Metall mit Ultraschallschweißen verbinden

Das Wort „Schweißen“ ruft ein bestimmtes Bild hervor – die offene Flamme einer Fackel und glühendes geschmolzenes Metall. Metallteile werden in einen flüssigen Zustand erhitzt, um sie miteinander zu verbinden. Für kleine und elektrische Produkte ist dies keine praktikable Verbindungsmethode. Durch Ultraschallschweißen kann eine Verbindung zwischen Metallen entstehen, ohne dass das Metall den festen Zustand verlassen muss.

Dave Krysiak, nordamerikanischer Vertriebsleiter für Ultraschall-Metallschweißen bei Sonics & Materials Inc., erklärt, dass beim Ultraschall-Metallschweißen die durch hochfrequente Vibrationen erzeugte Reibung genutzt wird, um eine Verbindung herzustellen, ohne dass die Metalle geschmolzen werden müssen.

„Ultraschallschweißen ist ein Festkörperverfahren, das durch Reibung metallurgische Verbindungen herstellt“, sagt Krysiak.

Der Vorteil der Herstellung von Verbindungen ohne Schmelzen des Materials besteht darin, dass keine intermetallischen Verbindungen oder Partikel entstehen, erklärt Joe Stacy, nationaler Vertriebsleiter für Ultraschall-Metallschweißen bei Emerson Automation Solutions. Dadurch wird auch die Korrosionsgefahr ausgeschlossen.

Mit Ultraschallschweißen können verschiedenste weiche, leitfähige Nichteisenmetalle verbunden werden, von Kupfer, Aluminium und Nickel bis hin zu Lithium, Messing, Silber und Gold. Im Gegensatz zum Ultraschall-Kunststoffschweißen ermöglicht dieses Verfahren die erfolgreiche Verbindung unterschiedlicher Materialien. Diese Fähigkeit macht das Ultraschall-Metallschweißen zum idealen Verbindungsverfahren für Anwendungen mit Stromspeichergeräten, Kabelbäumen und -baugruppen, elektrischen Unterbrechern und Schaltern, Unterhaltungselektronik und Mobiltelefonen und sogar implantierbaren medizinischen Geräten.

„Batterien für Elektrofahrzeuge sind derzeit ein sehr heißer Markt. Ultraschall-Metallschweißen ist in diesem Markt weit verbreitet, da wir in der Lage sind, sehr dünne Materialien – bis hin zu 5-Mikron-Folien – zu verbinden und diese Materialien in bis zu 100 Schichten zu verbinden, was den Zusammenbau von Hochleistungs-Lithiumbatterien ermöglicht. und Superkondensatoren“, sagt Stacy.

Ein weiterer Unterschied zwischen dem Ultraschallschweißen von Kunststoff und Metall besteht in der Anwendung der Amplitude. Laut Krysiak wird die Amplitude beim Ultraschall-Kunststoffschweißen in vertikaler Richtung auf das obere Bauteil ausgeübt, während die Amplitude bei Metallmaterialien in einer seitlichen Bewegung auf ein seitlich liegendes Bauteil ausgeübt wird.

Im Vergleich zum Löten und Crimpen sind beim Ultraschall-Metallschweißen keine zusätzlichen Materialien oder Verbrauchsmaterialien erforderlich, um eine Verbindung herzustellen. Der Prozess bietet wiederholbare Ergebnisse und ein höheres Maß an Kontrolle als andere Klebetechniken. Da beim Ultraschall-Metallprozess viele Variablen eine Rolle spielen – Amplitude, Frequenz, Druck und Werkzeug – wird manchmal Zeit benötigt, um Schweißparameter und Werkzeuge zu entwickeln, die ideal für die Besonderheiten einer bestimmten Anwendung geeignet sind.

Während der Prozess in hohem Maße wiederholbar und kontrollierbar ist, erfordert das Ultraschallschweißen von Metall Schulungen und Tests, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Wenn die Technik nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird, können die verbundenen Materialien und Drähte spröde werden. Das Ultraschall-Metallschweißen erfordert außerdem umfangreiche Tests wie Zug-, Schäl- und Widerstandszerstörungstests, um genaue, wiederholbare Verbindungen zu erzielen.

Das Design des Werkzeugs selbst spielt eine wesentliche Rolle für den Erfolg der Verbindung.

„Der Schlüssel zum Erfolg bei Metallschweißanwendungen liegt oft in der Konstruktion, den Details und der Implementierung der Schweißwerkzeuge“, bemerkt Stacy. „Das Horn – die Hälfte des Werkzeugs, die die Ultraschallenergie durch eines der Teile zur Schweißzone zwischen den Teilen überträgt – muss eine geeignete Kombination aus Grundmaterial, Form, Oberflächentextur und Rändelmustern aufweisen, um diese Energie effizient zu liefern.“

Auch die Auswahl des geeigneten Ultraschallschweißgeräts für die jeweilige Aufgabe ist von entscheidender Bedeutung. Krysiak empfiehlt, von der Anwendung aus rückwärts zu arbeiten, um die richtige Frequenz für die Materialien und das Produkt auszuwählen. Unternehmen wie Sonics und Emerson bieten eine Reihe von Schweißgeräten und Dienstleistungen an, um den sich ständig ändernden Branchenanforderungen gerecht zu werden, einschließlich der Automatisierungsintegration. Ultraschallschweißen kann zum Verbinden von Metallen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

ZOË LEDUC, Mitherausgeberin