Die Anwendung der Ultraschalltechnologie beim Kabelbaumschweißen
Im Herstellungsprozess von Kfz-Kabelbäumen werden im Allgemeinen Ultraschallschweißmaschinen zum Schweißen der Verbindungsstellen von Drähten verwendet, die gebondet werden müssen. Beim Ultraschallschweißen werden mechanische Schwingungen direkt auf den Kabelbaum übertragen, der durch den Schweißkopf gecrimpt wird. Die Anwendung des Ultraschallschweißens in der Kabelbaumindustrie ist bereits weit verbreitet und nimmt zu.
Ursprung des Ultraschall-Metallschweißens
Das Ultraschallschweißen von Metallen wurde in den 1830er Jahren zufällig entdeckt. Damals wurde bei Experimenten mit Strompunktschweißelektroden und Ultraschallvibrationen entdeckt, dass Schweißen ohne Strom möglich ist, und so wurde die Ultraschall-Kaltmetallschweißtechnologie entwickelt. Obwohl das Ultraschallschweißen schon relativ früh entdeckt wurde, ist sein Wirkungsmechanismus noch nicht vollständig geklärt. Es ähnelt dem Reibschweißen, es gibt jedoch Unterschiede. Das Ultraschallschweißen hat eine sehr kurze Zeit und die Temperatur liegt unterhalb der Rekristallisation; Der Unterschied zum Pressschweißen besteht auch darin, dass der ausgeübte statische Druck viel geringer ist.
Es wird allgemein angenommen, dass in der Anfangsphase des Ultraschallschweißens durch tangentiale Vibration Oxide von der Metalloberfläche entfernt und wiederholt Mikroschweißungen und raue Oberflächen abgebaut werden, wodurch die Kontaktfläche vergrößert und die Temperatur der Schweißzone erhöht wird, was zu einer plastischen Verformung an der Schnittstelle der Werkstücke führt. Wenn sich die Werkstücke unter Anpressdruck so weit annähern, dass eine atomare Anziehung entstehen kann, entsteht ein Schweißpunkt. Eine zu lange Schweißzeit oder eine zu große Ultraschallamplitude können die Schweißfestigkeit verringern oder sogar Schäden verursachen.
Prinzip des Ultraschall-Metallschweißens: Beim Ultraschall-Metallschweißen werden hochfrequente Vibrationswellen zehntausende Male pro Sekunde auf die Oberflächen zweier zu schweißender Metallwerkstücke übertragen. Durch die Anwendung von Druck reiben die Metalloberflächen aneinander, wodurch eine Verschmelzung zwischen den Molekülschichten entsteht und so der Schweißzweck erreicht wird. Zu seinen Vorteilen gehören Geschwindigkeit, Energieeinsparung, hohe Schmelzfestigkeit, gute Leitfähigkeit, keine Funken und nahezu kalte Verarbeitung; Zu den Nachteilen zählen die Unfähigkeit, sehr dicke Metallteile zu schweißen (im Allgemeinen weniger als oder gleich 5 mm), die Unfähigkeit, einen großen Schweißpunkt zu erzielen, und die Notwendigkeit von Druck.
Der Ultraschallschweißkopf eines Kfz-Kabelbaums besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: einem Schweißkopf, einem Amboss-Verbindungsblock, einem Amboss-Oberblock und einem Polymerisationsmodul. Beim Schweißen werden die Drähte vertikal ausgerichtet und fest gegen den Amboss-Anschlussblock gedrückt. Nach Betätigung des Fußschalters bewegt sich das Aggregationsmodul zur Oberseite des Ambossblocks, während sich der Amboss-Verbindungsblock und die Oberseite des Amboss gemeinsam nach unten bewegen und den Kfz-Kabelbaum fest in den Schweißbereich drücken. Der Schweißkopf vibriert, überträgt Energie auf die Kupferdrähte und verschweißt so den Kabelbaum.
Beim Schweißen vibriert nur der Schweißkopf; die anderen Werkzeugköpfe bleiben stationär. Nach dem Schweißen werden das Aggregationsmodul und die Oberseite des Ambosses zurückgezogen, während der Amboss-Verbindungsblock angehoben wird, sodass der Kabelbaum entfernt werden kann. Da der Schweißkopf vibriert, während die anderen Werkzeugköpfe stationär bleiben, wird zwischen der Oberseite des Schweißkopfs und dem Boden des Aggregationsmoduls sowie zwischen der Seite der Oberseite des Ambossblocks und der Seite des Amboss-Verbindungsblocks ein Spalt von 0,025 mm eingehalten, um ein Schweißen zwischen den Werkzeugköpfen und dem Schweißkopf und eine Beschädigung der Schweißmaschine zu verhindern. Dadurch wird verhindert, dass der Schweißkopf andere Werkzeugköpfe berührt. Diese Lücken müssen außerdem frei von Kupferschrott oder anderen Rückständen sein; Andernfalls führt das Schweißen zu einer Erosion der Arbeitsfläche des Werkzeugkopfes und möglicherweise zu einer Beschädigung der Leiterplatte. Da der Schweißkopf Ultraschallschwingungen erzeugt, wird seine Energie vom Schweißkopf auf die Oberseite des Ambosses übertragen. Daher ist die Energie umso größer, je näher am Schweißkopf, und die Energie wird von oben nach unten übertragen. Daher sollte beim Verlegen der Drähte der dickere Draht unten nahe der Schweißkopfoberfläche platziert werden, während die dünneren Drähte vertikal nach oben angeordnet sind. Dadurch kann der dickere Draht mehr Energie empfangen, wodurch ein Über- oder Unterschweißen vermieden wird. Die vertikale Anordnung verhindert außerdem Seitenschweißungen und gewährleistet so die Schweißnahtqualität.
Vor- und Nachteile des Ultraschall-Metallschweißens
Vorteile:
1. Ultraschall-Metallschweißen hat einen niedrigen Druck und einen geringen Energieverbrauch und kann unterschiedliche Metallmaterialien schweißen. Basierend auf diesen Eigenschaften können Metallteile durch den umfassenden Einsatz der Ultraschall-Metallschweißtechnologie und der CNC-Frästechnologie schnell geformt werden. Funktionelle Komponenten können während des Umformprozesses eingebettet werden, um intelligente Verbundwerkstoffe auf Metallbasis usw. zu schaffen.
2. Ultraschall-Metallschweißmaschinen können Punktschweißen und kontinuierliches Schweißen durchführen. Sie haben eine hohe Schweißgeschwindigkeit. Vom Anwendungsbereich her lassen sich auch Werkstoffe mit deutlich unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften gut schweißen; Es kann auch Metallfolien, feine Drähte, winzige Geräte und mehrschichtige Metallbleche unterschiedlicher Dicke schweißen, die mit anderen Methoden nur schwer zu schweißen sind.
3. Durch das Ultraschall-Metallschweißen entstehen hochfeste Schweißnähte mit ausgezeichneter Stabilität und hoher Ermüdungsbeständigkeit.
4. Der Schweißprozess erfordert keine Wasserkühlung oder Schutzgas, was zu einer minimalen Verformung des geschweißten Werkstücks führt. Nach dem Schweißen ist keine Wärmebehandlung wie Glühen erforderlich. Der Ultraschall-Metallschweißprozess selbst reinigt und zersetzt die Oxidschicht auf der Oberfläche der Schweißverbindung. Die Schweißoberfläche ist sauber und ästhetisch ansprechend, sodass keine Reinigung nach dem Schweißen wie bei anderen Schweißmethoden erforderlich ist.
5. Beim Ultraschallmetallschweißen werden keine Schweißstäbe verwendet. Der Schweißbereich steht nicht unter Spannung und das geschweißte Metall wird nicht direkt erhitzt. Im Vergleich zum Metalllichtbogenschweißen und Gasschweißen verbrauchen Ultraschall-Kunststoffschweißmaschinen in Suzhou beim Schweißen desselben Werkstücks deutlich weniger Energie.
6. Da kein Flussmittel erforderlich ist, verunreinigt es das Werkstück nicht und erzeugt keine Schlacke, Abwasser, schädliche Gase oder andere Abfallverschmutzungen, was es zu einer energiesparenden und umweltfreundlichen Schweißmethode macht.
7. Da der Ultraschallgenerator leistungselektronische Schaltkreise verwendet, lässt er sich leicht elektrisch steuern und kann gut in Computer zur Schweißsteuerung integriert werden, wodurch hochpräzises Schweißen erreicht und die Informatisierung und Automatisierung des Schweißprozesses erleichtert wird.
Nachteile:
1. Beim Ultraschallschweißen von Metallmaterialien können zwar hervorragende Schweißergebnisse erzielt werden, es bestehen jedoch immer noch Probleme mit der Stabilität, Bedienbarkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems – die Kombination aus Ultraschallgenerator und akustischem System mit dem mechanischen System. Daher sind die Gestaltung des akustischen Systems (Wandler, Amplitudentransformator, Anschlussteile) und die Art der Verbindung zwischen akustischem System und Probe von entscheidender Bedeutung.
2. Unzureichendes Verständnis des Mechanismus des Ultraschallschweißens von Metallen. Ob das Ultraschall-Metallschweißen kein Metallschmelzen beinhaltet oder lediglich ein Festkörperschweißverfahren oder ein „Verbindungsprozess“ zwischen Metallen ist, bedarf weiterer Forschung.
3. Viele Faktoren beeinflussen die Prozessparameter des Ultraschall-Metallschweißens, was eine Zusammenfassung erschwert.
4. Da die erforderliche Schweißleistung exponentiell mit der Dicke und Härte des Werkstücks zunimmt und Hochleistungs-Ultraschallschweißmaschinen schwierig und kostspielig herzustellen sind, führt eine weitere Steigerung der Schweißleistung nicht nur zu einer Reihe unlösbarer Probleme bei der Konstruktion und Herstellung des akustischen Systems, sondern kann auch dazu führen, dass die gewünschten Prozessergebnisse nicht erzielt werden. Daher ist es derzeit auf das Schweißen dünner Teile wie Drähte, Folien und Bleche beschränkt.
5. Ultraschallschweißmaschinen weisen eine relativ geringe „Offenheit“ auf und das Werkstückeinführmaß darf den vom Schweißsystem zugelassenen Bereich nicht überschreiten. Derzeit ist der Verbindungstyp auf Überlappungsverbindungen beschränkt.
6. Die Schweißoberfläche ist anfällig für hochfrequente mechanische Vibrationen, die zu Ermüdungsschäden an den Kanten führen können und sie zum Schweißen harter und spröder Materialien ungeeignet machen.
