| Verfahren Das Ultraschallschweißen (Bild 1) steht von seinem Fügeprinzip her zwischen den artverwandten Sonderschweißverfahren Kaltpreß- (Bild 2) und Reibschweißen (Bild 3). Die Fügekraft beim Ultraschallschweißverfahren ist deutlich geringer als beim Kaltpreßschweißen (statt oftmals mehrere 100 MPa nur ca. 10-50 MPa). Zudem werden beim Ultraschallschweißen nicht die beim Reibschweißens üblich hohen Temperaturen erreicht. Die Fügepartner werden beim Ultraschallschweißen nur gering mechanisch beansprucht.
Merkmale des Verfahrens und der erzeugten Werkstoffverbunde Vorteile:
Grenzen:
Aufbau und Funktionsweise der Ultraschallschweißanlage Beim Ultraschallschweissen koppelt unter relativ geringem statischem Druck ein hochfrequent schwingendes Schweißwerkzeug, die sogenannte Sonotrode, auf dem zu fügenden Verbund an. Dabei werden die Ultraschallschwingungen in Form von Scherwellen in die Grenzfläche eingeleitet. Der Ultraschallgenerator wandelt die anliegende 50 Hz Netzwechselspannung in eine Hochfrequenzwechselspannung von 20 kHz um. Im Konverter wird durch Nutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts eine mechanische Schwingung der selben Frequenz erzeugt. Eine das System ergänzende Regelung ermöglicht eine Wahl der Amplitudengröße zwischen 5 und 40 µm. Über die pneumatische Kraftaufbringung wird auf das gesamte Schwingersystem und somit auch auf die Fügeteile die erforderliche ruhende, senkrecht zur Schwingachse wirkende Schweißkraft aufgebracht. Die Überlagerung der statischen und dynamischen Kräfte bewirkt eine Annäherung der Oberflächen auf atomare Abstände, so daß eine hochfeste Bindung entsteht. Die Dicke der entstehenden Fügezone beträgt nur wenige Nanometer. Die beim Ultraschallfügen erzielten Zugscherfestigkeiten betragen bei Glas/Metall-Verbunden bis zu 55 MPa, bei Keramik/Metall-Verbunden werden 75 MPa erreicht. Das Verfahren zeichnet sich durch geringen Energiebedarf, gute Automatisierbarkeit und hohe Umweltverträglichkeit aus. Aufgrund der lokal begrenzten Energieeinbringung beim Ultraschallschweissen liegen die Fügetemperaturen deutlich unter den Schmelzpunkten der beteiligten Werkstoffe. Das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der Fügepartner induziert beim Abkühlen Eigenspannungen, die sich, wenn sie den äußeren Belastungen entgegengerichtet sind, positiv auf die Beanspruchbarkeit des Verbundes auswirken können.
Prinzip Ultraschall-Punktschweißen
Das metallische Schweißteil ist stets der Sonotrode zugewandt, da dieses wegen seiner gegenüber Glas, Glaskeramik und Keramik höheren Duktilität eine bessere Ankopplung an die meist kreuzgeriffelte Arbeitsfläche des Schweißwerkzeuges und damit einer verlustärmere Energieübertragung in die Fügeteile gewährleistet. Nach Auslösung eines Schweißimpulses wird die Sonotrode zwischen 0,2 und 1,5 s angeregt. Die Dauer des Schweißvorgangs richtet sich dabei unter anderem nach den zu verschweißenden Werkstoffen und der gewünschten Fügeflächenausbildung. Die Amboßhalterung wurde für die kontinuierliche Erfassung des sich während des Schweißvorgangs einstellenden Temperaturverlaufs in der Bindezone der Fügeteile ausgelegt.
Prinzip Ultraschall-Rollnahtschweißen
Bei der am Lehrstuhl für Werkstoffkunde entwickelten Ultraschall-Rollnahtschweißanlage rollt das scheibenförmige Schweißwerkzeug, die Sonotrode, auf den synchron mitbewegten Werkstücken ab und schallt die benötigte Energie in Form hochfrequenter Scherwellen in die Fügepartner (Metall / Aluminiumzwischenfolie / Glas) ein. Zur Sicherung einer ausreichenden Relativbewegung sind diese auf einer Gummiunterlage fixiert. Sie erlaubt intermittierende und kontinuierliche Linienschweissungen durchzuführen.
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Bereich plastischer
Verformung
