Ultraschallpunktschweißen

Das Ultraschallpunktschweißen (englisch: Ultrasonic Spot Welding, USW) ist eine  Variante des Ultraschallschweißens. Dabei erzeugen eine Anpresskraft und eine Translationsbewegung zwischen zwei im Überlappstoß Blechen aufeinanderliegenden Blechen die für die Pressschweißung erforderliche Wärmeentwicklung und lokale Verformung (siehe Abbildung 1).^[1]

Es ist ein unterhalb des Schmelzpunkts der Werkstücke operierendes Festkörperschweißverfahren, das seit 1950 entwickelt und eingesetzt wird.  Beispielsweise setzten Daniels et al^[2] das Verfahren bereits 1965 zum Schweißen mikroelektronischer Komponenten ein.^[1]

Abbildung 1. Ultraschallschweißen eines Aluminiumblechs auf ein Stahlblech ^[1]

© Alessio Gullino, Paolo Matteis und Fabio D’Aiuto, CC BY 4.0

Ein Hochfrequenzgenerator liefert elektrische Energie, die von einem piezoelektrischen Transduktor in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgewandelt wird. Diese Schwingungen gehen durch zwei Sonotrodenspitzen und können, wie von Gould^[3] berichtet wurde, auf eine von zwei Arten auf die Bleche einwirken:^[1]

• Der erste Modus wird als "Push-Pull" bezeichnet, wobei die Translationsbewegung durch die linearen Schwingungen entwickelt wird, die in der  Wirkungsachse auftreten.^[1] 
  
  
• Der zweite Modus wird auf Englisch "torsional" genannt und beinhaltet eine zyklische Drehbewegung der Sonotroden, um die Bildung der Verbindung zu ermöglichen.^[1]

   
Es wurden spezielle Sonotrodenspitzen sowohl für die Stahl- als auch für die Aluminiumseite entwickelt. Insbesondere Bakavos et al.^[5] und Prangnell et al.^[9] schlugen flach gezackte Spitzen für die Aluminiumseite und kuppelförmige Spitzen für die Stahlseite vor.^[1]

   
Die Werkstücke werden durch eine Spannkraft, die sie zwischen die Spitzen drückt, in Kontakt gehalten. Shakil et al.^[10] fanden heraus, dass die Verbindungsfestigkeit durch Erhöhung des Spanndrucks zunimmt, aber hohe Kraftwerte eine hohe Energiezufuhr erfordern. Zhao et al.^[8] stellten unter Anwendung eines Spanndrucks von 0,3 MPa fest, dass die Einflüsse anderer Parameter wie Prozesszeit und Wellenamplitude vernachlässigbar sind.^[1]

   
Bakavos und Prangnell^[5] waren in der Lage, Aluminiumstücke zwischen ihnen in 0,3 s mit einer Spitzentemperatur von etwa 380 °C zu schweißen. Im Gegensatz dazu berichteten Watanabe et al.^[11] und Prangnell et al.,^[9] dass das Schweißen von Stahl und Aluminium mehr Zeit, von 1 bis 3 s, benötigt, um eine Temperatur von über 500 °C zu erreichen. Da dies die Schwellentemperatur für die Bildung von IMCs ist, beobachteten Prangnell et al.^[9] sowie Patel et al.^[12] die Versprödung der geschweißten Grenzfläche aufgrund eines solchen Phänomens. Darüber hinaus beobachteten Patel et al.^[12] und Haddadi.^[6] bei der Verwendung von verzinktem Stahl, dass die Reaktion zwischen Aluminium und Zink zur Bildung eines eutektischen Al-Zn-Films führen kann, der letztlich die Zugfestigkeit verringert.^[1]

1. Alessio Gullino,^<1> Paolo Matteis,^<1>,<*> und Fabio D’Aiuto^<2>:
   Review of Aluminum-To-Steel Welding Technologies for Car-Body Applications
   <1> DISAT, Politecnico di Torino (Turin Technical University), It-10129 Torino, Italy
   <2> GML, Centro Ricerche FIAT (FIAT Research Center), It-10135 Torino, Italy
   <*> Autor, an den die Kommunikation gerichtet werden sollte (paolo.mattei@polito.it).
   Metals 2019, 9(3), 315; DOI 10.3390-met9030315, CC BY 4.0, empfangen am 20. Dezember 2018, publiziert am 11. März 2019, abgerufen am 29. Mai 2020.
      
   
2. Daniels, H.P.C.; Botden, T.Р.; Philips, N.V. Ultrasonic welding in microminiaturization. IFAC Proc. Vol. 1965, 2, 473–484. 
      
3. Gould, J.E. Joining aluminum sheet in the automotive industry—A 30 year history. Weld. J. 2012, 91, 23s–34s. 
      
4. Chen, Y.C.; Bakavos, D.; Gholinia, A.; Prangnell, P.B. HAZ development and accelerated post-weld natural ageing in ultrasonic spot welding aluminium 6111-T4 automotive sheet. Acta Mater. 2012, 60, 2816–2828.
      
5. Bakavos, D.; Prangnell, P.B. Mechanisms of joint and microstructure formation in high power ultrasonic spot welding 6111 aluminium automotive sheet. Mater. Sci. Eng. A 2010, 527, 6320–6334.
      
6. Haddadi, F. Microstructure reaction control of dissimilar automotive aluminium to galvanized steel sheets ultrasonic spot welding. Mater. Sci. Eng. A 2016, 678, 72–84.
       
7. Haddadi, F.; Abu-Farha, F. The effect of interface reaction on vibration evolution and performance of aluminium to steel high power ultrasonic spot joints. Mater. Des. 2016, 89, 50–57.
      
8. Zhao, D.; Ren, D.; Zhao, K.; Pan, S.; Guo, X. Effect of welding parameters on tensile strength of ultrasonic spot welded joints of aluminum to steel—By experimentation and artificial neural network. J. Manuf. Process. 2017, 30, 63–74.
      
9. Prangnell, P.; Haddadi, F.; Chen, Y.C. Ultrasonic spot welding of aluminium to steel for automotive applications—Microstructure and optimisation. Mater. Sci. Technol. 2011, 27, 617–624.
      
10. Shakil, M.; Tariq, N.H.; Ahmad, M.; Choudhary, M.A.; Akhter, J.I.; Babu, S.S. Effect of ultrasonic welding parameters on microstructure and mechanical properties of dissimilar joints. Mater. Des. 2014, 55, 263–273. 
       
11. Watanabe, T.; Sakuyama, H.; Yanagisawa, A. Ultrasonic welding between mild steel sheet and Al–Mg alloy sheet. J. Mater. Process. Technol. 2009, 209, 5475–5480. 
       
12. Patel, V.K.; Bhole, S.D.; Chen, D.L. Ultrasonic spot welding of aluminum to high-strength low-alloy steel: Microstructure, tensile and fatigue properties. Metall. Mater. Trans. A 2014, 45, 2055–2066.