Was ist Ultraschallschweißen?

Das Ultraschallschweißen ist eine hochinnovative Fügetechnik, die die Kraft hochfrequenter Schwingungswellen nutzt. Diese Wellen werden präzise auf die Oberflächen von zwei Objekten gerichtet, die zum Schweißen vorgesehen sind. Wenn gleichzeitig Druck ausgeübt wird, entfaltet sich ein faszinierender Prozess. Die Oberflächen der Objekte reiben heftig, was auf mikroskopischer Ebene zur Verschmelzung molekularer Schichten führt, wodurch die beiden Materialien effektiv miteinander verbunden werden.

Dieser Prozess beginnt mit einem Ultraschallgenerator, einem wichtigen Gerät, das den normalen elektrischen Strom von 50/60 Hz in Hochfrequenzenergie umwandelt, typischerweise im Bereich von 15, 20, 30 oder 40 kHz. Die neu umgewandelte elektrische Hochfrequenzenergie durchläuft dann einen Wandler, der eine bemerkenswerte Leistung vollbringt, indem er sie erneut umwandelt, diesmal in eine mechanische Bewegung mit exakt derselben Frequenz. Diese mechanische Bewegung wird dann durch ein spezielles Gerät, einen sogenannten Booster, geleitet. Der Booster mit seiner einzigartigen Fähigkeit, die Amplitude zu modulieren, sorgt dafür, dass die Bewegung optimiert wird, bevor sie die Schweißspitze erreicht. Die Schweißspitze als letzte Leitung leitet die aufgenommene Schwingungsenergie an den Verbindungsbereich der zu schweißenden Werkstücke weiter. In dieser kritischen Zone wird die Schwingungsenergie umgewandelt und durch den Reibungsmechanismus in Wärmeenergie umgewandelt. Diese erzeugte Wärme reicht aus, um das Metall zu schmelzen und eine nahtlose Schweißung zu ermöglichen.

Die Hauptbestandteile eines Ultraschallschweißsystems sind recht umfangreich. Es umfasst einen Ultraschallgenerator, der als Stromquelle und Frequenzumformer dient, eine Baugruppe aus Wandler, Verstärker und Schweißspitze, wobei jede Komponente eine wichtige und miteinander verbundene Rolle beim Energieübertragungs- und Modulationsprozess spielt, Formen, die für die notwendige Formgebung und Unterstützung sorgen, und einen Rahmen, der für strukturelle Integrität und Stabilität sorgt. Wie in der folgenden Abbildung visuell dargestellt:

Prinzip des Ultraschall-Metallschweißens

Das Prinzip, das dem Ultraschallschweißen von Metallen zugrunde liegt, ist ein wirklich einzigartiger und spezialisierter Ansatz. Es nutzt die mechanische Schwingungsenergie der Ultraschallfrequenzen, insbesondere solcher, die 16 kHz überschreiten, um Verbindungen zwischen Metallen herzustellen, unabhängig davon, ob es sich um Metalle desselben oder verschiedener Typen handelt. Was diese Methode auszeichnet, ist ihre einzigartige Betriebsart. Beim Ultraschallschweißen von Metall müssen die Werkstücke weder mit Strom versorgt werden, noch ist eine externe Hochtemperaturwärmequelle erforderlich. Stattdessen wird die Schwingungsenergie des Drahtrahmens unter dem Einfluss des statischen Drucks geschickt genutzt und umgewandelt. Sie wandelt sich in Reibungsarbeit um und erzeugt die notwendige Wärme an der Grenzfläche der Werkstücke sowie Verformungsenergie, die beim Formen und Verbinden hilft, sowie einen begrenzten, aber kontrollierten Temperaturanstieg. Diese metallurgische Verbindung, die sich zwischen den Verbindungsstellen bildet, ist eine bemerkenswerte Leistung, da es sich dabei um ein Festkörperschweißverfahren handelt. Mit anderen Worten, das Grundmetall bleibt intakt, ohne zu schmelzen, wodurch Probleme wie Spritzer und Oxidation, die häufig beim herkömmlichen Widerstandsschweißen auftreten, effektiv umgangen werden. Ultraschall-Metallschweißgeräte haben ihre Vielseitigkeit unter Beweis gestellt, da sie in der Lage sind, Einpunktschweißen, Mehrpunktschweißen und Kurzbandschweißen an feinen Drähten oder dünnen Blechen aus Nichteisenmetallen wie Kupfer, Silber, Aluminium und Nickel durchzuführen.

Diese Schweißmethode bietet zwei herausragende Vorteile: eine extrem kurze Schweißzeit, die die Produktivität steigert und die Produktionszyklen reduziert, und eine hohe Wirtschaftlichkeit, was sie zu einer wirtschaftlich rentablen Option für viele industrielle Anwendungen macht.

Vor- und Nachteile des Ultraschall-Metallschweißens

Die Vorteile des Ultraschall-Metallschweißens sind sowohl zahlreich als auch bedeutsam. Erstens ist seine Geschwindigkeit ein großer Vorteil. Die Schnelligkeit, mit der eine Schweißnaht abgeschlossen werden kann, ist ein Vorteil für Produktionslinien mit hohen Stückzahlen, da sie schnellere Durchlaufzeiten ermöglicht. Zweitens handelt es sich um ein energieeffizientes Verfahren, das im Vergleich zu einigen seiner Gegenstücke erheblich weniger Strom verbraucht. Dies ist nicht nur umweltfreundlich, sondern auf lange Sicht auch kostengünstig. Die hohe Schmelzfestigkeit, die es verleiht, stellt sicher, dass die Schweißverbindungen robust und zuverlässig sind und verschiedenen mechanischen Belastungen standhalten können. Eine gute elektrische Leitfähigkeit ist ein weiterer Pluspunkt und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen der elektrische Fluss entscheidend ist.

Das Fehlen von Funkenbildung erhöht die Sicherheit, insbesondere in Umgebungen, in denen brennbare Materialien vorhanden sein können. Darüber hinaus werden durch die nahezu kalte Verarbeitung hitzebedingte Verformungen und Veränderungen der Grundmaterialien minimiert, sodass ihre ursprünglichen Eigenschaften erhalten bleiben.

Wie jede Technologie hat sie jedoch ihre Grenzen. Einer der Hauptnachteile besteht darin, dass die geschweißten Metallteile nicht zu dick sein dürfen. Im Allgemeinen ist die Dicke auf 5 mm oder weniger begrenzt, was für bestimmte Anwendungen, bei denen dickere Materialien benötigt werden, eine Einschränkung darstellen kann. Darüber hinaus ist auch die Größe der Schweißpunkte begrenzt. Größere Bereiche können nicht effektiv in einem einzigen Arbeitsgang geschweißt werden, weshalb mehrere Arbeitsgänge oder alternative Techniken erforderlich sind. Druckanwendung ist eine weitere Voraussetzung, was bedeutet, dass geeignete Geräte und Kontrollmechanismen vorhanden sein müssen, um sicherzustellen, dass während des gesamten Schweißvorgangs der richtige Druck ausgeübt wird.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt das Ultraschallschweißen von Metallen ein äußerst wertvolles Verfahren. Es ist ein Wunder der mechanischen Bearbeitung, da während des Schweißvorgangs kein Strom durch die geschweißten Teile fließt und sich kein Schweißbogen bildet, der dem beim Elektroschweißen ähnelt. Da kein Strom und kein Lichtbogen vorhanden sind, sind Bedenken hinsichtlich der Wärmeleitung und des spezifischen Widerstands ausgeschlossen, weshalb es sich ideal für Nichteisenmetallwerkstoffe eignet. Es hat seine Wirksamkeit beim Schweißen von Blechen unterschiedlicher Dicke bewiesen und sich an die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Herstellungsszenarien angepasst.

Konzentrieren Sie sich auf Metallverbindungstechnologien

Auf dem Gebiet der Metallverbindungstechnologien hat ein Team von Forschungs- und Entwicklungsexperten für Automobilprodukte, das über fortgeschrittene Kenntnisse und Fertigkeiten im Ultraschallschweißen verfügt, bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Sie haben mit großer Sorgfalt Technologien zur Verbindungspaarung entwickelt, die fest in den relevanten Automobilnormen verwurzelt und akribisch auf die Kundenanforderungen zugeschnitten sind. Durch eine Reihe strenger und wiederholter Überprüfungen haben diese Technologien die mit dem Ultraschallschweißen verbundenen technischen Nachteile wirksam gemildert. Gleichzeitig wurde innerhalb des Produktionsprozesses ein effizientes Qualitätsprüfsystem eingeführt. Dieses System arbeitet mit Präzision und Wachsamkeit und stellt sicher, dass die Produkte, die aus der Produktionslinie kommen, hervorragende Leistungsindikatoren aufweisen, die die Erwartungen des Marktes erfüllen und oft übertreffen.