Schonend mit viel Kraft

„Dass wir mit dem PowerWheel-Ultraschallschweißverfahren mit so hohen Kräften und Leistungen dermaßen schadlos schweißen können, hat den Kunden sehr überrascht“, erinnert sich Claus Regenberg, Geschäftsführer der Telsonic GmbH in Deutschland. Die kompakte Maschine verschweißt beim amerikanischen Zulieferer Julian Electric 160 qmm starke Aluminiumleitungen mit einem Rohrkabelschuh aus vernickeltem Kupfer im Serienprozess. Dazu presst die Sonotrode mit 3800 Newton Druck auf die Kontaktstelle. Der starke Generator leistet maximal zehn Kilowatt und bringt während des Schweißvorgangs etwa 18.000 J Leistung in die Schweißstelle ein. Dass die Verbindung danach gleichmäßig und fest genug ist, um den Anforderungen in schweren LKWs sowie Bau- und Landmaschinen zu genügen, überrascht nicht. Schon eher, dass Leitung und Rohrkabelschuh unbeschädigt bleiben. Das ist nicht nur dem einzigartigen PowerWheel Ultraschallschweißverfahren von Telsonic zu verdanken, sondern auch der besonderen Form der Sonotrode. Die ist an der Kontaktstelle zum Werkstück in einer besonderen, patentierten Form geformt.

PowerWheel ist verfahrenstechnisch im Vorteil

Rohrkabelschuhe (RKS) eignen sich besonders zum Kontaktieren von Aluminium-Rundlitzenleitungen mit einem Nennquerschnitt von 10-160 mm² zur Verwendung im Automotive Trockenraum. Für die elektrische Kontaktierung zwischen Rohrkabelschuh und Aluminium­litzenleiter hat sich das Ultraschallschweißen bestens bewährt. Allerdings sind die Anforderungen an Qualität und Prozesssicherheit nicht zu unterschätzen. Seit rund zehn Jahren hat sich das PowerWheel Verfahren von Telsonic hierbei als sehr zuverlässig und prozesssicher erwiesen. Denn es kann Manches besser als andere Verfahren.

Allem voran steht der konstruktive Vorteil, mit der Sonotrode direkt von oben auf die Kontaktierungsstelle und den Amboss zu fahren. Das vermeidet das klassische Problem der Biegeschwingung, das mit einer Hammersonotrode auftritt, weil die Sonotrode sich bauartbedingt duchbiegt. Je höher der geforderte Druck ist, mit dem die Sonotrode auf die Werkstücke fahren muss, desto stärker wirkt sich dieser Nachteil aus. Auf Dauer zerstört diese Biegeschwingung dann auch noch den Konverter. Das alles kommt beim PowerWheel-Schweißen nicht vor.

Zu kontaktierende Litzenpakete werden immer dicker

Für die Anwendungen in LKWs sowie in Bau- und Landmaschinen sind die Leitungen zwangsläufig dicker als in PKWs. Doch auch dort werden Leitungen immer dicker, weil mehr Funktionen im Auto mit Strom versorgt werden. Die wachsende E-Mobilität sorgt für weitere Anwendungen bis zum Hochvoltbereich. Neben hohem Druck müssen für eine sichere Kontaktierung auch große Leistungen eingebracht werden. Damit das Litzenpaket sicher durchkontaktiert ist, müssen mindestens 90% der Einzeladern untereinander verbunden sein. Ferner muss das Litzenpaket an der Innenwand des Rohrkabelschuhes anhaften und zwar möglichst gleichmäßig und ausgewogen zu Amboss und Sonotrode. Die Anhaftung sollte dabei mindestens der Fläche des Nennquerschnittes entsprechen.

Trotz großer Kräfte und hoher Leistungen dürfen für eine sichere Schweißung dennoch keine einzelnen Litzen verletzt oder durch­trennt werden. Regenberg bringt den komplizierten Zielkonflikt auf den Punkt: „Zur großen Kraft und hoher Leistungen kommt also auch noch die Forderung nach einem möglichst schonenden Schweißvorgang.“ Mit PowerWheel hat die Telsonic AG in den letzten Jahren den von ihr erfundenen Ultraschallschweißprozess zu einem höchst wirksamen, serientauglichen Verfahren entwickelt, das diesen Zielkonflikt nahezu auflöst. Bei dieser Schweißtechnologie liefert eine Standardmaschine bis zu 10 kW Schweißleistung bei maximalen 8 kN Druck, ohne dass dabei die sonst üblichen Probleme mit dem Frequenzsprung auftreten. So können bisher nicht gekannte große Flächen und Kabeldurchmesser geschweißt werden.

PowerWheel ermöglicht erhebliche Materialeinsparungen

Beim konkreten Schweißvorgang macht die Telsonic-Sonotrode eine früher nicht gekannte, abrollende Schweißbewegung. Dadurch ist die höchste Amplitude immer genau in der Mitte der Schweißung, und nicht an deren Ende. So werden die Kabelenden zur Isolierung nicht beschädigt. Selbst sehr dünne Drähte können mit PowerWheel kraftvoll und sicher verschweißt werden. Aber es können eben auch massive Cu-Terminals und massive Al-Terminals miteinander verschweißt werden. Dabei entstehen galvanisch einwandfreie Verbindungen, die besser isoliert werden können. Bisher übliche Knoten können infolgedessen bis zu 30 Prozent schmäler geschweißt werden. Folglich können Terminals kleiner sein und die Isolierung der Schweißung ist einfacher. Zugleich lassen sich erhebliche Materialkosten einsparen. Ein süddeutscher Premium-OEM schweißt mit der PowerWheel Technologie Knoten um 50 Prozent schlanker und spart jährlich rund 300.000 Euro Materialkosten ein.

Trotz aller technischer Raffinessen, erfordert das Verschweißen der starken Aluminium-Litzenpakete für große Nutzfahrzeuge in einem massiven Kupfer-Rohrkabelschuh viel Sorgfalt. Schließlich beträgt dessen Wandstärke starke 1,6 mm. Aufgrund der Vernickelung ist der Werkstoff sehr spröde und dadurch bei dem faktisch stattfindenden Kaltumformprozess anfällig für Rissbildung, wenn die Sonotrode auftrifft. Die Nickelschicht ist aber wegen der großen Differenz in der elektrochemischen Spannungsreihe von Aluminim und Kupfer notwendig. Das reduziert die Korrosionsgefahr.

Mit patentierter Rundung zum besten Ergebnis

Den Clou des PowerWheel-Ultraschallschweißprozesses haben die Experten von Telsonic für Julian Electric jedoch mit der Form der Sonotrode geschaffen. Sie weißt am unteren Ende eine konkave Form auf, die in etwa der Rundung des aufnehmenden Endes des Rohrkabelschuhs entspricht. Diese patentierte Lösung bringt zwei unschlagbare Vorteile: Erstens wird der Rohrkabelschuh beim Herunterfahren der Sonotrode automatisch zentriert, ohne dass die Oberfläche beschädigt wird. Der Rohrkabelschuh liegt auf dem Amboss auf, ohne fixiert zu sein. In dem Moment, wenn die Sonotrode herunterfährt rückt sie das Werkstück automatisch in die am besten anliegende Position, zentriert und fixiert es während des Schweißvorgangs. Zweitens ist die Sonotrode während der abrollenden Bewegung aufgrund der Rundung immer im optimalen Kontakt und im besten Winkel zum Rohrkabelschuh. Das führt letztendlich auch zum optimalen Amplitudenverhältnis zum Schweißobjekt. Im Ergebnis entstehen bei Julian Electric in der Serienfertigung modellspezifisch konfektionierte Leitungssätze mit sicher kontaktierten Rohrkabelschuhen für die zuverlässige Anbin­dung in der rauen Umgebung der LKWs, Bau- und Landmaschinen.

Telsonic ist genauso zufrieden wie der Anwender der PowerWheel-Ultraschallschweißtechnologie, Julian Electric. Das seit Jahren bewährte Verfahren eignet sich darüber hinaus noch für zahlreiche weitere 3D-Kontaktteile. Diese Kontakttypen werden zunehmend in der Elektromobilität eingesetzt und die bauteilspezifischen Anforde­rungen können mit diesem patentierten Verfahren hervorragend erfüllt werden. Aufgrund der steigenden Produktionsmengen und Variantenvielfalt auch durch die aufkommende Elektromobilität bietet Telsonic aktuell Schnellwechselwerkzeugsysteme an, um die Rüstzeiten deutlich zu senken.