Full text of DOI:10.1002/1521-4052(200006)31:6<547::AID-MAWE547>3.0.CO;2-C

Ultraschallschweiûen metallischer SchaÈ ume
mit Blechen
C. Born, H. Kuckert, G. Wagner und D. Eifler
gungsamplitude. Die Sonotrode leitet diese in Form von
È
Scherwellen in die FuÈgeteile ein. Zur besseren Ubertragung
1 Einleitung
der Schwingung ist die Sonotrode in der KoppelflaÈche kreuz-
geriffelt profiliert und wird durch eine statische Kraft mit 5±
15 MPa auf das Deckblech gedruÈckt. Der Metallschaum ist
auf einer Gummiunterlage rutschfest positioniert, um die
zum FuÈgen erforderliche Relativbewegung zwischen den Ver-
bundkomponenten zu ermoÈglichen. Der FuÈgeprozess ist mit
Hilfe unterschiedlicher Verfahren wie Punkt-, Rollnaht- und
Torsionsschweiûen realisierbar. Die AblaÈufe sind grundsaÈtz-
lich vergleichbar, sie unterscheiden sich lediglich hinsicht-
lich der Sonotrodengeometrie und -bewegung. Die eingesetz-
ten Anlagen, die auf der Basis industrieller Ultraschall-
schweiûanlagen entstanden sind, weisen Modifikationen
auf, die ein optimales FuÈgen unterschiedlichster Materialkom-
binationen ermoÈglichen. So sind hochgenaue Messsysteme
integriert um die Parameter Schweiûzeit, Schweiûdruck, Am-
plitude, Schweiûgeschwindigkeit und Temperatur zu uÈberwa-
chen. Eine Auswertung dieser Schweiûparameter fuÈhrt zu er-
sten Aussagen bezuÈglich der mechanischen oder optischen
QualitaÈt der Ultraschallverbindung.
Damit die spezifischen Vorteile von Schaumstrukturen in-
dustriell genutzt werden koÈnnen, ist neben der Beherrschung
des Herstellvorgangs deren Einbindung in kompakte Bauteile
erforderlich. Aus diesem Grund besteht insbesondere im Be-
reich des FuÈgens von SchaÈumen ein erheblicher Forschungs-
bedarf.
Verschiedenste FuÈgeverfahren, wie Kleben, LoÈten, Diffusi-
ons-, Laserstrahl- oder Ultraschallschweiûen, werden derzeit
auf ihre Eignung zum Verbinden von zellularen und kompak-
ten Materialien untersucht [1]. Das Ultraschallschweiûen
stellt durch seine verfahrensspezifischen Vorteile, wie kurze
Schweiûzeiten, geringe FuÈgetemperaturen, keine aufwendi-
gen umweltbelastenden OberflaÈchenvorbereitungen, ein leis-
tungsfaÈhiges Sonderschweiûverfahren dar. Ziel der Untersu-
È
chungen ist die UberpruÈfung der Ultra-schallschweiûbarkeit
metallischer SchaÈume mit Blechen sowie die Charakterisie-
rung der Eigenschaften der erzeugten Werkstoffverbunde.
Das Ultraschall-Punktschweiûen ermoÈglicht das punktuelle
Verbinden von Deckblech und Schaum auf einer SchweiûflaÈ-
che, die in etwa den geometrischen Abmessungen der Sono-
trodenkoppelflaÈche entspricht. Derzeit sind FuÈgungen bis zu
einer SonotrodenflaÈche von 100 mm2 realisierbar. Die ermit-
telten Schweiûzeiten betragen Bruchteile einer Sekunde. Auf-
grund der geringen Energieeinbringung handelt es sich beim
Ultraschallschweiûen um ein FuÈgen im festen Zustand, das
heiût ohne ein flaÈchiges Aufschmelzen der Verbundkompo-
nenten. Beim Ultraschall-Rollnahtschweiûen ist die Sonotro-
2 Schweiûverfahren und
Schweiûsysteme
Beim Ultraschallschweiûen (Abb. 1) wandelt ein Generator
die Netzspannung von 50 Hz in eine hochfrequente Wechsel-
spannung um. Diese wird in einem piezoelektrischen Konver-
ter in eine mechanische Schwingung gleicher Frequenz trans-
formiert. Die Formgebung des angeschlossenen Boosters und
der Sonotrode ermoÈglicht die Feinabstimmung der Schwin-
Abb. 1. Prinzip des Ultraschallschwei-
ûens
Fig. 1. Pinciple of ultrasonic-welding
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 547±549 (2000)
Ó WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69451 Weinheim, 2000
0933-5137/00/0606-0547$17.50 ‡ .50/0
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de radfoÈrmig ausgebildet und rollt waÈhrend des Schweiûpro-
zesses auf den FuÈgepartnern ab. Die Ausbildung der Schweiû-
naht ist dementsprechend linienfoÈrmig mit einer variierbaren
Breite von 1±5 mm. Derzeit koÈnnen SchweiûnahtlaÈngen bis
zu 500 mm realisiert werden [2]. Die Erzeugung rotations-
symmetrischer bzw. ringfoÈrmiger FuÈgungen ist mit Hilfe ei-
ner Torsionsschweiûanlage moÈglich. Hierbei wird das
Schweiûwerkzeug nicht wie bei den beiden oben angefuÈhrten
Verfahren zu longitudinalen Schwingungen, sondern zu Tor-
sionsschwingungen angeregt. Die geeignete Amplitude liegt
bei allen Techniken in einem Bereich von 5±50 lm und ist
abhaÈngig von den technologischen, physikalischen und che-
mischen Eigenschaften der Verbundkomponenten.
Abb. 3. Mikroskopische Aufnahmen der FuÈgezonen von pulver-
metallurgischem (links) und schmelzmetallurgischem (rechts)
Al-Schaum mit X5CrNi1810
3 Schweiûversuche
Neben den Schweiûparametern sind die Ausgangsmateria-
lien beziehungsweise die Werkstoffpaarungen der zu fuÈgen-
den Bauteile weitere Faktoren, die die Ultraschallschweiûbar-
keit beeinflussen. Es werden daher Versuche sowohl mit pul-
vermetallurgisch hergestelltem Schaum (AlSi7) mit und ohne
Deckblech als auch mit schmelzmetallurgisch hergestelltem
Fig. 3. Microscopy of welding zones of powder-metallurgical
(left) and melt route (right) Al-foam with the austenitic steel
X5CrNi1810
Wie in Abb. 3 dargestellt, zeigen metallografische und
Schaum (AlSi8) durchgefuÈhrt. Bei der zum Ausgleich von mikroskopische Untersuchungen die Unterschiede in der
OberflaÈchenunebenheiten benoÈtigten Folie zwischen den Ver- SchweiûflaÈchenausbildung bei verschiedenen Werkstoffkom-
bundkomponenten handelt es sich in allen FaÈllen um Al99,5w. binationen. Bei der Materialkombination PM-Schaum/Blech
In Abb. 2 sind ultraschallgeschweiûte Verbindungen zwischen bildet sich eine annaÈhernd homogene FuÈgezone, wogegen
den genannten zellularen Materialien und dem austenitischen bei der Kombination SM-Schaum/Blech FuÈgungen nur im Be-
Stahl X5CrNi1810 dargestellt. Die SonotrodenkoppelflaÈche reich der Zellstege zustande kommen bzw. oberflaÈchennahe
betraÈgt hierbei 10 ˆ 10 mm2 .
Zellstege durch die aufgebrachte Schweiûkraft SchaÈdigun-
Die aus dem Herstellungsprozess der SchaÈume resultieren- gen erfahren.
de Gusshaut und das durch Walzplattierung aufgebrachte
Neben den SchaÈumen wurden in den Untersuchungen auch
Deckblech weisen bei den pulvermetallurgisch hergestellten die Werkstoffe der kompakten Materialien variiert. Abb. 4
Werkstoffen eine geschlossene OberflaÈche auf. Im Gegensatz zeigt, dass MetallschaÈume durch Ultraschallschweiûen mit
dazu steht bei schmelzmetallurgisch hergestelltem Schaum unterschiedlichen Metallen, zum Beispiel mit dem austeniti-
nur eine Wabenstruktur zur Verbindungsbildung zur VerfuÈ- schen Stahl X5CrNi1810, mit der Eisenbasislegierung
gung. Druckbeanspruchung fuÈhrt dadurch schneller zur SchaÈ- NiCo2917 und mit Aluminium Al99,5 verbunden werden
digung der Schaumstruktur. Die SchweiûflaÈche ist bei gleich- koÈnnen, womit eine hohes Anwendungspotential gegeben ist.
bleibender SonotrodenflaÈche bei schmelzmetallurgischen
Um das Anwendungsspektrum zu vergroÈûern, wurden fer-
SchaÈumen wesentlich geringer als bei SchaÈumen mit Guss- ner die Verbunde erfolgreich mit Hilfe der unterschiedlichen
haut oder Plattierung. Diese Tatsache spiegelt sich in einer Verfahren Punkt-, Rollnaht- und Torsionsschweiûen herge-
schlechteren Schweiûeignung wider.
stellt (Abb. 4). Im Hinblick auf maximal ertragbare Beanspru-
Abb. 2. Punktschweiûung unterschiedlicher Schaumwerkstoffe Abb. 4. Ultraschallschweiûen von Metallschaum mit unterschied-
mit dem austenitischem Stahl X5CrNi1810 lichen Blechwerkstoffen und unterschiedlichen Schweiûverfahren
Fig. 2. Spot-welding of different foam-types with the austenitic Fig. 4. Ultrasonic-welding of metal-foam with different sheet-ma-
steel X5CrNi1810 terials and different welding methods
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C. Born, H. Kuckert, G. Wagner und D. Eifler
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 547±549 (2000)

chungen gilt es, in weiterfuÈhrenden Untersuchungen die op- -geometrie und -oberflaÈche. Gegenstand weiterfuÈhrender
timalen Schweiûparameter zu ermitteln und deren Wechsel- Untersuchungen sind Studien, zur Beschreibung des Einflus-
wirkung mit den Eigenschaften der Ausgangswerkstoffe zu ses dieser Faktoren im Hinblick auf optimale mechanische
pruÈfen. So ist zum Beispiel der Zusammenhang der Plateau- Eigenschaften der Werkstoffverbunde. Die mechanische
spannung, die Deformationen im Schaum anzeigt und der auf Beanspruchbarkeit der erzielten FuÈgungen wird zunaÈchst in
die Schweiû- bzw. SonotrodenflaÈche bezogenen Schweiûkraft quasistatischen Verformungsexperimenten untersucht. Die
von Interesse. Die Beurteilung der mechanischen Eigenschaf- ZusammenhaÈnge zwischen der Mikrostruktur und den physi-
ten der Verbunde erfolgt in quasistatischen Verformungsexpe- kalischen MessgroÈûen beziehungsweise die Bindungsmecha-
rimenten.
nismen werden mit Hilfe metallografischer sowie mikrosko-
pischer Methoden untersucht.
4 Zusammenfassung
5 Literatur
Die Schweiûeignung von zellularen metallischen Werk-
stoffen mit kompaktem Material mittels Ultraschallschwei-
ûen konnte erstmals aufgezeigt werden. Dabei sind sowohl
unterschiedliche Schaum- als auch Blechwerkstoffe einsetz-
bar. Des weiteren koÈnnen zum Verbinden der Komponenten
unterschiedliche Schweiûverfahren benutzt bzw. verschieden-
artige Schweiûnahtgeometrien realisiert werden, womit
grundsaÈtzlich die MoÈglichkeit, das Ultraschallschweiûen die-
ser Materialkombinationen vielfaÈltig anzuwenden, gegeben
ist. Eine belastbare UltraschallfuÈgung entsteht durch ein Zu-
sammenspiel vieler Faktoren wie Schweiûkraft, -amplitude,
-zeit, bzw. -geschwindigkeit sowie Werkstoffkombination,
1. N. N., Aluminiumschaum, Aluminium Zentrale e.V., Merkblatt
W 17 1. Auflage, 1999, Kapitel 4.
2. Kuckert, H., Schlicker, U., Roeder, E., Eifler, D., Schweiûen und
Schneiden, 1999, 51, 391±397, Thermische Eigenspannungen
beim Ultraschall-Rollnahtschweiûen von Glas-Metall-Verbun-
den ± Teil I: Ermittlung der Eigenspannungen.
Anschrift: C. Born, H. Kuckert, G. Wagner, D- Eifler, Lehrstuhl fuÈr
Werkstoffkunde, UniversitaÈt Kaiserslautern
Eingangsdatum: 15.3.00
[T 221]
DVS-Neuerscheinung
Dies gilt selbstverstaÈndlich auch fuÈr das Schutzgasschweiûen.
Hier muû der Schweiûer eine Vielzahl von Arbeitsregeln beach-
ten, wenn er erfolgreich arbeiten will. Gelegentlich treten ploÈtzlich
Probleme beim Schutzgasschweiûen auf: Poren in der Schweiû-
naht, der Drahtvorschub stockt, der Brenner wird heiû oder das
GeraÈt funktioniert uÈberhaupt nicht mehr. Was tun? Der einfachste
Weg ist sicher, nach dem Kundendienstmonteur des Herstellers zu
rufen. Bis dieser kommt, vergeht Zeit, und es kostet Geld. Dabei
waÈre in vielen FaÈllen das Problem zu vermeiden gewesen, wenn
man die einfachsten Arbeitsregeln des Schutzgasschweiûens beach-
tet haÈtte, denn die Mehrzahl der beim Schutzgasschweiûen entstan-
denen Probleme ist ¹hausgemachtª.
125 solcher Regeln und Empfehlungen sind in diesem Band zu-
sammengestellt, mit jeweils kurz gefaûtem Text, einer bildlichen
Darstellung, einer ErlaÈuterung sowie der Bezeichnung des moÈgli-
chen Fehlers und seiner Beseitigung. Sie sollen dem Anwender
helfen, Fehler zu vermeiden, sein SchweiûgeraÈt in Ordnung zu hal-
ten und sicher damit zu arbeiten.
Die Schweiûtechnische Praxis, Band 14
Aichele
125 Arbeitsregeln fuÈ r das Schutzgasschweiûen
Leitfaden fuÈr Ausbildung und Praxis
4., uÈberarbeitete und erweiterte Auflage. 2000, 134 Seiten.
DM 48,±, ISBN 3-87155-546-0
Es gehoÈrt zum Erfahrungsschatz des in einer motorisierten Welt
lebenden Menschen, daû er Regeln beachten muû, um sich im Stra-
ûenverkehr behaupten zu koÈnnen. Was im Straûenverkehr so ein-
leuchtend wirkt, scheint oft vergessen zu werden, wenn es um
die Arbeitswelt geht. Jedes Handwerk; jedes Gewerbe, jedes
Arbeitsverfahren hat seine Regeln. Wer sie nicht beachtet, riskiert
Gefahren, schlechte Arbeitsergebnisse, defekte GeraÈte, im
schlimmsten Fall Gefahren fuÈr Gesundheit und Leben.
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 547±549 (2000)
Ultraschallschweiûen
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