Ultraschallfügen und trennen Leseprobe

Wodara
FACHBUCHREIHE SCHWEISSTECHNIK
Ultraschallfügen
und -trennen

Perfection in connection
Terminalverbindungen
Litzenverbindungen
Flachleiterverbindungen
Schunk Ultraschalltechnik GmbH
Hauptstraße 95
D-354 35 Wettenberg
sut@schunk-group.com · www.sut.biz
Schunk Ultraschalltechnik

Wodara
Ultraschallfügen
und -trennen
Band 1
der „Grundlagen der Fügetechnik“
IFST
Institut für Füge- und Strahltechnik
der Otto-von-Guericke-Universität
in Magdeburg
Herausgegeben von:
Prof.Dr.-Ing.habil.Dr.E.h.H.Herold

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über htttp://dnb.ddb.de abrufbar.
Autor:
Prof. Dr.-Ing. habil. Johannes Wodara, Magdeburg
unter Mitarbeit von:
Dr.-Ing. Tino Adam
Institut für Füge- und Strahltechnik der
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Redaktionelle Bearbeitung:
Dr.-Ing. Tino Adam
Herausgeber:
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. E. h. Horst Herold
Universitätsprofessor und Direktor des
Instituts für Füge- und Strahltechnik der
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fachbuchreihe Schweißtechnik
Band 151
ISBN 3-87155-212-7
Alle Rechte vorbehalten.
Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf ⋅ 2004
Herstellung: Service-Druck Kleinherne GmbH, Neuss
Titelgestaltung: Marschall ⋅ Sott Werbeagentur, Düsseldorf

Vorwort
Das Ultraschallschweißen hat seit 50 Jahren seinen festen Platz in der Verfahrensauswahl der
Schweißtechnik gefunden und insbesondere in den letzten Jahrzehnten mehr oder weniger unspektakulär
das Schweißen neuer Werkstoffentwicklungen häufig erst ermöglicht, meist dann, wenn
andere fügetechnische Lösungen nicht zur Verfügung standen.
Recht frühzeitig haben sich die Elektro- und Elektronikindustrie der führenden Industrienationen
diesem hochproduktiven Fertigungsverfahren angenommen und es erfolgreich eingeführt. Auch in
vielen anderen Industriezweigen wurden nach und nach weitere Einsatzgebiete im Bereich des
Fügens und Trennens dünner Materialien mit Ultraschall erschlossen.
Es ist trotzdem lange Zeit ein Verfahren für Spezialisten geblieben und auch heute gibt es bei versierten
Schweißfachingenieuren noch immer großes Erstaunen, wenn Spezial- und Problemfälle
nur durch das Ultraschallschweißen als einzig mögliche Fügevariante gelöst werden können.
Für das Verbinden innovativer Werkstoffe mit anspruchsvoller Eigenschaftsmatrix gilt das Ultraschallfügen
als ein besonderer Prozess, wenn auch mit seinen natürlich durch die zu fügende Bauteildicke
vorgegebenen Grenzen. Neue Werkstoffe, Werkstoffverbunde, Beschichtungen und auch
Isolationsschichten, die mit den bekannten Schweißprozessen nicht gefügt werden konnten, waren
bis zum heutigen Tage nur selten eine Barriere für den Einsatz des Ultraschallschweißens.
Der Autor hat als Hochschullehrer des Instituts für Füge- und Strahltechnik der Otto-von-Guericke-
Universität in Magdeburg eine mehr als 40-jährige Forschungsgeschichte an diesem Institut
erfolgreich begleitet. Dabei ist Herr Prof. Dr.-Ing. habil. J. WODARA wohl der am längsten auf
diesem Gebiet tätige deutsche Spezialist mit einem über vierzigjährigen umfangreichen Erfahrungsschatz.
Das Institut war außerdem von 1965 bis 1990 Forschungsleiteinrichtung für die osteuropäischen
Staaten auf dem Gebiet der Ultraschallschweißtechnik.
12 Dissertations- und Habilitationsschriften sowie über 100 Beleg- und Diplomarbeiten, eingebettet
in die verschiedensten Forschungs- und Entwicklungsthemen, unterstreichen nachdrücklich diese
so erfolgreiche Forschungsarbeit zum Ultraschallschweißen und ermöglichen deshalb auch diese
umfangreiche und möglichst lückenlose Darstellung der Ultraschallfüge- und -schneidtechnik in
einem Fachbuch.
Erstmals wird auch ein inhaltlich geschlossenes deutschsprachiges Werk zum Fügen und Trennen
mit Ultraschall vorgestellt, das auch die jüngsten Forschungsergebnisse der auf diesem Gebiet
arbeitenden Spezialisten des Instituts für Füge- und Strahltechnik, Frau Prof. Dr.-Ing. I. MARTINEK
und Herrn Dr.-Ing. T. ADAM, in der durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke“ e. V. (AiF) geförderten Forschung gleichermaßen berücksichtigt.
Mit einer möglichst umfassenden Darstellung des Ultraschallfügens und -trennens von metallischen
und nichtmetallischen Werkstoffen sowie von biologischen Geweben ist der Autor bemüht,
Spezialisten, Schweißfachingenieure und Studierende einschlägiger Ausbildungsrichtungen
theoretisch wie auch durch eine sehr praxisorientierte Aufbereitung der vorhandenen Erkenntnisse
gleichermaßen anzusprechen und davon zu überzeugen, dass es sich beim Ultraschallschweißprozess
wirklich nicht um „Schwarze Magie“ handelt.
Das vorliegende Fachbuch erscheint im Rahmen einer neuen Lehrbuchreiche „Grundlagen der
Fügetechnik“ des Instituts für Füge- und Strahltechnik der Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg.

Verzeichnis der Formelzeichen
a Maximalwert der Teilchenbeschleunigung [m ⋅ s –2 ]
a k Kerbschlagzähigkeit [kJ · m –2 ]
A durchströmter Querschnitt [mm 2 ]
A Lochdurchmesser der Bondkapillare [µm]
A A
Schallausschlag [µm]
A k Koppelfläche des Schwingsystems [mm 2 ]
A K Kontaktfläche [mm 2 ]
A S
A S1
A S2
A S2 /A S1
b s
B
Schwingungsamplitude [µm]
Eingangsamplitude [µm]
Ausgangsamplitude [µm]
Transformationsverhältnis
Breite des sonotrodenseitigen Fügeteils [mm]
Konusdurchmesser [mm]
c Schallgeschwindigkeit [m ⋅ s –1 ]
C Außendurchmesser [mm]
C p spezifische Wärmekapazität [J · kg –1 · K –1 ]
d piezoelektrische Konstante
d S
Durchmesser der Sonotrodenarbeitsfläche [mm]
D* Durchlässigkeitsfaktor
D Lochdurchmesser des Bondkeils [µm]
D 1
D 2
Eingangsdurchmesser [mm]
Ausgangsdurchmesser [mm]
D F elektrische Flussdichte [C · m –2 ; A · s · m –2 ]
e Energiedichte [kg · m –1 · s –2 ; J · m –3 ]
E Elastizitätsmodul [N · m –2 ; Pa]
E F elektrische Feldstärke [V · m –1 ]
E S Schweißenergie [W · s; J]
f Frequenz, Ultraschallfrequenz [Hz; kHz]
f R
F
F
F A
Resonanzfrequenz [Hz; kHz]
Anpresskraft [N; kN]
Fußlänge [mm]
Ausreißkraft [N; kN]
VIII

F B
F S
Bruchkraft [N; kN]
Sonotrodenkraft, Anpresskraft [N; kN]
G’ Schubmodul [N · mm –2 ]
h
H
H V
Höhe [mm]
Stufenhöhe [µm]
Vickershärte [HV]
J Schallintensität [W · m –2 ]
k Dämpfungskoeffizient (Absorptionskoeffizient) [dB · m –1 ]
K
0
L a
L s
L z
M Ü
Konstante, abhängig von der benutzten Schweißanlage, insbesondere vom Wandlersystem
Werkzeuglänge [mm]
Länge der Transformationssonotrode [mm]
Länge des ambossseitigen Fügeteils [mm]
Länge des sonotrodenseitigen Fügeteils [mm]
Abstand des Schweißortes von der Fügeteilkante [mm]
Überdrehmoment [J]
p Schalldruck, Schallwechseldruck [W · cm –2 ; N · m –1 · s –2 ]
p 0 Schallwechseldruck an einer beliebigen Stelle x 0 [W · cm –2 ]
p S Schweißdruck [N · mm –2 ]
p x Schallwechseldruck im Verlauf der Wellenausbreitung im Abstand x von der Stelle x 0
[W · cm –2 ]
P
P a
P e
P S
PM
Schallleistung [W]
abgestrahlte akustische Leistung [W]
zugeführte elektrische Leistung [W]
Schweißleistung [W; kW]
Pressmaß [mm]
q Schallfluss [m 3 · s –1 ]
R
R 1
R 2
R A
R e
Reflexionsfaktor
Frontradius [mm]
Backradius [mm]
Außenradius [mm]
Streckgrenze des Metalls bei Raumtemperatur [MPa]
R’ e Streckgrenze des Metalls bei der in der Schweißzone herrschenden Temperatur [MPa]
s F
s s
Fügeweg [mm]
Dicke des sonotrodenseitigen Fügeteils [mm; Zoll]
IX

SM Schweißmaß [mm]
t Zeit [s]
tan mechanischer Verlustfaktor (Dämpfung)
t E
t R
t S
T G
T S
T V
U
Einwirkzeit der Ultraschallenergie [s; µs]
Reinigungszeit [s; µs]
Schweißzeit [s; µs]
Glasübergangstemperatur [°C]
Schmelztemperaturbereich [°C]
Vorwärmtemperatur [°C]
Spannung [V]
v Schallschnelle [m · s –1 ]
v S Schweißgeschwindigkeit [m · min –1 ]
W 1 , W 2 Schallwellenwiderstände beiderseits der reflektierenden Welle [kg · m –2 · s –1 ]
x Länge [mm]
Z a akustische Impedanz [Pa · s · m –3 ; m –4 · kg · s -–1 ]
Z o Schall-Kennimpedanz [kg · m –2 · s –1 ]
Winkel der Energierichtungsgeber [°]
Konuswinkel [°]
Kerbwinkel [°]
Fußwinkel [°]
Drahtführungswinkel [°]
Phasendifferenz [°]
mechanische Deformation (Dehnung, Stauchung) [m · m –1 ; mm · m –1 ]
Wirkungsgrad [%]
Wellenlänge [mm]
Dichte [kg · m –3 ; g · cm –3 ]
mechanische Spannung (Zug, Druck) [N · mm –2 ]
Kreisfrequenz [s –1 ]
X

Verzeichnis der Abkürzungen
ABS Acryl-Butadien-Styrol
ASA Acrylnitril-Styrol-Acrylester
CA Celluloseacetat
ERG Energierichtungsgeber
ES
Elektroschlacke
K
Schwingungsknoten
MAG Metallaktivgas
MFI Schmelzindex
MIG Metallinertgas
PA6 Polyamid 6
PA66 Polyamid 66
PBTP, PBT Polybutylenterephthalat
PC
Polycarbonat
PE
Polyethylen
PETP, PET Polyethylenterephthalat
PMMA Polymethylmethacrylat
POM Polyoxymethylen
PP
Polypropylen
PPO Polyphenylenoxid
PS
Polystyrol
PVC Polyvinylchlorid
PZT Blei-Zirkonat-Titanat
RWS Reactive Welding System
S B
SB
S K
TC
TS
UP
USG
Schwingungsbauch
Styrol-Butadien, schlagfestes Polystyrol
Schwingungsknoten
Thermocompression
Thermosonic
Unterpulver
Ultraschallgenerator
XI

1 Einleitung
1.1 Ultraschallschwingungen
Ultraschallschwingungen sind mechanische Schwingungen mit Frequenzen oberhalb der Hörbarkeitsgrenze
des menschlichen Ohrs. Je nach Alter und Hörfähigkeit ist die Grenze etwas fließend.
Sie liegt praktisch bei einer Frequenz von etwa 16.000 bis 20.000 Hz, bei älteren Menschen sogar
schon bei 12.000 Hz.
Obwohl der Ultraschallbereich sich bis zu Frequenzen von einigen MHz erstreckt, kommen bei den
meisten Ultraschalltechnologien, die dem Leistungsschall zuzuordnen sind, Frequenzen von 20 bis
100 kHz (beim Ultraschallmikrobonden bis zu 190 kHz) zur Anwendung [1 bis 4].
Einen Überblick über die verschiedensten Arten von mechanischen Schwingungen mit den dazugehörigen
Frequenzbereichen und der entsprechenden Einordnung des Ultraschalls gibt Tabelle 1-1.
Tabelle 1-1.
Arten von mechanischen Schwingungen.
Mechanische Schwingungen
Frequenzbereich [Hz]*
Infraschall (unterhalb der Hörbarkeit) < 16
Schall (hörbarer Schall) 16 bis 18.000
Ultraschall (oberhalb der Hörbarkeit) 20.000 bis 10 9
Hyperschall (nicht hörbar) > 10 9
* 1 Hz (Hertz) = 1 Schwingung pro Sekunde (s)
1.1.1 Ultraschallanwendungen
In Abhängigkeit von der Leistungsdichte des Ultraschalls erfolgt eine industrielle Nutzung als
• Messschall (passive Ultraschallanwendung),
• Leistungsschall (aktive Ultraschallanwendung).
Der Bereich des passiven Ultraschalls umfasst alle die Anwendungen, bei denen die Ultraschallschwingungen
aufgrund ihrer geringen Intensität, d. h. niederenergetische Schwingungen mit sehr
kleiner Amplitude, im beschallten Medium (gasförmig, flüssig oder fest) keine physikalischen oder
chemischen Veränderungen hervorrufen. Auf der passiven Ultraschallanwendung beruht die ganze
Ultraschallmesstechnik. U. a. sind zu nennen [5 bis 8]:
• zerstörungsfreie Werkstoffprüfung,
• Ultraschalldiagnostik in der Medizin (Echoenzephalografie, Ophthalmologie, Kardiographie,
Gynäkologie),
• Ultraschallanwendungen in der Meeresforschung (Tiefenmessungen, Horizontal- und Vertikalortung
von Fischen, Nachrichtenübermittlung) und
• Ultraschallanwendung im Verkehr (Raumüberwachung, Blindenleittechnik).
Der Bereich des aktiven Ultraschalls umfasst alle die Anwendungen, bei denen die Ultraschallschwingungen
aufgrund ihrer hohen Intensität, d. h. hochenergetische Schwingungen mit einer
1

Leistungsdichte von mehr als 0,5 bis 1,0 W/cm 2 und großer Amplitude, im beschallten Medium
Eigenschafts- oder Strukturänderungen bzw. Veränderungen am behandelten Werkstück hervorrufen.
Zur aktiven Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf Stoffe und technologische Prozesse
gehören u. a. [5, 9 bis 27]:
• Ultraschallmetallschweißen,
• Ultraschallschweißen von Metallen mit Nichtmetallen,
• Ultraschallverbinden von Kunststoffen (Schweißen, Umformen, Einbetten),
• Ultraschalllöten,
• Ultraschallreinigen und -entfetten,
• mechanisches Bearbeiten von Bauteilen (Spanen, Entgraten, Ziehen, Polieren),
• Ultraschalldesintegration (Herstellung feinster Dispersionen, Emulsionen und Aerosolen),
• Ultraschallsonderanwendungen (Verminderung innerer und äußerer Reibung, Entgasen von
Flüssigkeiten, Beschallung von Metallschmelzen, usw.).
1.1.2 Ultraschallanwendungen in der Schweißtechnik
Die Nutzung des Leistungsultraschalls in der Schweißtechnik ist recht vielseitig und nicht nur auf
das Schweißen von metallischen Werkstoffen und thermoplastischen Kunststoffen begrenzt. Sehr
häufig wird Ultraschallenergie in Verbindung mit anderen Schweiß- oder Fügeverfahren eingesetzt.
Als Beispiele sind zu nennen [10 bis 18] und [28 bis 31]:
• Beeinflussung der Kristallisationsvorgänge im erstarrenden Schmelzgut beim Metallaktivgas-
(MAG-), Metallinertgas- (MIG-), Unterpulver- (UP-) und Elektroschlacke- (ES-) Schweißen,
• Begünstigung des Entgasens des Schmelzschweißguts (Verringerung der Porosität und damit
Erhöhung der Dichte der Schweißnähte),
• Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Schmelzschweißverbindungen,
• Abbau von bleibenden Verformungen und Restspannungen in Schweißkonstruktionen,
• Entfernen von Oxiden und anderen Oberflächenschichten beim Widerstandspunktschweißen,
• Kornverfeinerung und Verringerung der Porosität beim Widerstandspunktschweißen,
• Entfernen von Oxiden und Oberflächenverunreinigungen auf Bauteilen sowie Reduktion der
Oberflächenspannungen geschmolzener Metalle und damit Verbesserung der Benetzungsfähigkeit
beim Weich- und Hartlöten.
1.1.3 Fügen und Trennen mit Ultraschall
1.1.3.1 Ultraschallschweißen metallischer Werkstoffe
Die zu verbindenden Werkstücke werden an den Fügeflächen durch Einwirkung von Ultraschall
unter Anwendung von Kraft ohne oder mit gleichzeitiger Wärmezufuhr und vorzugsweise ohne
Schweißzusatz geschweißt. Schwingungsrichtung des Ultraschalls und Kraftrichtung verlaufen
zueinander senkrecht, wobei die Fügeflächen der Werkstücke aufeinander reiben. Die Kraft wird
im Allgemeinen über das schwingende Werkzeug aufgebracht. Durch die wirkende Kraft werden
die Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude von 10 bis 100 µm mit wenigen Ausnahmen auf
das sonotrodenseitige Fügeteil übertragen, während der Fügepartner durch dem Amboss am Mit-
2

schwingen gehindert wird. Dabei wird eine Longitudinalwelle tangential eingekoppelt, also eine
Transversalwelle erzeugt. Zwischen dem Schweißwerkzeug und dem sonotrodenseitigen Fügeteil
gilt es jegliche Relativbewegung möglichst zu vermeiden, dagegen muss eine optimale Relativbewegung
zwischen den Fügeteilen vorhanden sein. Es entsteht eine intensive Reibung in der Verbindungsebene.
Durch die Reibungsvorgänge werden adsorbierte Gas-, Flüssigkeits- und Oxidschichten
sowie Verschmutzungen aufgerissen, zerstört bzw. beseitigt und Oberflächenrauigkeiten
eingeebnet. Es kommt zu einer großflächigen Berührung der reinen Metallteile und es erfolgt ein
Verschweißen im festen Zustand der metallischen Werkstoffe als Folge interatomarer Wechselwirkungskräfte.
Je nach Ausbildung des Werkzeugs sowie der Art der Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück
können Punkte oder Liniennähte geschweißt werden [32].
In Bild 1-1 sind schematisch das Ultraschallpunkt- und -nahtschweißen dargestellt.
Sonotrode
Sonotrode
schwingendes,
feststehendes
Werkzeug
Werkstück
schwingendes,
drehbares
Werkzeug
Werkstück
feststehender
Amboss
Ultraschallschwingung
Ultraschallschwingung
drehbarer
Amboss
a) Ultraschall-Punktschweißen b) Ultraschall-Nahtschweißen
Bild 1-1.
Ultraschallmetallschweißen.
Eine Variante des Ultraschallmetallschweißens ist das Ultraschallwarmschweißen, bei der durch
gleichzeitige Einwirkung von getrennt zugeführter Wärme, z. B. über einen elektrisch beheizten
Amboss, und Ultraschall geschweißt wird.
Das Ultraschallmetallschweißen ist ein hochproduktives Schweißverfahren, das durch seine industrielle
Nutzung sowohl beträchtliche energie- als auch materialökonomische Vorteile bietet. Insbesondere
ist dieses Verfahren für spezielle Verbindungsaufgaben der Elektronik, Elektro-, Feingeräte-
und Hochvakuumtechnik sowie bestimmter Bereiche der metallverarbeitenden Industrie
geeignet, für die konventionelle Fügeverfahren häufig nicht oder nur mit erheblichem technologischem
Aufwand einsetzbar sind [33 bis 36].
Das Ultraschallschweißen metallischer Werkstoffe wird ausführlich in Abschnitt 4 behandelt.
Neben dem Schweißen einer Vielzahl von metallischen Werkstoffen miteinander bzw. untereinander
ist es weiterhin möglich, auch Nichtmetalle wie Glas und Keramik mit Metallen zu verbinden
[37 bis 40].
1.1.3.2 Ultraschallschweißen thermoplastischer Kunststoffe
Die zu verbindenden Werkstücke werden an den Fügeflächen vorzugsweise ohne Schweißzusatz
durch Einwirkung von Ultraschall erwärmt und unter Anwendung von Kraft geschweißt. Im
3

Gegensatz zum Metallschweißen fallen Kraft- und Schwingungsrichtung zusammen und verlaufen
im Allgemeinen rechtwinklig zu den Fügeflächen. Dabei wird eine Longitudinalwelle senkrecht zur
Fügeebene in das sonotrodenseitige Fügeteil eingekoppelt. Die eingebrachte mechanische Schwingungsenergie
ruft Intermolekular- und Oberflächenreibung hervor. Als Folge davon wird Energie
freigesetzt, die speziell in der Fügeebene in Reibungswärme umgewandelt wird, zur Plastifizierung
und schließlich zum Verschweißen der Fügeflächen führt. Für das Schweißen der gebräuchlichen
Thermoplaste ist eine Schwingungsamplitude zwischen 25 und 60 µm erforderlich.
Bild 1-2 zeigt schematisch das Ultraschallschweißen von thermoplastischen Kunststoffen.
Schallwandler
Sonotrode
Schweißnaht
Ultraschallschwingung
Werkstück
Amboss
Bild 1-2.
Ultraschallkunststoffschweißen.
Zum Ultraschallfügen von thermoplastischen Kunststoffen zählen weiterhin das Schweißen von
Formteilen und Halbzeugen, das Nieten, Bördeln und Verdämmen, das Einbetten von Metallteilen,
artfremden Kunststoffen und anderen nichtmetallischen Werkstoffen sowie das Punktschweißen
(siehe Abschnitte 5 bis 7).
Auch das Nähen der verschiedensten textilen Flächengebilde aus thermoplastischen Materialien
mit Ultraschall bereitet keine nennenswerten Schwierigkeiten, wenn der Anteil an Naturfasern
35 % nicht überschreitet (siehe Abschnitt 5.4.4).
Darüber hinaus ist auch der Einsatz von Ultraschallschwingungen für das Verbinden von Papier
bzw. von Texturseidefäden mit Papier möglich [41].
Hervorzuheben ist auch der Einsatz von Ultraschall-Schweißgeräten in der Chirurgie zum Fügen
harter biologischer Gewebe (siehe Abschnitt 8) bzw. zum Trennen weicher und harter biologischer
Gewebe sowie Knochenzement (siehe Abschnitt 9).
1.1.3.3 Ultraschalllöten
Mittels Ultraschall ist es möglich, die Grenzflächenvorgänge beim Löten von Leichtmetallen, aber
auch von Ferriten, Germanium und Silizium, zu intensivieren. Die mechanischen Schwingungen
des Ultraschalls unterstützen die Wirkung von Flussmitteln oder es kann auf Flussmittel völlig
verzichtet werden [1, 42 bis 45]. Dementsprechend werden beim Ultraschalllöten die Lötstelle und
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das Lot mit mechanischen Schwingungen von 18 bis 25 kHz und Amplituden von 1 bis 25 µm
beaufschlagt. Die dadurch im flüssigen Lot hervorgerufene Kavitation reißt die auf den Fügeflächen
vorhandene Oxidschicht auf. Das Lot benetzt an den durchbrochenen Stellen den Grundwerkstoff,
breitet sich unter der Oxidschicht aus und löst diese schließlich ab. Da die Oxidschicht nur
unmittelbar in der Kavitationszone vor der schallabstrahlenden Fläche zerstört wird, ist das Werkstück
oder der Schallgeber so zu führen, dass die zu verzinnenden Flächen während des Lötens
direkt den Schwingungen ausgesetzt sind. Die so verzinnten Fügeteile lassen sich anschließend auf
übliche Weise ohne oder unter Verwendung von Kolophonium als Flussmittel löten.
Die Ultraschalllöteinrichtungen bestehen aus dem Ultraschallgenerator und dem eigentlichen Lötgerät,
das als Lötgriffel, Lötkolben oder Tauchbad ausgebildet sein kann. Der Lötgriffel setzt sich
aus dem Handgriff, dem Schwinger und der starr mit ihm verbundenen Lötspitze zusammen. Die
zu lötenden Teile werden zunächst mit einer elektrisch beheizten Vorwärmplatte in einem
Anwärmofen oder durch eine Flamme auf Löttemperatur erwärmt. Anschließend wird der Lötstelle
das Lot zugeführt, das sofort schmilzt und in Form eines beweglichen Tropfens auf der Werkstückoberfläche
liegt. Durch Eintauchen der Lötspitze in das geschmolzene Lot wird die gewünschte
Benetzung der Lötflächen erreicht. Zusätzliche streichende Bewegungen des Lötgriffels auf der
Oberfläche des Grundwerkstoffs bewirken das weitere Ausbreiten des Lots.
Während der Lötgriffel nur die mechanischen Schwingungen an die erwärmte Lötstelle überträgt,
übernimmt der Ultraschalllötkolben noch zusätzlich die Erwärmung der Lötstelle auf Löttemperatur.
Dazu wird die Kolbenspitze elektrisch oder durch eine Gasflamme erwärmt. Der Ultraschalllötkolben
ist besonders für das Löten von Drähten, Folien, dünnen Blechen und Kleinteilen geeignet.
Dagegen werden bei Tauchbädern die Schwingungen von einem fest mit dem Badbehälter verbundenen
Schwinger über das flüssige Lot auf das Werkstück übertragen. Außerdem ist es möglich,
das Lotbad mit Eintauchschwingern zu beschallen. Bei beiden Varianten erfolgt das Erwärmen
des Badbehälters von unten durch ein elektrisches Heizelement. Derartige Tauchbäder sind
besonders zum flussmittelfreien Verzinnen von Kabelenden und Anschlussfahnen sowie für einfache
Verbindungslötungen und Tauchlötungen von Leichtmetallbauteilen geeignet.
Das Ultraschalllöten bietet folgende Vorteile:
• Möglichkeit des Lötens von sonst schwer lötbaren Werkstoffen (z. B. Aluminium und Aluminiumlegierungen),
• keine aufwendige Vor- und Nachbehandlung der Lötstelle,
• kein Flussmittel erforderlich,
• verbesserte Benetzung durch das Lot, auch in engen Spalten,
• erhöhte Korrosionsbeständigkeit der Lötverbindung, da keine Flussmittelrückstände vorhanden
sind,
• Lotauswahl kann nach der Art der späteren Beanspruchung der Lötverbindungen erfolgen und
ist nicht abhängig von der Benetzbarkeit des Lotes.
1.2 Entwicklung des Ultraschallschweißens
1.2.1 Ultraschallmetallschweißen
Das Ultraschallschweißen metallischer Werkstoffe wurde 1950 in den USA bei systematischen
Untersuchungen des Widerstandspunktschweißprozesses zur Reduzierung des verhältnismäßig
hohen Übergangswiderstands (Kontaktwiderstands) von Aluminium und seinen Legierungen ent-
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