Als Fügeverfahren der Zukunft könnte sich vor allem im Leichtbau die torsionale Ultraschallschweisstechnik durchsetzen. Eine typische Anwendung ist die Fertigung sogenannter Aluminium-Busbars für die Stromversorgung im Motorraum moderner Kraftfahrzeuge.

Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung in Automobilen immer häufiger auf Aluminiumleiter umgestellt. Das Einsparpotenzial ist dabei besonders gross, wenn die Batterie – aus Gründen einer ausgewogenen Gewichtsverteilung – im Heck des Fahrzeugs untergebracht ist. Die Batterie muss dann allerdings über eine relativ weite Strecke mit den Komponenten im Motorraum verbunden werden. Klassische Kabel sind dafür meist nicht mehr das Mittel der Wahl.

Bereits vor etwa zehn Jahren ging der Trend zu starren Flachleitern aus Aluminium, die leichter sind und sich einfacher montieren lassen. Doch die Entwicklung ist nicht stehen geblieben. Heute sorgen immer häufiger Aluminium-Rundleiter für die sichere Stromversorgung von der Batterie in den Motorraum, und das aus gutem Grund: Sie lassen sich einfacher herstellen und, da sie besonders einfach gebogen werden können, gut an unterschiedliche Fahrzeugformen anpassen (Auftaktbild).

Runde Aluminium-Stromschiene statt biegeschlaffer Kupferkabel

Gegenüber Kupferkabeln hat eine Aluminiumstromschiene einige Vorteile. So ist der massive Aluminiumleiter dreidimensional formbar und wiegt nur etwa die Hälfte des herkömmlichen Bauteils aus Kupfer. Die absolute Gewichtseinsparung kann deshalb allein bei der Batterieverbindung durchaus mehrere Kilogramm betragen.

Im Vergleich zu einem mehradrigen Kupferkabel mit einem Durchmesser von 15,5 mm hat die Alu-Schiene zudem bei identischer Leitfähigkeit nur etwa 14 mm Durchmesser, was dem immer knapper werdenden Bauraum in modernen Autos Rechnung trägt.

Die runden Aluminium-Busbars werden aus einem mit einem thermoplastisch isolierten Rohling gefertigt und zur Anpassung an den jeweiligen Fahrzeugtyp dreidimensional gebogen. Die Handhabung dieser starren Busbar ist wesentlich einfacher als beim biegeschlaffen Kabel. Das kommt dem Autohersteller beim Einbau zugute. Mit wenigen Handgriffen lässt sich das Bauteil an entsprechenden Clips am Fahrzeugboden befestigen.

Bild: Sorgt für sichere Stromversorgung in Fahrzeugen: Mit torsionaler Ultraschall-Technik verschweisster Anschlussbolzen. (Quelle: Telsonic)

Sichere Kontaktierung im Motorraum

Damit der Kontakt im Motorraum sicher gelingt, wird am vorderen Ende der Busbar ein etwa 30 mm langer Verbindungsbolzen mit Schraubgewinde (Bild 2) auf das Aluminium aufgeschweisst. Zuvor wird dieser Bolzen in eine Kupfer-Nickel-Hülse eingepresst, die sich mit dem Aluminium besser verbinden lässt.

Durch die Vernickelung des kupfernen Kontaktierungssockels ist ausserdem das Korrosionsrisiko zum Aluminium hin zu vernachlässigen. Gleichzeitig erhöht sich die Schweissfestigkeit im Vergleich zu einer Kupfer-Aluminiumverbindung erheblich. Dank des von Telsonic (vgl. Firmenkasten) entwickelten torsionalen Ultraschallschweissverfahrens Soniqtwist lassen sich dann der Bolzen und die Aluminiumstromschiene schnell und sicher miteinander verbinden (Bild 3 und 4):

Per pick and place wird der zugeführte Bolzen einem Magazin entnommen und für den Schweissvorgang exakt auf dem Busbar unter der Sonotrode positioniert. Für eine hohe Wiederholgenauigkeit und um die Qualität bei der grossen Beanspruchung zu sichern, ist der Amboss wassergekühlt. Der Schweissvorgang dauert dann nur etwa eine Sekunde; die Aluminium-Busbars können dadurch innerhalb kurzer Zeit in grossen Stückzahlen produziert werden. Aktuelle Werte liegen zurzeit bei über 700.000 Stück pro Jahr und Anlage.

Keine Zusatzwerkstoffe wie Kleber oder Lot werden gebraucht

Die torsionale Ultraschallschweisstechnik erzeugt aber nicht nur innerhalb kurzer Zeit hochfeste Verbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, sondern ist auch noch umweltfreundlich, da es keine Zusatzstoffe wie Kleber, Lot oder sonstiges Verbrauchsteile braucht. Der Prozess ist zuverlässig und sicher, da der Schweissvorgang nur über wenige Parameter konfiguriert wird und sich einfach überwachen lässt.

Der Ultraschallgenerator mit einer Leistung von 10 kW arbeitet mit einer Frequenz von 20 kHz. Die menügeführte Software mit Touchscreen-Bedienung und übersichtlicher Gliederung lässt ein effizientes Einrichten und Arbeiten zu.

Die vorgeschriebene Qualitätskontrolle erleichtern Qualitäts-Toleranzfenster, welche im Einrichtbetrieb für alle Schweissresultate eingestellt werden. Für Schweisszeit sowie maximale Leistung lassen sich obere und untere Grenzwerte setzen, deren Über- oder Unterschreiten eine Warnmeldung auslöst.

Statistische Auswertungen, automatisches Kalibrieren, das Maintenance-Menü für Wartungsarbeiten, Referenzbetrieb und ein Ultraschall-Testmodus ergänzen die Funktionen. Durch diese Flexibilität lassen sich Bolzen an beliebige Busbars für ganz unterschiedliche Fahrzeugtypen schweissen; individuelle Fertigung bis hin zu Losgrösse 1 ist damit kein Problem.