Wiki - Ultraschall-Schweißen

Beim Ultraschallschweissen wird die zur Bildung der Fügezone notwendige Energie von aussen durch Ultraschallschwingungen eingebracht.
Man unterscheidet prinzipiell zwischen dem Kunststoff-Ultraschallschweissen und dem Ultraschallsachweissen von Metallen. Die zu Grunde liegenden Bindungsmechanismen von Metall- oder Kunststoffschweissen unterscheiden sich gänzlich.
Die Ultraschallschwingung wird von aussen mittels einer Sonotrode in die Bauteile eingebracht. Vom Ultraschallgenerator (z.B. Piezo-Element) wird der Schall mittels speziell auf die Fügeaufgabe ausgelegter Booster- und Sonotrodengeometrie eingeleitet. Wichtig bei der Auslegung ist, dass die eingebrachte Energie zweckgerichtet an dem Fügeort umgesetzt wird. Falsch ausgelegte Prozesse können dazu führen, dass die Energie zwischen Sonotrode und Bauteil umgesetzt wird, die Sonotrode verschleisst, das Bauteil wird beschädigt und in der Fügezone wird unzureichend Energie zur Bindungsbildung umgesetzt.

Metall-Ultraschallschweissen
Das Ultraschallschweissen von Metall ist ein wärmearmes Schweissverfahren ohne Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase. Die im Prozess entstehende Wärme spielt hierbei eine untergeordnete Rolle und trägt nicht direkt zur Bindungsausbildung bei bzw. ist auch unerwünscht. Die eingeleitete Schwingungsrichtung liegt quer zu den Sonotroden. Die Schwingung reibt die metallischen Fügepartner gegeneinander, Oberflächenschichten und Verunreinigungen werden aufgerissen und beiseite bewegt. Rein metallische atomare Bereiche werden freigelegt und mit dem Sonotrodendruck gegeneinander gepresst. Die Verbindung entsteht just in dem Moment, wo die eingeleitete Ultraschallschwingung gestoppt wird.
Der Prozess wird im industriellen Bereich eingesetzt und wird insbesondere in der Fertigung von Elektronikbauteilen und bei der Herstellung von Mikroelektronik (Bonden) angewendet.
Durch den sehr geringen Wärmeeintrag können auch kritische Fügepartner unter Vermeidung der Bildung spröder intermetallischer Phasen gefügt werden, z.B. Cu-Al (e-mobility).

Kunststoff-Ultraschallschweissen
Das Ultraschallschweissen von (thermoplastischen, d.h. schmelzbaren) Kunststoffen erfolgt über ein lokales Aufschmelzen im Fügebereich. Im Gegensatz zum Metall-US schwingt die Ultraschallschwingung senkrecht zu den Sonotroden. Im Fügebereich ist ein oft dreiecksförmiger Grat auf einem der Fügeteile angebracht. Die eingeleitete Schwingungsenergie wird konzentriert an dem Grat in Wärmeenergie umgesetzt. Der Grat beginnt zu schmelzen und die weitere die Wärmeentwicklung im Fügebereich nimmt in Folge fehlender Konzentration ab. Die Ultraschalleinleitung wird gestoppt und die Schweissung erstarrt unter dem Druck der Sonotroden.
Die Bauteile und der Prozess ist sorgfältig auf den jeweiligen Anwendungsfall auszulegen.
Der Prozess wird industriell angewendet, es können sehr effizient unsichtbare und dichte Schweissungen hergestellt werden z.B. Kunststoffglas und Reflektor an Kfz-Rücklichtern.