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Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung im Auto nach und nach auf Aluminiumleiter umgestellt. (Bild: Abele Ingenieure)
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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).
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.
Hochfeste Schweissverbindungen
Das torsionale Ultraschallschweissverfahren beruht auf dem seit langem bekannten linearen Metallschweissverfahren für Kupfer, Aluminium, Nickel, Bronze, Messing und weitere Mischkombinationen. Diese konventionelle Ultraschall-Schweisstechnik haben die Schweizer Ultraschallspezialisten weiterentwickelt und damit gerade im Zusammenhang mit der Fertigung von Aluminium-Busbars Pionierarbeit geleistet.
Beim Ultraschallschweissen überträgt ein akustisch ausgelegtes Werkzeug hochfrequente Schwingungen. Durch diese hochfrequenten, mechanischen Schwingungen wird der oben aufliegende Fügepartner in Schwingung versetzt, wohingegen der untere Fügepartner durch das Gegenwerkzeug («Amboss») am Mitschwingen gehindert wird. Dadurch entsteht Wärme, die Materialgrenzen, also Oxidschichten «aufbricht» und die Fügepartner dadurch miteinander verschweisst. Man spricht hier auch von einer Diffusionsschweissung.
Beim torsionalen Verfahren wird die Sonotrode nun durch einen Torsionalschwinger angeregt und tordiert infolgedessen in hoher Frequenz wechselweise bis zu 40 μm nach rechts und links. Durch dieses «Tordieren» können sehr grosse Kräfte und Leistungen in die Schweissfläche eingeleitet werden und auch dickere Werkstücke lassen sich mit grosser Festigkeit verbinden. Die Schweisspunkte sind deutlich höher verdichtet und damit noch fester als beim klassischen Ultraschallschweissen.
Funktionsweise: Sensoren werden mit der torsionalen Ultraschallschweisstechnik an ein dünnwandiges Leichtbauteil befestigt. (Quelle: Youtube-Kanal Telsonic Ultrasonics)
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.
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Firmenkasten Über Telsonic
Die Telsonic Gruppe mit Hauptsitz in Bronschhofen (Schweiz) ist seit 1966 mit technologischen Ultraschall-Lösungen in Europa, Amerika und Asien vertreten. Ständige Innovationen tragen dazu bei, dass sich das Unternehmen in vielen Anwendungen einen Vorsprung erarbeitet hat, der den Anwendern Mehrwert bietet.
Das inhabergeführte Familienunternehmen mit über 250 hochqualifizierten Mitarbeitern hat sich auf das Kunststoff- und Metallschweissen sowie das Reinigen, Sieben und Schneiden mit Ultraschall spezialisiert. Diese Kompetenzen sind bei aktuellen Trendthemen stark gefragt, z.B. bei Leichtbau, Elektromobilität, Batterieherstellung, Verpackungsindustrie, Medizintechnik und 3D-Druck.