Ultraschallschweißen: Prinzip, Prozess, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- & Nachteile

Heute lernen wir Ultraschallschweißen kennen: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile mit Diagramm. Ultraschallschweißen nutzt Ultraschallwellen/Schwingungen zur Wärmeerzeugung für das Schweißen. Ultraschall = Schwingungen über dem Hörbereich (~20.000–30.000 Hz). Es ist ein Festkörperschweißverfahren – keine externe Wärmezufuhr.

Ultraschallschweißen:

Prinzip:

Basiert auf Energie der Ultraschallwelle. Ultraschallvibration erzeugt dynamische Schubspannung an der Kontaktfläche zweier Werkstücke. Durch lokale plastische Verformung und Reibungswärme an den Kontaktflächen entsteht die Verbindung an der Grenzfläche.

Diagramm des Ultraschallschweißens

Ausrüstung:

Stromversorgung (Power Supply):

Hochfrequente, hochspannende Stromversorgung für den Wandler zur Schwingungserzeugung.

Wandler (Transducer):

Wandelt hochfrequentes elektrisches Signal in hochfrequente mechanische Schwingung. Mit Schweißkopf verbunden. Konverter oder piezoelektrischer Wandler.

Verstärker und Sonotrode (Booster and Horn):

Mechanische Schwingung vom Wandler → Verstärker (verstärkt) → Sonotrode (Horn). Sonotrode überträgt verstärkte Schwingung auf Schweißplatten.

Spannvorrichtung / Fixierung (Fixture / Clamping Devices):

Essentiell beim Ultraschallschweißen. Nutzt elektrische, hydraulische, pneumatische oder mechanische Energie, um Platten in gewünschter Position zu halten.

Funktionsweise:

Arbeitsablauf:

• Hochfrequenter Strom durch piezoelektrischen Wandler → Umwandlung in mechanische Schwingung
• Schwingung zum Verstärker → Frequenzverstärkung
• Verstärkte Schwingung durch Sonotrode → Kontakt mit Schweißplatte
• Es entsteht Überlappverbindung (Overlap Joint). Eine Platte in Vorrichtung fixiert, andere in direktem Kontakt mit Sonotrode. Beide unter mäßigem Druck.
• Sonotrode liefert hochfrequente mechanische Schwingung an Schweißplatte
• Durch Schwingung wirkt oszillierende Scherkraft an Grenzfläche → elasto-plastische Verformung
• Lokaler Temperaturanstieg durch mechanische Kraft und Reibung → unterstützt plastische Verformung → feste Verbindung ohne Aufschmelzen oder Zusatzwerkstoff

Das Arbeitsprinzip wird durch folgendes Video veranschaulicht.

Vor- und Nachteile:

Vorteile:

• Leicht automatisierbar und schnell
• Hohe Festigkeit ohne externe Wärmezufuhr
• Sauber, gute Oberflächenqualität
• Breite Palette ungleicher Metalle schweißbar
• Keine hohe Wärmeeinbringung → kein Ausstoßen von Schmelze aus der Naht

Nachteile:

• Kein Schweißen dicker, harter Metalle (Dicke ~2,5 mm für Aluminium)
• Hohe Vorrichtungskosten, spezielle Auslegung nötig
• Schwingungen vom Wandler können elektronische Bauteile beschädigen

Anwendungen:

• Fertigung von Kernreaktorkomponenten
• Automobilindustrie: Schlüssel, Scheinwerferteile, Tasten, Schalter etc.
• Elektronikindustrie: Ankerwicklungen, Schalter etc.
• Medizintechnik: Filter, Masken etc. (sauberer Prozess)

Das war der vollständige Überblick über Ultraschallschweißen: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile mit Diagramm. Bei Fragen kommentieren Sie gerne. Wenn Ihnen der Artikel gefällt, teilen Sie ihn in sozialen Netzwerken. Vielen Dank fürs Lesen. Bildquelle: https://science.howstuffworks.com/ultrasonic-welding1.htm