Ultraschallschweißen von Kabeln – präzise Verbindungen für Kupfer, Aluminium und HV-Anwendungen
Elektrische Leiter müssen in Kabelbäumen, Fahrzeugen, Batteriesystemen und zahlreichen industriellen Anwendungen zuverlässig und reproduzierbar miteinander verbunden werden. Mit zunehmenden Anforderungen an elektrische Leistung, Bauraum und Prozesssicherheit gewinnt das Ultraschallschweißen von Kabeln dabei an Bedeutung.
Beim metallischen Ultraschallschweißen werden Leiter unter definierter Kraft und hochfrequenter mechanischer Schwingung miteinander verbunden. Der Prozess arbeitet ohne Lötzinn und Flussmittel und ermöglicht je nach Anwendung Verbindungen zwischen Kupfer, Aluminium und weiteren geeigneten metallischen Komponenten.
Besonders interessant ist das Verfahren für Kabel-zu-Kabel-, Kabel-zu-Terminal- und andere elektrische Verbindungen, bei denen eine reproduzierbare metallische Verbindung auf kleinem Bauraum erforderlich ist.
Wie funktioniert Ultraschallschweißen von Kabeln?
Das Ultraschallschweißen von Metallen ist ein Festkörper-Fügeverfahren. Die zu verbindenden Leiter werden zunächst in der vorgesehenen Position zwischen Sonotrode und Amboss aufgenommen.
Anschließend wird eine definierte Kraft aufgebracht. Gleichzeitig überträgt die Sonotrode hochfrequente mechanische Schwingungen auf die Fügezone.
Durch die Relativbewegung der Fügepartner unter Druck werden die Oberflächen in der Fügezone mechanisch aktiviert. Oxidschichten und Oberflächenverunreinigungen können dabei aufgebrochen beziehungsweise verdrängt werden, sodass sich eine metallische Verbindung ausbilden kann.
Dabei werden die Fügepartner nicht vollständig aufgeschmolzen. Die Verbindung entsteht vielmehr im festen Zustand durch das Zusammenspiel von Druck, Schwingung, Relativbewegung und geeigneter Prozessführung.
Welche Parameter für eine stabile Verbindung erforderlich sind, hängt von Werkstoff, Leiterquerschnitt, Leiteraufbau, Fügegeometrie und Werkzeugauslegung ab.
Der Prozess in vier Schritten
1. Leiter positionieren
Zunächst werden die zu verbindenden Leiter entsprechend der vorgesehenen Fügegeometrie positioniert.
Eine präzise und reproduzierbare Positionierung ist besonders bei automatisierten Fertigungsprozessen wichtig. Bereits kleine Abweichungen bei Überlappung, Lage oder Einspannung können die tatsächliche Fügefläche beeinflussen.
2. Schweißkraft aufbringen
Die Fügepartner werden zwischen den Werkzeugkomponenten mit einer definierten Kraft eingespannt.
Die erforderliche Kraft ist nicht für jede Anwendung gleich. Sie hängt unter anderem von Werkstoff, Leiterquerschnitt, Leiteraufbau, Fügefläche und Werkzeuggeometrie ab.
3. Ultraschallschwingung einleiten
Während die Schweißkraft anliegt, wird die mechanische Ultraschallschwingung in die Fügezone eingebracht.
Je nach Schweißsystem können dabei unter anderem folgende Größen für die Prozessführung und Überwachung relevant sein:
- Schweißkraft
- Amplitude
- Schweißzeit
- Energie
- Leistung
- Weg beziehungsweise Verdichtung
- Prozesskurven
Das Ziel ist ein reproduzierbarer Prozesszustand, bei dem eine ausreichende metallische Verbindung entsteht, ohne die Leiter unnötig zu belasten.
4. Prozessende und Qualitätsbewertung
Nach Erreichen der definierten Prozessbedingungen wird die Ultraschallschwingung beendet und die Verbindung entlastet.
Moderne Ultraschallschweißsysteme können die während des Prozesses erfassten Daten speichern und zur Prozessüberwachung nutzen. Je nach Qualitätskonzept können zusätzlich mechanische, elektrische oder metallografische Prüfungen durchgeführt werden.
Damit lässt sich die Prozessentwicklung von der ersten Schweißprobe bis zur Serienproduktion systematisch begleiten.
Welche Werkstoffe können ultraschallgeschweißt werden?
Ultraschallschweißen wird insbesondere für elektrische Leiter aus Kupfer und Aluminium eingesetzt. Je nach Konstruktion sind unterschiedliche Leiteraufbauten, Querschnitte und Verbindungskombinationen möglich.
Kupfer
Kupfer besitzt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und ist deshalb ein wichtiger Werkstoff für elektrische Leitungen und Kabelbäume.
Ultraschallschweißen kann beispielsweise für Litzen, Leiterbündel, Kabel und geeignete Terminals eingesetzt werden. Entscheidend sind dabei nicht nur der Kupferwerkstoff, sondern auch Leiterquerschnitt, Litzenaufbau, Fügefläche und Werkzeuggeometrie.
Aluminium
Auch Aluminium eignet sich für bestimmte Ultraschallschweißanwendungen.
Gerade bei Aluminium spielt die natürliche Oxidschicht eine wichtige Rolle. Die Prozessführung muss deshalb so ausgelegt werden, dass eine stabile metallische Verbindung innerhalb des vorgesehenen Prozessfensters erreicht wird.
Aluminiumleiter können je nach Anwendung mit anderen Aluminiumkomponenten oder geeigneten Terminals verbunden werden.
Kupfer und Aluminium verbinden
Besondere Anforderungen entstehen bei der Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium.
Unterschiedliche Materialeigenschaften, die Oxidschicht des Aluminiums und die mögliche Bildung intermetallischer Phasen müssen bei der Prozessentwicklung berücksichtigt werden. Fraunhofer IWM beschreibt diese Aspekte ebenfalls als technische Herausforderungen bei Cu-Al-Verbindungen.
Ultraschallschweißen ist für solche Anwendungen eine interessante Fügetechnologie. Die konkrete Eignung muss jedoch immer anhand der tatsächlichen Werkstoffe, Geometrie und Anforderungen geprüft werden.
Warum ist Ultraschallschweißen für Kabelverbindungen interessant?
Keine zusätzlichen Lote oder Flussmittel
Das Verfahren benötigt für die eigentliche metallische Verbindung kein Lötzinn und kein Flussmittel. Dadurch kann der Prozess ohne zusätzliche Fügewerkstoffe ausgeführt werden.
Geringe thermische Belastung
Da die Fügepartner nicht vollständig aufgeschmolzen werden, unterscheidet sich das Verfahren grundlegend von klassischen Schmelzschweißprozessen. Das kann insbesondere bei elektrischen Leitern und temperaturempfindlichen Komponenten interessant sein.
Kompakte metallische Verbindung
Die Verbindung entsteht direkt in der vorgesehenen Fügezone. Dadurch lassen sich kompakte elektrische Verbindungen realisieren, beispielsweise bei Kabel-zu-Kabel- oder Kabel-zu-Terminal-Anwendungen.
Geeignet für unterschiedliche Leiterwerkstoffe
Je nach Maschinenauslegung und Werkzeug können Kupfer- und Aluminiumleiter sowie unterschiedliche Verbindungskombinationen verarbeitet werden.
Prozessdaten können überwacht werden
Bei industriellen Ultraschallschweißsystemen lassen sich relevante Prozessgrößen erfassen und dokumentieren. Dadurch kann der Schweißprozess für die Serienproduktion reproduzierbar ausgelegt und überwacht werden.
Welche Faktoren bestimmen die Schweißqualität?
Eine stabile Ultraschallverbindung entsteht nicht durch einen einzelnen Parameter. Entscheidend ist das Zusammenspiel von Material, Geometrie, Werkzeug und Prozessführung.
Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:
- Werkstoff und Werkstoffkombination
- Leiterquerschnitt
- Leiteraufbau und Litzengeometrie
- Fügefläche
- Sonotroden- und Ambossgeometrie
- Schweißkraft
- Amplitude
- Schweißzeit
- Energie beziehungsweise Leistung
- Verdichtung und Weg
- Prozessüberwachung
- Prüf- und Qualitätskonzept
Deshalb sollten Schweißparameter nicht einfach von einer bestehenden Kabelkonstruktion auf eine andere übertragen werden.
Für neue Material- oder Querschnittskombinationen ist es sinnvoll, zunächst ein geeignetes Prozessfenster anhand realer Bauteile zu ermitteln und anschließend mit definierten Prüfungen zu validieren.
Von der ersten Schweißprobe bis zur Serienproduktion
Eine erfolgreiche Ultraschallanwendung beginnt nicht erst mit der Auswahl einer Maschine. Entscheidend ist zunächst die genaue Beschreibung der späteren Verbindung.
1. Material und Leitergeometrie bestimmen
Welche Werkstoffe werden verbunden? Wie groß ist der Leiterquerschnitt? Handelt es sich um Einzelleiter, Litzen, Leiterbündel, Geflechtleiter oder Terminals?
2. Fügegeometrie festlegen
Wie sollen die Leiter miteinander verbunden werden? Ist eine Kabel-zu-Kabel-, Kabel-zu-Terminal- oder Terminal-Verbindung vorgesehen?
Die Geometrie bestimmt maßgeblich die Auswahl von Sonotrode, Amboss und Vorrichtung.
3. Prozessfenster ermitteln
Auf Basis realer Bauteile werden geeignete Werte für Amplitude, Kraft, Energie und Zeit ermittelt.
Dabei sollte nicht nur ein einzelner Zielwert betrachtet werden. Entscheidend ist ein stabiler Prozessbereich, in dem die geforderte Verbindungsqualität reproduzierbar erreicht wird.
4. Verbindung prüfen und Prozess dokumentieren
Je nach Anwendung können beispielsweise Zugprüfungen, elektrische Widerstandsmessungen, metallografische Untersuchungen oder weitere kundenspezifische Prüfungen erforderlich sein.
Parallel dazu können die Prozessdaten dokumentiert werden, um die Rückverfolgbarkeit der Serienproduktion zu unterstützen.
Typische Anwendungen des Ultraschallschweißens
Ultraschallschweißen kann für unterschiedliche elektrische Verbindungsaufgaben eingesetzt werden, beispielsweise:
- Kabelbaum- und Leiterverbindungen
- Kabel-zu-Kabel-Verbindungen
- Kabel-zu-Terminal-Verbindungen
- Geflechtleiter-Verbindungen
- Busbar- und Laschenverbindungen
- Verbindungen in der Elektromobilität
- Anwendungen in Batteriesystemen
- Leistungselektronik
- FPC- und weitere metallische Verbindungen
Gerade in der Elektromobilität und bei Hochvolt-Anwendungen steigt die Bedeutung zuverlässiger Verbindungen für große Leiterquerschnitte und unterschiedliche Werkstoffkombinationen.
Die konkrete technische Eignung hängt jedoch immer von der jeweiligen Anwendung ab.
Welche Ultraschall-Kabelschweißmaschine passt zu meiner Anwendung?
Magntek bietet mit der KS-Serie verschiedene Ultraschall-Kabelschweißmaschinen für unterschiedliche Leiterquerschnitte und Verbindungskonzepte.
KSK – für kleine Leiter und Terminalverbindungen
Die KSK wurde für präzise Verbindungen kleiner Leiterquerschnitte mit Terminals entwickelt. Sie eignet sich für Kupfer- und Aluminiumleiter sowie verschiedene Standard-Terminaltypen.
Der Kupferleiterquerschnitt liegt bei bis zu 25 mm². Die Maschine arbeitet mit 20 kHz und unterstützt Zeit- und Energiemodus. Eine manuelle oder automatisierte Zuführung ist möglich.
KSM – kompakte Verbindungen
Die KSM ist für kompakte Kabelverbindungen in Bereichen wie Elektronik, Automotive und Elektrotechnik ausgelegt.
Je nach Anwendung sind unter anderem Kupfer-Kupfer- und Kupfer-Aluminium-Verbindungen sowie Einzelader-zu-Mehrdraht-, Geflechtleiter- und verzinnte Leiterverbindungen möglich.
KSS – für mittlere Leiterquerschnitte
Die KSS ist für das Serienschweißen von Kabelbäumen mittlerer Querschnitte und Terminals ausgelegt.
Sie unterstützt unter anderem Verbindungen von Kupfer- und Aluminiumleitern mit Terminals, Geflechtleiterverbindungen sowie Busbar-Laschen. Der angegebene Bereich für Kupferleiter liegt bei 16–70 mm². Automatische Kabel- und Terminalzuführungen können integriert werden.
KSG – für große Leiterquerschnitte und HV-Kabel
Die KSG ist für großquerschnittige Kabelbäume und anspruchsvolle Hochvolt-Anwendungen ausgelegt.
Mögliche Anwendungen umfassen Kabel-zu-Kabel-, Kabel-zu-Terminal- und Terminal-zu-Terminal-Verbindungen sowie großflächige Schweißungen an Kupfer- und Aluminiumkomponenten. Magntek gibt einen Bereich von 95/120 mm² für Kupferleiter und bis zu 160 mm² für Aluminiumleiter an.
Damit deckt die KS-Serie unterschiedliche Anforderungen ab – von kleinen Terminalverbindungen bis hin zu großquerschnittigen HV-Leitern.
Sie sind sich nicht sicher, welche Maschine zu Ihrer Anwendung passt?
Magntek kann die Auswahl anhand von Werkstoff, Leiterquerschnitt, Verbindungsgeometrie und Produktionsanforderungen unterstützen.
Magntek Ultraschall-Kabelschweißmaschinen
FAQ: Häufige Fragen zum Ultraschallschweißen von Kabeln
Kann man Kupferkabel mit Ultraschall schweißen?
Ja. Kupfer gehört zu den wichtigsten Werkstoffen für metallische Ultraschallschweißanwendungen. Je nach Leiterquerschnitt, Leiteraufbau und Verbindung können unterschiedliche Kabel- und Terminalgeometrien realisiert werden.
Kann man Aluminiumkabel ultraschweißen?
Ja. Aluminium kann für geeignete Ultraschallschweißanwendungen eingesetzt werden. Die Prozessparameter und Werkzeuge müssen dabei an Werkstoff, Querschnitt und Geometrie angepasst werden.
Können Kupfer und Aluminium miteinander verbunden werden?
Ja, bestimmte Cu-Al-Verbindungen können mittels Ultraschallschweißen hergestellt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften und der Anforderungen an die Langzeitstabilität sollte jede konkrete Materialkombination separat validiert werden.
Entsteht beim Ultraschallschweißen eine Schmelze?
Beim metallischen Ultraschallschweißen werden die Fügepartner nicht vollständig aufgeschmolzen. Die Verbindung entsteht im Festkörper unter definierter Kraft und mechanischer Ultraschallschwingung.
Braucht man Lötzinn oder Flussmittel?
Für die eigentliche Ultraschallverbindung sind grundsätzlich keine zusätzlichen Lote oder Flussmittel erforderlich.
Welche Parameter sind beim Ultraschallschweißen wichtig?
Abhängig von Maschine und Anwendung können insbesondere Schweißkraft, Amplitude, Zeit, Energie, Leistung und Weg relevant sein. Entscheidend ist das Zusammenspiel dieser Größen innerhalb eines geeigneten Prozessfensters.
Ist Ultraschallschweißen für die Serienproduktion geeignet?
Ja. Ultraschallschweißen kann in automatisierte Serienprozesse integriert werden. Dafür müssen Maschine, Werkzeug, Prozessparameter, Zuführung, Prozessüberwachung und Qualitätskonzept aufeinander abgestimmt werden.
Welche Leiterquerschnitte können geschweißt werden?
Der mögliche Querschnitt hängt von Werkstoff, Leiteraufbau, Verbindung und Maschinenauslegung ab. Die Magntek KS-Serie deckt unterschiedliche Bereiche ab – von kleinen Leitern bis zu großquerschnittigen Kupfer- und Aluminiumleitern.
Fazit: Ultraschallschweißen als präzise Verbindungstechnologie
Ultraschallschweißen ermöglicht die reproduzierbare Verbindung elektrischer Leiter unter definierter Kraft und mechanischer Ultraschallschwingung. Besonders für Kupfer- und Aluminiumleiter bietet das Verfahren vielfältige Möglichkeiten – von kleinen Terminalverbindungen bis hin zu großquerschnittigen Kabeln und HV-Anwendungen.
Entscheidend für eine zuverlässige Verbindung ist jedoch nicht allein das Material. Leiterquerschnitt, Leiteraufbau, Fügegeometrie, Werkzeug, Prozessparameter und Qualitätsanforderungen müssen gemeinsam betrachtet werden.
Mit der KS-Serie bietet Magntek unterschiedliche Maschinenkonzepte für kleine, mittlere und große Leiterquerschnitte. Von der ersten Schweißprobe über die Prozessentwicklung bis zur automatisierten Serienproduktion kann die passende Ultraschalllösung an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Sie planen eine neue Kabelverbindung oder möchten eine bestehende Anwendung auf Ultraschallschweißen umstellen?
Quellen und weiterführende Informationen
[1] Fraunhofer IWM: Informationen zu technischen Herausforderungen bei Cu-Al-Verbindungen, insbesondere Oxidschichten, intermetallischen Phasen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
[2] Fraunhofer IFAM: Untersuchungen zu Aluminium-Kupfer-Verbindungen und dem Einsatz von Ultraschallschweißen für elektrische Kontaktierungen.
[3] Fraunhofer ISE: Report zur Batterieverschaltung – unter anderem zu Werkstoffen, Oxidschichten und Anforderungen an elektrische Verbindungen in Batteriesystemen.
[4] Magntek Electronics GmbH: Ultraschall-Kabelschweißmaschine – Produktübersicht und Anwendungsbereiche der KS-Serie.
[5] Magntek Electronics GmbH: Ultraschallschweißen von Kabeln – Anwendungen und Maschinenübersicht.
[6] Magntek Electronics GmbH: KSK-Ultraschall-Kabelschweißmaschine – technische Daten und Anwendungsbereich.
[7] Magntek Electronics GmbH: KSS-Ultraschall-Kabelschweißmaschine – technische Daten und Anwendungsbereich.
[8] Magntek Electronics GmbH: KSG-Ultraschall-Kabelschweißmaschine – technische Daten und Anwendungsbereich.