf Überlappverbindungen beschränkt, die aus Abschnitten bestehen, die sich auf einer ebenen Fläche überlappen. Für andere Verbindungsarten wie Eck-, Stumpf-, T- und Kantenverbindungen ist sie nicht geeignet. Wenn Sie entscheiden, ob Ultraschallschweißen die beste Technik für Ihre Anwendung ist, sollten Sie bedenken, dass diese Nachteile die Vielseitigkeit im Vergleich zu anderen Schweißtechniken einschränken.
Anwendungen des Ultraschallschweißens
Ultraschallschweißen ist eine wertvolle Technik, die in vielen Branchen Anwendung findet, insbesondere bei der Herstellung von Konsum- und Industriegütern. Es wird zur Herstellung lebenswichtiger medizinischer Hilfsmittel wie Anästhesiefilter, Blut- und Gasfilter und Gesichtsmasken eingesetzt. Diese Methode eignet sich perfekt für medizinische Geräte, da sie kostengünstige, qualitativ hochwertige Verbindungen in Teilen aus verschiedenen medizinischen Polymeren wie ABS und Polyethylen garantiert.
Zur Herstellung von Komponenten wie Instrumententafeln, Türverkleidungen und Lenkrädern verwendet die Automobilindustrie Ultraschallschweißen zum Verschmelzen von Kunststoff. Neben den niedrigen Kapitalkosten, der Automatisierung, den schnellen Zykluszeiten und der Flexibilität wird das Verfahren bevorzugt, weil es indirekte Hitze verwendet, die das Werkstück nicht beschädigt.
Aufgrund seiner Genauigkeit, Geschwindigkeit und hochwertigen Verbindungen ist das Ultraschallschweißen auch im Flugzeugsektor von Nutzen.
Ebenso wird Ultraschallschweißen in der Elektronikbranche zum Verbinden von Drähten und Zusammenbauen von Elektromotoren, Kondensatoren, Speichermedien und empfindlichen Schaltkreisen verwendet. Aufgrund seiner Genauigkeit und Zuverlässigkeit eignet es sich perfekt für die Herstellung winziger, komplexer elektrischer Komponenten.
Referenzen
Groover, MP, 2010. Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme. 4. Aufl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
