Verbinden von Draht mit kleinen Metallteilen

Seit den frühen 1980er Jahren wird Ultraschall zum Spleißen von Drähten und zum Schweißen von Drähten an Metallstecker und -klemmen eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson, zeigt die Metallschweißtechnologie von Branson Ultraschall

Beim Ultraschallschweißen werden verseilte (oben) und verzinnte Drähte effektiv miteinander verbunden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Sonobond Ultraschall Inc.

Das Schweißgerät SPG 2600 verschweißt Drahtbündel von bis zu 20 Quadratmillimetern mit Ultraschall an einer einzigen Klemme. Foto mit freundlicher Genehmigung von Sonobond Ultraschall Inc.

Wenn der Durchschnittsmensch einen Kühlschrank öffnet und eine zu warme Getränkedose oder -flasche herausnimmt, ist seine erste Reaktion Enttäuschung. Wenn diese Person jedoch Kabelbäume für diesen Gerätetyp montiert, ist ihr erster Gedanke: Überprüfen Sie den Kabelbaum des Verdampferventilators. Während er es auf Verschleiß und Beschädigungen untersucht, erfährt er auch, ob die Drähte an Steckverbinder geschweißt oder angelötet waren und wie gut beide Prozesse durchgeführt wurden.

Höchstwahrscheinlich wird er sehen, dass die Drähte ultraschallverschweißt sind. Kabelbaumhersteller, die den Haushaltsgerätemarkt bedienen, bevorzugen zunehmend diese Technologie, da sie zuverlässige Verbindungen mit hoher Leitfähigkeit herstellt.

Das soll nicht heißen, dass alle Kabelbaumhersteller auf Ultraschallschweißen umgestiegen sind. Viele bevorzugen immer noch Widerstandsschweißen und -löten. Ersteres ist wirtschaftlich und eignet sich zum Verbinden ähnlicher und unterschiedlicher Materialien, während letzteres nach wie vor zum Anschließen von verzinnten Drähten und für die Produktion kleiner Stückzahlen beliebt ist.

Was die Hersteller mit Sicherheit wissen, ist, dass alle drei Methoden zum Verbinden von Drähten mit Metallteilen sowie zum Zusammenspleißen von zwei oder mehr Drähten wirksam sind. Sie wissen auch, dass es für die Auswahl des besten Fügeverfahrens für eine Anwendung von entscheidender Bedeutung ist, alle Vor- und Nachteile jeder Technologie vollständig zu verstehen.

Seit den frühen 1980er Jahren wird Ultraschall zum Spleißen von Drähten und zum Schweißen von Drähten an Metallstecker und -klemmen eingesetzt. Dabei werden Drahtstränge unter Druck mit einer Frequenz von 15 bis 40 Kilohertz in Schwingung versetzt. Die Schwingungsenergie zerstreut Oberflächenoxide, wodurch ein Abrieb an den Strängen entsteht und eine feste metallurgische Bindung entsteht.

„Das Ultraschallverfahren sorgt für eine Schweißnaht mit geringem Widerstand“, bemerkt Joe Stacy, der bei Emerson als nationaler Vertriebsleiter für Branson Ultraschall Metallschweißen, Amerika, beschäftigt ist. „Und eine Schweißnaht mit geringem Widerstand ermöglicht die Verwendung kleinerer Kabel, was den Herstellern Geld und Platz spart.“

Typischerweise werden leitfähige Materialien wie Aluminium, Nickel, Silber, Kupfer und Gold mit Ultraschall verschweißt. Das Verfahren verbraucht rund 80 Prozent weniger Energie als das Widerstandsschweißen und erfordert keine Wasserkühlung. Und im Gegensatz zum Löten sind beim Ultraschallschweißen keine Flussmittel oder Zusatzstoffe erforderlich.

Das 2032S-System von Branson erzeugt hochwertige Drahtspleiße in einer Querschnittsfläche von 0,7 bis 40 Quadratmillimetern. Ausgestattet mit einem Versagraphic-Netzteil passt das System die Spleißparameter, einschließlich Breite, Druck, Amplitude und Energie, automatisch und sofort an. Der Bediener kann eine voreingestellte Anzahl von Spleißen nacheinander programmieren, um eine optimale Produktionseffizienz zu erzielen. Zu den weiteren Standardfunktionen gehören ein einziehbarer Amboss (zur Maximierung der Drahtladefläche), ein Sammelwerkzeug (zum einfachen Entfernen der Spleißstelle) und Kühlluft zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer in Umgebungen mit hoher Produktion.

„Unabhängig von den Branchen, in denen sie tätig sind, benötigen Kabelbaumhersteller Schweißer, die rund um die Uhr zuverlässig und kostengünstig sind“, sagt Stacy. „Ultraschallschweißen ist durchweg kosteneffektiv, und das ist einer der Hauptgründe für seine wachsende Beliebtheit.“

Janet Devine, Präsidentin von Sonobond Ultraschall Inc., sagt, dass die Weiterentwicklung der Maschinentechnologie auch dazu beiträgt, dass das Ultraschallschweißen seine wirtschaftlichen und effizienten Vorteile gegenüber anderen Verbindungsmethoden beibehält. Beispielsweise sind keramische piezoelektrische Wandler in der Lage, bei hoher Spannung und hoher Temperatur (bis zu 300 °C) effizient zu arbeiten. Darüber hinaus bieten Netzteil und Elektronik digitale Präzision und Kontrolle.

Das Schweißgerät SPG (Single Point Ground) 2600 von Sonobond schweißt Drahtbündel von bis zu 20 Quadratmillimetern (maximal 18 Drähte) mit Ultraschall an einen einzigen Anschluss. Die mikroprozessorgesteuerte Einheit führt die Schweißung in einem Impuls durch, bevor sie die Endarme automatisch einklappt, um für eine Spannungsentlastung der Verbindung zu sorgen. Es verarbeitet Standard- und leicht verzinnte oder oxidierte Drähte.

Laut Devine verfügt das Schweißgerät über ein patentiertes Wedge-Reed-System anstelle eines seitlichen Antriebssystems. Ersteres kombiniert eine niedrige Vibrationsamplitude mit einer hohen Vibrationskraft, die im Schermodus parallel zur Grenzfläche der zu verschweißenden Materialien gerichtet ist. Dies führt zu einer viel besseren Impedanzanpassung an eine Metallschweißkonstruktion, die sechs bis neun Mal dichter als Kunststoffe ist.

Trotz zahlreicher Vorteile weist das Ultraschallschweißen einige Einschränkungen auf. Zunächst einmal dauert der Vorgang länger als das Crimpen (ca. 2 Sekunden) und die Ausrüstung ist relativ teuer (35.000 bis 70.000 US-Dollar). Es kann nicht mit Verzinnung, Drahtbündeln kleiner als 1 Quadratmillimeter, dünnen Einzeldrähten (36 AWG und höher) oder solchen mit einer hohen Litzenzahl verwendet werden. Da zudem eine Überlappung erforderlich ist, sind Stoßverbindungen nicht immer möglich.

Wie das Ultraschallschweißen hat auch das Widerstandsschweißen eine lange Erfolgsgeschichte beim schnellen und kostengünstigen Verbinden von Drähten mit kleinen Metallteilen. Der Unterschied besteht darin, dass Widerstandsschweißen besser für weniger leitfähige Materialien wie Nickel und Edelstahl geeignet ist. Das Verfahren kommt beispielsweise dann zum Einsatz, wenn der Anschluss aus verzinntem Messing besteht.

Beim Widerstandsschweißen wird ein Draht in ein Loch oder eine andere selbstfixierende Anschlusskonstruktion eingeführt. Der Draht und das andere Teil werden dann zusammengeschoben, während kurzzeitig ein elektrischer Strom durch sie fließt. Der Widerstand gegen den Strom erzeugt die Hitze zum Schweißen, sowohl innerhalb als auch zwischen dem Teil und dem Draht. Wenn der Strom stoppt, halten die Elektroden die Teile weiterhin zusammen und bilden eine Schweißnaht.

Widerstandsschweißen wird typischerweise zum Spleißen und Verdichten von Kupferlitzen verwendet. Der Vorgang erfolgt je nach Drahtgröße (50 bis 10 AWG) innerhalb von 2 bis 50 Millisekunden. Weitere Vorteile sind Energieeffizienz, saubere Schweißnähte und eine minimale Wärmeeinflusszone, in der die Schweißwärme das Material an oder in der Nähe der Schweißnaht kaum verändert.

Der Nachteil ist, dass die beim Widerstandsschweißen entstehende Hitze den Draht ausglühen kann, was die Zugfestigkeit der an die Schweißnaht angrenzenden Drahtlitzen verringern kann. Aufgrund der Stromdichte ist auch der Elektrodenverschleiß hoch.

„Der Schlüssel zum erfolgreichen Widerstandsschweißen von Kupferlitzen an verschiedene Arten von Anschlüssen besteht darin, zu verhindern, dass sie sich beim Schweißen ausbreiten“, erklärt David Steinmeier, Gründer und Präsident von microJoining Solutions (mJS), einem Beratungsunternehmen. Seit 1998 ist mJS auf die Entwicklung, Optimierung und Validierung von Laser- und Widerstandsschweißprozessen spezialisiert. „Jede einzelne Drahtlitze, die über die Verbindungsstelle hinausragt, kann zu einem Kurzschluss nahegelegener Anschlüsse führen.“

Steinmeier bietet vier Methoden an, um diese Stränge zu erfassen. Die erste ist die elektrische Verfestigung, bei der die Litze zu einem massiven Kupferblock verfestigt wird, indem ein hoher elektrischer Strom über obere und untere Wolframelektroden durch den Block geleitet wird. Die auf die obere Elektrode ausgeübte Kraft trägt dazu bei, den Litzendraht zu komprimieren und zu verfestigen. Der massive Block wird dann mit der Klemme verschweißt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, an der Elektrodenspitze eine V-förmige Nut oder einen Lichtbogen mit einem halben Durchmesser zu erzeugen und dann die Litzen während des Schweißens in diesem Bereich zu platzieren. Bei dieser Methode werden möglicherweise nicht alle Litzen erfasst und verschweißt. Außerdem stellt sie die Herausforderung dar, die Spitze zu reinigen und zu warten, und es besteht die Möglichkeit, dass die obere Elektrode mit der unteren kurzgeschlossen wird und der Schweißvorgang abgebrochen wird.

Bei der Methode der Pig-Tail-Isolierung wird die Isolierung vom Draht getrennt, aber nicht entfernt (um die Ausbreitung der Drähte während des Schweißens zu reduzieren) und die freiliegenden Drahtlitzen mit einer flachen, rechteckigen oberen Elektrode kontaktiert. Eine letzte Möglichkeit besteht darin, Ihre Vorrichtung mit Führungspfosten oder Haltestiften zu konstruieren, die den Litzendraht über dem Anschluss halten und verhindern, dass sich die Litzen beim Schweißen ausbreiten. Dieses Design kann ein oder mehrere Terminals aufnehmen.

„Aluminiumdraht kann widerstandsgeschweißt werden, aber das ist eine Herausforderung“, bemerkt Marty Mewborne, Sales Engineering Manager bei Amada Miyachi America. „Das Problem ist, dass die oberste Schicht oxidiert und der Draht schnell schwächer wird.“

Um das Problem zu lösen, empfiehlt Mewborne den Kabelbaumherstellern, Kupferklemmen mit einer Aluminiumummantelung am Ende zu verwenden. Diese Anschlüsse ermöglichen eine Aluminium-Aluminium-Schweißung.

Die europäischen Elektromotorenhersteller Bosch, Siemens und Volkswagen verwendeten jahrzehntelang Maschinen oder Chemikalien, um die Lackschicht von den Enden der Magnetdrähte zu entfernen, bevor sie sie an Kupferringklemmen oder -hülsen anpressten. Dies änderte sich bei der Strunk Connect GmbH & Co. KG im Jahr 2010 mit der Einführung des Heißcrimpens, einer Technologie, bei der die Isolierung beim Crimpen von Draht und Anschluss bzw. Hülse verdampft. Neben der Steigerung der Produktivität der Hersteller verbessert die Technologie auch die Schweißnahtfestigkeit, indem sie die Belastung des Kupfers im Draht und im Anschluss minimiert.

Ähnlich wie beim Widerstandsschweißen beruht das Heißcrimpen auf der Wärme, die durch den elektrischen Widerstand des zu schweißenden Materials und die Kraft erzeugt wird, die beim Schweißen die Materialien zusammenhält. Im Gegensatz zum Widerstandsschweißen werden beim Heißcrimpen speziell entwickelte Schweißköpfe verwendet, die den Draht nahezu ohne Kontaktwiderstand mit dem Anschluss verbinden.

Heinz Bockard, Geschäftsführer von Strunk Connect, sagt, dass die Technologie Standard- und Hochfrequenz-Magnetdrähte (Strom über 10 Kilohertz) und nicht isolierte Kupferdrähte verbinden kann. Magnetdraht besteht aus Kupfer oder Aluminium und ist mit einer sehr dünnen Schicht aus Emaille oder Polymerisolierung beschichtet. Durch Heißcrimpen können Drahtdurchmesser von 30 AWG bis 300 MCM (300.000 Circular Mils) geschweißt werden.

Bei einer halbautomatischen Tischmaschine legt ein Arbeiter die mit Magnetdraht umwickelte Spule in die Maschine, führt offene Drahtenden in die Klemme ein und aktiviert den Schweißzyklus. Innerhalb von Millisekunden geben die Schweißköpfe so viel Strom ab, dass an der Klemme eine Temperatur von etwa 700 °C entsteht, die Isolierung verdampft und die Drahtenden miteinander und mit der Klemme verschweißt werden. In den nächsten Sekunden kühlt das Terminal auf 100 °C und dann auf 45 °C ab, bevor es manuell aus der Maschine entnommen wird.

Halbautomatische Systeme verfügen über eine kleine Palette, die das Bauteil in die Heißcrimpmaschine hinein und aus dieser heraus bewegt. Der Arbeiter führt die Drahtenden in die Klemme ein, aktiviert die Maschine und entnimmt das Bauteil nach dem Abkühlen von der Palette. Vollautomatische Systeme automatisieren auch das Einführen der Drahtenden in die Klemme vor dem Schweißen.

Seit mehr als einem Jahrhundert verwenden Monteure das Löten zum Schweißen und Spleißen von Drähten, was für eine Technologie, die es bereits seit 3.000 v. Chr. gibt, relativ neu ist. Beim Löten werden zwei Metallstücke mit einem Zusatzwerkstoff (Lot) verbunden, dessen Schmelzpunkt (ca. 200 °C) niedriger ist als der des Werkstücks.

Da das Löten hauptsächlich manuell erfolgt, eignet es sich am besten für die Produktion kleiner Stückzahlen. Bei manchen Großserienanwendungen ist Handlöten jedoch unvermeidbar. Beispiele hierfür sind der Anschluss von Drähten an ein Spezialgerät, bei dem eine Spleißung nicht möglich ist, oder das Anlöten eines High-End-Koaxialkabels an einen Stecker.

Das Verfahren hat mehrere Vor- und Nachteile. Auf der positiven Seite bietet das Löten Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, relativ kostengünstige Ausrüstung und die Flexibilität, Verbindungen herzustellen, die leicht entfernt werden können, wodurch Prototyping und Feldarbeit vereinfacht werden. Zu den Nachteilen zählen Sicherheitsbedenken (heißes Eisen und geschmolzenes Metall in der Produktionshalle), korrosives Flussmittel und die Notwendigkeit von Absauggeräten zur Entfernung von Dämpfen aus verbranntem Flussmittel.

„Flash-Löten von Drähten mit Anschlüssen tritt zunehmend bei Anwendungen auf, bei denen es nicht möglich ist, Widerstandsschweißelektroden an der Draht-Anschluss-Verbindung anzubringen“, behauptet Steinmeier. „Diese automatisierte Methode erfordert den Einsatz von Diodenlasern und dauert 0,1 bis 0,25 Sekunden, verglichen mit etwa 2 Sekunden beim Handlöten.“

Laut Steinmeier dient das Blitzlöten dazu, winzige Drähte mit einer Breite von 15 bis 125 Mikrometern (50 bis 36 AWG) anzuschließen oder zu verbinden. Es verwendet Standard- oder bleifreies Lot (Schmelzpunkt 80 °C bis 220 °C) und wird bevorzugt für Anwendungen mit winzigen, empfindlichen Steckverbindern oder Leiterplatten verwendet, beispielsweise in medizinischen Geräten.

Auch die Technologie ist flexibel. Steinmeier sagt, dass anstelle eines Lasers auch ein Heißluftstift verwendet werden kann. Eine weitere Option sind vorgelötete Anschlüsse. Nachdem der Draht im Anschluss gecrimpt ist, wird er vor den Stift geführt, sodass das Lot schmilzt und an Ort und Stelle fließt.

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.