Was ist eine Ultraschall-Schweißmaschine?
Ultraschall-Schweißmaschinen sind Maschinen, die die bei der Erzeugung von Ultraschallwellen entstehenden Luftschwingungen nutzen, um Metalle miteinander zu verbinden.
Normalerweise wird beim Verbinden von Metallen Wärme verwendet, um sie zu schmelzen, aber Ultraschall-Schweißmaschinen verwenden keine Wärme. Die Ultraschallwellen versetzen die Metallatome in Schwingungen und ermöglichen so das Verbinden von Metallen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten.
Der Nachteil ist jedoch, dass die Festigkeit der Verbindung schwach ist, da das Metall nicht wie bei der Wärme einmal geschmolzen und vollständig verbunden wird. Daher ist Vorsicht geboten, wenn Festigkeit gefordert ist.
Darüber hinaus lassen sich die Metallverbindungen grob in drei Kategorien einteilen. Im Einzelnen gibt es drei Arten des Fügens: das Schmelzschweißen, bei dem die Verbindung erhitzt und geschmolzen wird; das Festphasenschweißen, bei dem mechanischer Druck ausgeübt wird, um eine plastische Verformung der Verbindung zu bewirken; und das Hartlöten, bei dem ein Lötmaterial mit niedrigem Schmelzpunkt auf die Verbindung aufgetragen wird. Das Ultraschall-Metallfügen ist dem Festphasenschweißen zuzuordnen.
Anwendungen von Ultraschall-Schweißmaschine
Ultraschall-Schweißmaschinen werden zum Fügen von Gegenständen verwendet, die von ihrer Umgebung nicht beeinflusst werden dürfen, wie z. B. das Folienlaminieren von Batterieelektroden oder das Verbinden von Steckerklemmen mit Kupferdraht. Da bei Ultraschall-Schweißmaschinen das Metall nicht durch Wärme geschmolzen wird, ist das Material selbst keiner starken Hitze ausgesetzt.
Daher hat die Hitze kaum Auswirkungen auf die nicht verbundenen Teile. Die Festigkeit der Verbindung ist jedoch nicht hoch, sodass sie sich nicht für große bewegliche Teile eignen.
Funktionsweise der Ultraschall-Schweißmaschine
Wenn Metall der Luft ausgesetzt wird, bildet sich auf der Oberfläche ein Oxidfilm, an dem sich Fremdstoffe festsetzen. Wenn diese Anhaftungen vorhanden sind, ist das Fügen nicht möglich, es sei denn, die Klebefläche wird einmal eingeschmolzen.
Werden jedoch Ultraschallschwingungen parallel zur Klebefläche und gleichzeitig Druck senkrecht auf das Metall ausgeübt, reiben die Metalle durch die Ultraschallschwingungen aneinander, wodurch die Oxidschicht und Anhaftungen abgeschält werden und die Metalloberfläche fest freigelegt wird. Die interatomare Kraft ermöglicht es, Atome miteinander zu verbinden, ohne das Metall zu schmelzen.
Sobald das Metall geschmolzen ist, kann sich die Form selbst verformen oder schrumpfen, wenn die Metalloberfläche dünn ist. Beim Fügen von Metallen mit Ultraschall wird jedoch nur eine kleine Schicht der Fügefläche mit der Kraft beaufschlagt, sodass die Form nicht wesentlich gestört wird.
Da nur Ultraschallenergie verwendet wird, wird außerdem kein Gas verbraucht. Auch der Verbrauch an elektrischer Energie wird stark reduziert, so dass es sich um ein umweltfreundliches Fügeverfahren handelt.
Aufbau von Ultraschall-Schweißmaschinen für das Metallfügen
Die Ultraschall-Schweißmaschinen bestehen aus einem Schwinger, einer Vibrationseinheit und einer Sonotrode.
1. Schwinger
Der Oszillator liefert hochfrequente Energie und steuert die Frequenz. Da die Frequenz mit jedem verwendeten Ultraschallhorn variiert und von den Temperatur- und Druckverhältnissen während des Betriebs abhängt, ist die Maschine mit einer Frequenznachführschaltung ausgestattet, um die Frequenz auf das optimale Niveau einzustellen.
2. Schwingungsteil
Der Schwingungsteil besteht aus einem Wandler und einem festen Horn, das die Amplitude der vom Oszillator durch den Wandler gesendeten und zum festen Horn übertragenen Frequenz verstärkt.
3. Ultraschallhorn
Das Ultraschallhorn wird durch die vom Schwingungsteil gesendeten Ultraschallwellen in Schwingung versetzt und unter Druck gesetzt, was zu einer sofortigen Reibungswärme auf den Verbindungsflächen der Werkstücke führt, wodurch die Kontaktflächen der Werkstücke schmelzen und sie Molekül an Molekül verbinden. Wenn die Ultraschallschwingung aufhört, kühlt das geschmolzene Werkstück ab und erstarrt rasch.
Wenn während der Abkühlung kontinuierlich Druck ausgeübt wird, erstarren die Verbindungsflächen in einem dichteren Zustand und es kann eine stärkere Verbindung erzielt werden.
Merkmale von Ultraschall-Schweißmaschinen für das Fügen von Metallen
Ultraschall-Schweißmaschinen sind sicherer, schneller und genauer als andere Fügeverfahren. Fügen mit Ultraschall bedeutet, dass das Fügen an Ort und Stelle erfolgt und präzise ausgeführt werden kann. Außerdem dauert der Fügevorgang nur wenige Sekunden.
Abgesehen von den punktuellen Bereichen wird das Metall kaum beeinträchtigt, und es ist schwierig, das Metall zu beschädigen oder zu verformen. Aufgrund der Festphasenverbindung durch Ultraschallwellen steigt die Temperatur des Grundmetalls nur langsam an, und das Fügen ist bei relativ niedrigen Temperaturen von 35 % bis 50 % der Schmelztemperatur des Grundmetalls möglich.
Folglich entstehen keine Funken oder Dämpfe, und es kann eine ausgezeichnete Festigkeit und Leitfähigkeit gewährleistet werden.