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09.11.2023

Ultraschall-Metallschweißtechnik verbindet Nichteisenmetalle

Ultraschall-Metallschweißtechnik verbindet Nichteisenmetalle

Seit 30 Jahren wird das Ultraschall-Metallschweißen zum Verbinden weicher, leitfähiger Nichteisenmetalle wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Lithium, Messing, Silber und Gold in Batterien, Energiespeichersystemen, Kabelbäumen und Drahtfertigungen, Leistungsschalter und Schaltern, Unterhaltungselektronik und Mobiltelefonen sowie medizinischen Geräten eingesetzt. Mit dem Verfahren werden Metalle in dünnen Folien, Blechen, Litzen oder Stromschienen verbunden, ohne zu schmelzen, wodurch hochleitfähige Verbindungen ohne intermetallische Verbindungen oder Korrosionsrisiken entstehen.

Die Ultraschall-Metallschweißtechnik wird bei nahezu allen Batterien zum Verbinden der dünnen Metallfolien eingesetzt, die in Anoden, Kathoden und Laschen verwendet werden. Mit einer Variante des Verfahrens, dem Ultraschall-Metallspleißen, werden Kabelbäume und Drahtanschlüsse, die für die Übertragung von elektrischer Energie, Sensoreingaben oder Steuersignalen bei zahlreichen Anwendungen benötigt werden, dauerhaft verbunden. Die neueste Weiterentwicklung des Verfahrens, das „Direct Press“-Ultraschallschweißen, ermöglicht bahnbrechende Innovationen, die zu leistungsfähigeren Batterien und neuen Schnellladesystemen für leistungsstarke Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite führen.

So funktioniert das Ultraschall-Metallschweißen
Darstellung des Ultraschall-Metallschweißverfahrens. - © Emerson
Darstellung des Ultraschall-Metallschweißverfahrens. © Emerson

Ultraschall-Schweißverbindungen werden hergestellt, indem Hochfrequenzschwingungen auf Metallteile aufgebracht werden, die zwischen einer Sonotrode oben und einem Amboss unten eingepresst sind. Das untere Metallteil wird auf dem Amboss platziert, wo es von einem Rändelmuster gegriffen und zum Schweißen festgehalten wird. Vor dem Schweißvorgang wird das obere Teil darauf angeordnet. Die Vorschubeinheit des Schweißgeräts bewegt sich auf ihre Position, berührt das obere Teil und drückt die Baugruppe zusammen.

Der Schweißvorgang findet statt, wenn die Sonotrode horizontal mit hoher Frequenz schwingt. Die ersten Schwingungen tragen Oberflächenoxide und Verunreinigungen ab, um eine saubere Verbindungsfläche zu erzeugen. Die weiteren Schwingungen erzeugen Reibungswärme, durch die Oberflächenunebenheiten abgetragen werden, bis eine durchgehende Schweißfläche entsteht. Die Schweißnähte sind durch die Diffusion von Atomen über die Grenzfläche der zusammengefügten Teile gekennzeichnet, die dann zu feinkörnigen Strukturen rekristallisieren, die in ihrem Aufbau kaltverformten Metallen ähneln. Der gesamte Vorgang wird innerhalb von Sekundenbruchteilen abgeschlossen.

Beim Ultraschall-Metallspleißen werden Litzen aus Nichteisenmetallen durch Vibrationsbewegungen und Druck metallurgisch verbunden. - © Emerson
Beim Ultraschall-Metallspleißen werden Litzen aus Nichteisenmetallen durch Vibrationsbewegungen und Druck metallurgisch verbunden. © Emerson

Das Verfahren bietet mehrere Regelungsmethoden, um unterschiedliche Produktionsanforderungen zu erfüllen. Das Ultraschallschweißsystem ermöglicht das Schweißen im Zeit-, Höhen- oder Energiemodus, wodurch das Schweißgerät an die üblichen Unterschiede zwischen den zu verbindenden Metallteilen angepasst werden kann. Durch die Regelung der Schweißamplitude wird die Länge der Schwingung (Amplitude) geregelt, die von der Sonotrodenbaugruppe auf den Schweißbereich der einzelnen zu verbindenden Teile übertragen wird. Darüber hinaus wird durch die Regelung der Anpresskraft der Druck geregelt, der auf die zu schweißende Stelle ausgeübt wird.

Das „Direct Press“-Ultraschallschweißen hat sich als technischer Durchbruch auf dem Batteriemarkt erwiesen, auf dem die Hersteller bestrebt sind, mehr und dünnere Anoden-/Kathodenfolien in bestehende Zellenformen zu schweißen, um „energiedichtere“ Batterien herzustellen. Die herkömmlichen Methoden, die sehr viel höhere Amplituden erfordern, um mehr als 80 oder 100 Lagen zu schweißen, führten zu übermäßigen Vibrationen, die Instabilität, Folienschäden und Batterieausfälle zur Folge hatten. Als die Hersteller von Elektrofahrzeugen und Schnellladesystemen versuchten, viel größere Litzen zu verbinden (200 gegenüber 60 mm2), führten ähnliche Vibrationsprobleme zu einer übermäßigen Belastung der Kabellitzen, wodurch die Gefahr von Beschädigungen oder Brüchen bestand.

Die Familie der Branson Ultraschall-Metallschweißgeräte von Emerson umfasst das Branson GSX-20-DP, ein „Direct Press“-Modell für das Schweißen von vielschichtigen Folien und dickeren Litzen. - © Emerson
Die Familie der Branson Ultraschall-Metallschweißgeräte von Emerson umfasst das Branson GSX-20-DP, ein „Direct Press“-Modell für das Schweißen von vielschichtigen Folien und dickeren Litzen. © Emerson

Die Ingenieure von Emerson lösten beide Probleme durch eine neue „Direct Press“-Ultraschallschweißtechnik. Bei diesem Ansatz wurde der herkömmliche „freitragende“ Schweißvorschub durch einen vertikalen pressenartigen Vorschub ersetzt, der übermäßige Vibrationen verhindert und das gleichmäßige Schweißen von dicken Folien und Kabeln ermöglicht.

Neben mehreren Regelungsarten bieten die Ultraschallschweißgeräte die Möglichkeit, bei Bedarf Schweißparameter und Prozessdaten aufzuzeichnen, um die Produktqualität zu überprüfen, den Bedarf an visuellen Kontrollen zu minimieren und verschiedene globale Anforderungen an die Produktrückverfolgbarkeit zu erfüllen.

Ultraschallschweißen und -spleißen von Metallen: Verfahrensvorteile
  • Ungleiche Nichteisenmetalle werden ohne Schmelzen verbunden
  • Mehrere Regelungsmethoden ermöglichen Prozessanpassung, Wiederholgenauigkeit und statistische Prozesskontrolle (SPC)
  • Geringer Energieeinsatz (30x weniger als beim Schmelz- oder Widerstandsschweißen)
  • Niedrigste Gesamtkosten pro Schweißvorgang

(Quelle: Emerson Electric Co, Autor: Oktay Gültekin, Sales Manager Ultrasonic Metal Welding bei Emerson)

Schlagworte

AluminiumFügetechnikGoldKupferLithiumMessingNichteisenmetalleNickelSchweißtechnikSilberUltraschall-MetallschweißenUltraschallschweißen

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