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Die Erfindung betrifft eine Sonotrode sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von Stahl mit einer solchen Sonotrode. Eine Sonotrode und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von Kunststoff sind in der
DE 102014210376 A1 offenbart. Die Sonotrode besteht aus Titan oder Stahl. In der
DD216416B1 sind eine weitere Sonotrode sowie ein Verfahren zum Ultraschallbearbeiten von Kunststoffen offenbart. Die Sonotrode besteht aus kostengünstigem Nitrierstahl und ihre Arbeitsfläche ist zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit mit einer chemisch aufgebrachten Härteschicht ausgestattet.
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Fertigungsverfahren, bei denen Material schichtweise aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden, sind bekannt unter der Sammelbezeichnung additive Fertigung. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden Härtungs- oder Schmelz- und Erstarrungsprozesse statt. Dazu werden einem Arbeitsbereich auf der jeweils obersten Schicht gezielt Werkstoffe und Energie zugeführt. Bei gängigen Verfahren erfolgt die Werkstoffzufuhr in Pulver-, Draht- oder auch Tropfenform und die Energiezufuhr häufig durch Laserbestrahlung aber auch durch Ultraschall. Inzwischen gibt es für die meisten Werkstoffe geeignete additive Fertigungsverfahren. Für die additive Fertigung von Metallen, insbesondere von Stählen, werden meist Pulver zugeführt und mittels Laserbestrahlung verschmolzen. Allerdings sind sowohl die Herstellung geeigneter metallischer Pulver als auch die Laservorrichtungen vergleichsweise teuer und deshalb wird intensiv nach alternativen Verfahren gesucht.
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Deutlich günstiger ist eine besondere Form des Ultraschallschweißens, das Ultraschallauftragschweißen, bei dem die Materialzufuhr über Drähte und die Energiezufuhr über Ultraschall erfolgen. Allerdings sind dafür geeignete Sonotroden bislang nur für thermoplastische Kunststoffe bekannt.
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Ultraschallschweißen ist ein Verfahren zum Fügen von thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen. Bei den metallischen Werkstoffen kommt es vor allem bei Aluminium, Kupfer und deren Legierungen zum Einsatz. Eine hochfrequente mechanische Schwingung wird über eine Sonotrode auf die zu verbindenden Werkstücke übertragen und führt dort zu Erwärmung durch Molekular- und Grenzflächenreibung. Kunststoffe schmelzen dabei auf, während bei Metallen die Verbindung üblicherweise über Verzahnung und Verhakung der Fügepartner erfolgt, da die zugeführte Energie meist nicht zum Schmelzen ausreicht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Sonotrode sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallschweißen anzugeben, welche das Anwendungsspektrum des Ultraschallschweißen auf weitere Werkstoffe, insbesondere auf Stähle, erweitern.
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Die Aufgabe wird bezüglich der Sonotrode mit einer auf ihrer Arbeitsfläche aufgebrachten Schutzschicht erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sonotrode und die Schutzschicht eine Bohrung aufweisen, durch die ein Draht zur und durch die Schutzschicht geführt werden kann und, dass das Material der Schutzschicht (S) eine Schmelztemperatur von mindestens 1.600°C, aufweist.
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Eine Schmelztemperatur des Materials der Schutzschicht von mindestens 1.800° C ermöglicht eine Verwendung der Sonotrode für ein Ultraschallschweißen von Stahl. Die meisten Stähle weisen Schmelztemperaturen von unter 1.500° C auf, ihr Schmelzbad erreicht aber meist noch höhere Temperaturen, da ihm weiterhin Energie zugeführt wird. Eine Differenz der Schmelztemperaturen des Materials der Schutzschicht und des zu schmelzenden Stahls von 300°C reicht aber meist aus, um ein Verschmelzen der Schutzschicht bzw. der Sonotrode mit dem Werkstoff Stahl zu verhindern.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Material der Schutzschicht eine Schmelztemperatur von mindestens 2.000° C. Dies erweitert den Einsatzbereich der Sonotrode auch auf die vorstehend noch nicht abgedeckten Sonderfälle bzw. hochschmelzenden Stähle.
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Im Betrieb wird die Sonotrode zu Schwingungen in ihrer spezifischen Eigenfrequenz angeregt, um eine möglichst effektive Energieeinbringung zu erreichen. Ein Draht, der dabei durch die Bohrung zur und durch die Schutzschicht zur Arbeitsfläche der Sonotrode geführt wird, wird in der Bohrung mit einer Frequenz außerhalb seiner Eigenfrequenz gestreckt und gestaucht und dadurch bereits vor Erreichen der Arbeitsfläche vorgewärmt, so dass im Bereich der Arbeitsfläche nur noch ein vergleichsweise geringer Restenergieeintrag in den Draht erfolgen muss, um den Draht aufzuschmelzen. Diese Restenergie kann dadurch eingebracht werden, dass der beim Verlassen der Sonotrode schwingende und bereits glühende Draht auf eine nicht schwingende Oberfläche trifft und dadurch nochmals eine hochfrequente Umformung erfährt, welche den Draht dann zum Schmelzen bringt. Für den Start des Prozesses kann ein Anteil der erforderlichen Restenergie auch durch eine unterstützende Maßnahme, wie z.B. durch eine Kondensatorentladung, eingebracht werden, um so auch ohne Vorliegen eines bereits heißen Drahtes und Schmelzbades kurzfristig genügend Energie für das Aufschmelzen des Drahtes zur Verfügung zu stellen (Hybrider Prozessstart).
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Dies erlaubt im Unterschied zu den bisher bekannten Sonotroden ein echtes Aufschmelzen und somit Verschweißen von metallischen Fügepartnern anstelle der bisher beim Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern bekannten Verzahnung und Verhakung.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Bohrung eine Länge von mindestens dem 20-fachen ihres Durchmessers auf, vorzugsweise von mindestens dem 30-fachen. Dies bewirkt eine besonders vorteilhafte Vorwärmung des Drahtes.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Sonotrode, wenn das Elastizitätsmodul des Materials der Schutzschicht nur um maximal 30 Prozent vom Elastizitätsmodul des Materials der Sonotrode abweicht und/oder, wenn die Dichte des Materials der Schutzschicht nur um maximal 20 Prozent von der Dichte des Materials der Sonotrode abweicht.
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Die Eigenfrequenz der Sonotrode ist (neben ihrer Geometrie) abhängig von ihrem Elastizitätsmodul und ihrer Dichte. Weichen die Elastizitätsmoduli und/oder die Dichten von Schutzschicht und Sonotrode voneinander ab, so werden mit steigender Abweichung vermehrt Nebenschwingungen angeregt. Die eingebrachte Anregungsenergie wird auf die Eigenschwingung der Sonotrode und die Nebenschwingungen verteilt und dadurch weniger effektiv genutzt. Eigene Versuche haben gezeigt, dass die vorstehend genannten Maximalwerte der Abweichungen für die meisten Anwendungsfälle eine ausreichend effektive Einbringung der Anregungsenergie ergeben, d.h. ein Ultraschallschweißen der meisten Stähle erlauben.
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In weiter bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrode weicht das Elastizitätsmodul des Materials der Schutzschicht nur um maximal 20 Prozent vom Elastizitätsmodul des Materials der Sonotrode ab und/oder die Dichte des Materials der Schutzschicht nur um maximal 15 Prozent von der Dichte des Materials der Sonotrode ab. Dies erweitert den Einsatzbereich der Sonotrode auch auf die vorstehend noch nicht abgedeckten Sonderfälle bzw. hochschmelzenden Stähle.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind das Material der Schutzschicht und das Material der Sonotrode miteinander verschmolzen und gehen kontinuierlich ineinander über. Diese Ausgestaltung mit einem kontinuierlichem Materialübergang erlaubt im Vergleich zu einem bei üblichen Beschichtungsverfahren resultierenden eher diskontinuierlichen Materialübergang die Einbringung deutlich höherer Anregungsenergien, ohne dass dadurch eine Ablösung der Schutzschicht erfolgt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Sonotrode oberflächengehärtet.
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Zum Ultraschallschweißen von Kunststoffen nach dem Stand der Technik werden Sonotroden mit Frequenzen von 15-70 kHz und Amplituden von 5-50 um verwendet. Mit einer Amplitude von ±50µm lassen sich Temperaturen von 450-500°C erreichen. Zum Ultraschallschweißen von Stählen sind höhere Temperaturen und dafür größere Amplituden erforderlich. Mit der Amplitude steigt die dynamische Belastung einer Sonotrode und damit die Gefahr von Rissbildung an ihrer Oberfäche, die zur Zerstörung der Sonotrode führen kann. Die Gefahr der Rissbildung lässt sich durch Oberflächenhärtung senken. Bekannte Verfahren zur Oberflächenhärtung sind das Einbringen von Druckeigenspannungen, zum Beispiel durch Kugelstrahlen oder durch Ultraschall wie in der
DE102020000978A1 beschrieben, oder auch die Ausbildung einer Oxidschicht durch Anodisieren der Oberfläche. Eine Oberflächenhärtung erhöht also die dynamische Belastbarkeit einer Sonotrode und damit ihre Dauerfestigkeit. Dies ist insbesondere für das Ultraschallschweißen von hochfesten Stählen vorteilhaft.
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Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Stahl erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen Wandler zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Ultraschallschwingung, einen Verstärker zum Verstärken der Amplitude der Ultraschallschwingung, eine Sonotrode zum Einleiten der Ultraschallschwingung in den zu schweißenden Werkstoff und eine Zuführeinrichtung zur Zuführung eines Werkstoffes zu einer Schweißzone umfasst, wobei die Sonotrode eine der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen aufweist.
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Eine derart ausgestaltete Vorrichtung erlaubt das Ultraschallschweißen der meisten Stähle.
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Eine derart ausgestaltete Vorrichtung mit einer Sonotrode, deren Material der Schutzschicht eine Schmelztemperatur von mindestens 2.000° C aufweist, hat einen Einsatzbereich, der auch die mit der vorstehend genannten Vorrichtung noch nicht abgedeckten Sonderfälle bzw. hochschmelzenden Stähle umfasst.
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Eine derart ausgestaltete Vorrichtung erlaubt ein echtes Aufschmelzen eines durch die Bohrung der Sonotrode zur und durch die Arbeitsfläche geführten Drahtes und somit ein echtes Verschweißen des zugeführten Drahtmaterials mit dem Material eines metallischen Fügepartners im Gegensatz zu der bisher beim Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern bekannten Verzahnung und Verhakung.
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Eine derart ausgestaltete Vorrichtung ist besonders geeignet zum Ultraschallauftragschweißen.
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Eine derart ausgestaltete Vorrichtung ist besonders geeignet für die Verwendung in einer additiven Fertigung, bei welcher Material schichtweise aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese zusätzlich eine Einrichtung zur Zuführung von Schutzgas zur Arbeitsfläche auf.
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Der Schmelzpunkt von Stahl wird durch Oxidation seiner Oberfläche erhöht. Unter Schutzgas wird eine Oxidation des Stahls und/oder des Schmelzbades verhindert oder zumindest verringert und dadurch die zum Aufschmelzen des Drahtes erforderliche Energieeinbringung reduziert. Dadurch wird der Energiebedarf der Vorrichtung reduziert bzw. bei gleichem Energiebedarf der Einsatzbereich der Vorrichtung zu höherschmelzenden Stählen erweitert.
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In eigenen Versuchen hat sich Argon als geeignetes Schutzgas erwiesen.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Ultraschallschweißen von Stahl erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Sonotrode in einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen verwendet wird und/oder dass eine Vorrichtung mit einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen verwendet wird.
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Ein derart ausgestaltetes Verfahren erlaubt das Ultraschallschweißen der meisten Stähle und bei Verwendung einer Sonotrode, deren Material der Schutzschicht eine Schmelztemperatur von mindestens 2.000° C aufweist, auch das Ultraschallschweißen von hochschmelzenden Stählen.
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Ein derart ausgestaltetes Verfahren erlaubt ein echtes Aufschmelzen eines durch die Bohrung der Sonotrode zur und durch die Arbeitsfläche geführten Drahtes und somit ein echtes Verschweißen des zugeführten Drahtmaterials mit dem Material eines metallischen Fügepartners im Gegensatz zu der bisher beim Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern bekannten Verzahnung und Verhakung.
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Ein derart ausgestaltetes Verfahren ist besonders geeignet zum Ultraschallauftragschweißen.
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Ein derart ausgestaltetes Verfahren ist besonders geeignet für die Verwendung in einer additiven Fertigung, bei welcher Material schichtweise aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich ein Schutzgas zur Arbeitsfläche zugeführt.
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Dadurch wird wie vorstehend bereits erläutert der Energiebedarf zum Aufschmelzen des Drahtes reduziert bzw. bei gleichem Energiebedarf der Einsatzbereich des Verfahrens zu höherschmelzenden Stählen erweitert.
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In eigenen Versuchen hat sich eine Verwendung von Argon als Schutzgas als geeignet erwiesen.
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In weiter vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Sonotrode zu einer Schwingung mit einer Amplitude von mindestens 100 µm angeregt.
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Eigene Versuch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben gezeigt, dass viele Stähle durch Ultraschall mit einer solchen Amplitude aufschmelzbar sind.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird die Sonotrode zu einer Schwingung mit einer Amplitude von mindestens 120 µm angeregt. Diese Amplitude reicht zum Aufschmelzen auch höherschmelzender Stahldrähte wie zum Beispiel solcher aus den Edelstahlklassen 1.4301, 1.4310 und 1.4404.
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Nachfolgend werden anhand der Figuren sowie eines Ausführungsbeispiels die erfindungsgemäße Sonotrode sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallschweißen von Stahl näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren:
- 1: Eine Sonotrode 1 mit einer auf ihrer Arbeitsseite aufgebrachten Schutzschicht S, wobei die Sonotrode 1 und die Schutzschicht S eine Bohrung B aufweisen, durch die ein Draht D zur und durch die Schutzschicht S geführt werden kann.
- 2: Eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Stahl umfassend einen Wandler 4 zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Ultraschallschwingung, einen Verstärker 3 zum Verstärken der Amplitude der Ultraschallschwingung, eine Sonotrode 1 zum Einleiten der Ultraschallschwingung in den zu schweißenden Werkstoff und eine Zuführeinrichtung 2 zur Zuführung eines Werkstoffes zu einer Schweißzone
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Sonotrode 1 aus Vollmaterial der hochfesten und hochschmelzenden Titanlegierung TiAl6V4 gedreht und ihre Oberfläche auf eine Rauhigheit von Rz < 2,5 geglättet.
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Diese Titanlegierung ist ausreichend belastbar um die zum Ultraschallschweißen von Stahl erforderlichen hohen Schwingungsamplituden sowie die hohen Schmelztemperaturen des Werkstoffs Stahl auszuhalten. Die Glättung der Oberfläche senkt das Risiko der Rissbildung und erhöht dadurch die Belastbarkeit.
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Danach wird auf der Arbeitsseite der Sonotrode 1 eine Schutzschicht S mittels Pulverauftragsschweißen aufgebracht. Die Schutzschicht S weist eine Dicke von 300 µm auf und besteht aus einer Legierung, die sich beim Pulverauftragsschweißen eines homogenen Pulvergemisches folgender Zusammensetzung ausbildet: 70% TiAl6V4, 10% Nickel, 8% B4C, 8% TiB2 und 4% TiC (% = Gewichtsprozent).
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Die Legierung der Schutzschicht S weist eine Schmelztemperatur von über 2.200°C auf und erlaubt damit das Ultraschallschweißen von Stahldrähten aus den Edelstahlklassen 1.4301, 1.4310 und 1.4404 oder sogar von noch höherschmelzenden Drähten, ohne dass die Schutzschicht S mit dem Werkstoff des Drahtes D verschmilzt.
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Die Legierung der Schutzschicht S weist ein Elastizitätsmodul von 130.000 Nmm-2 auf während die Titanlegierung TiAl6V4 der Sonotrode 1 ein Elastizitätsmodul von 115.000 Nmm-2 aufweist. Die Abweichung des Elastizitätsmoduli beträgt somit 15.000 Nmm-2 oder 13% vom Elastizitätsmodul des Materials der Sonotrode 1.
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Die Legierung der Schutzschicht S weist eine Dichte von 4,8 g cm-3 auf während die Titanlegierung TiAl6V4 der Sonotrode 1 eine Dichte von 4,43 g cm-3 aufweist. Die Abweichung der Dichten beträgt somit 0,37 g cm-3 oder 8% der Dichte des Materials der Sonotrode 1.
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Derart geringe Abweichungen der Elastizitätsmoduli und der Dichten der Materialien der Schutzschcht S und der Sonotrode 1 gewährleisten die Einbringung der Anregungsenergie hauptsächlich in die Eigenschwingung der Sonotrode 1 und damit deren hohe Effektivität. Dies erlaubt insbesondere das Ultraschallschweißen von Stahldrähten aus den Edelstahlklassen 1.4301, 1.4310 und 1.4404.
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Durch das Auftragsschweißen der Schutzschicht S bildet sich zwischen dem Material der Sonotrode 1 und dem Material der Schutzschicht S ein kontinuierlicher Übergang. Dadurch kann die mit einer derartigen Schutzschicht S versehene Sonotrode 1 im Vergleich zu einer Sonotrode mit einer durch ein übliches thermisches Beschichtungsverfahren aufgebrachten Schutzschicht mit eher diskontinuierlichem Materialübergang, mit viel höheren Anregungsenergien zu viel höheren Schwingungsamplituden angeregt werden, ohne dass dadurch eine Ablösung der Schutzschicht S erfolgt.
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Nach dem Pulverauftragsschweißen der Schutzschicht S auf die Sonotrode S wird eine Bohrung B, durch die ein Draht D zur und durch die Schutzschicht S geführt werden kann, in die Schutzschicht S und in die Sonotrode S erodiert.
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Im Betrieb wird die Sonotrode 1 zu Schwingungen in ihrer spezifischen Eigenfrequenz angeregt, um eine möglichst effektive Energieeinbringung zu erreichen. Ein Draht D, der dabei durch die Bohrung B zur und durch die Schutzschicht S zur Arbeitsfläche der Sonotrode 1 geführt wird, wird in der Bohrung B mit einer Frequenz außerhalb seiner Eigenfrequenz gestreckt und gestaucht und dadurch bereits vor Erreichen der Arbeitsfläche vorgewärmt, so dass im Bereich der Arbeitsfläche nur noch ein vergleichsweise geringer Restenergieeintrag in den Draht D erfolgen muss um den Draht D aufzuschmelzen. Diese Restenergie wird dadurch eingebracht, dass der beim Verlassen der Sonotrode schwingende und bereits glühende Draht auf eine nicht schwingende Oberfläche trifft und dadurch nochmals eine hochfrequente Umformung erfährt, welche den Draht dann zum Schmelzen bringt. Für den Start des Prozesses wird ein Anteil der erforderlichen Restenergie durch eine unterstützende Maßnahme in Form einer Kondensatorentladung eingebracht, um so auch vor dem Vorliegen eines bereits heißen Drahtes und Schmelzbades kurzfristig genügend Energie für das Aufschmelzen des Drahtes zur Verfügung zu stellen (Hybrider Prozessstart).
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Dies erlaubt im Unterschied zu den bisher bekannten Sonotroden ein echtes Aufschmelzen und somit Verschweißen von metallischen Fügepartnern anstelle der bisher beim Ultraschallschweißen von metallischen Fügepartnern bekannten Verzahnung und Verhakung.
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Die Bohrung B weist einen Durchmesser von 500 um auf, um einen Draht D mit einem Durchmesser von 400 µm zu führen. Die Bohrung B beginnt seitlich an der Sonotrode 1 (Drahteintritt), führt längs durch die Sonotrode 1 und durch die Schutzschicht S und endet auf der Außenseite der Schutzschicht S (Drahtaustritt) und weist eine Länge von 15 mm auf. Damit beträgt die Länge der Bohrung B das 30-fache ihres Durchmessers.
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Dieses Längen-Durchmesser-Verhältnis der Bohrung B ermöglicht es einen Draht D aus den Edelstahlklassen 1.4301, 1.4310 und 1.4404 aufzuschmelzen.
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Nach dem Erodieren der Bohrung B wird die mit der Schutzschicht S versehene Sonotrode 1 anodisiert und dadurch auf ihrer gesamten Oberfläche mit einer circa 50 µm dicken hochfesten und hochtemperaturbeständigen Oxidschicht versehen.
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Diese Oxidschicht erhöht die Festigkeit der Sonotrode 1 auf über 400 HV und damit derart, dass sie auf Dauer mit einer Amplitude von 120 µm angeregt werden kann ohne dadurch geschädigt oder gar zerstört werden. Außerdem verhindert die höhere Temperaturbeständigkeit der Oxidschicht auf der Innenwand der Bohrung B ein Anhaften des heißen Drahtes D an der Innenwand der Bohrung B.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Stahl umfasst neben der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Sonotrode 1 eine Zuführeinrichtung 2 zur Zuführung eines Werkstoffes in Form eines Drahtes D zu einer Schweißzone vor der Arbeitsfläche der Sonotrode 1, sowie zur Schwingungsanregung der Sonotrode 1 einen Wandler 4 zum Wandeln einer Wechselspannung in eine Ultraschallschwingung und einen Verstärker 3 zum Verstärken der Amplitude der Ultraschallschwingung.
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Dabei ist die Zuführeinrichtung 2 durch eine handelsübliche Drahtzuführeinrichtung eines üblichen Schweißgerätes gegeben. Gleichermaßen sind der Verstärker 3 und der Wandler 4 handelsüblich ausgestaltet.
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Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Zuführung von Schutzgas zur Arbeitsfläche auf.
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Das Schutzgas verhindert oder verringert zumindest eine Oxidation des Stahls und/oder des Schmelzbades und reduziert dadurch die zum Aufschmelzen des Drahtes D erforderliche Energieeinbringung. Dadurch wird der Energiebedarf der Vorrichtung reduziert bzw. bei gleichem Energiebedarf der Einsatzbereich der Vorrichtung zu höherschmelzenden Stählen erweitert.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallschweißen von Stahl wird die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Stahl mit der erfindungsgemäßen Sonotrode 1 verwendet.
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Dabei wird die Sonotrode 1 mit ihrer Eigenfrequenz von 20 kHz und einer Amplitude von 120 µm zum Schwingen angeregt.
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Dabei wird ein Draht D aus Edelstahl 1.4301 mittels der Zuführeinrichtung 2 durch die Sonotrode 1 und die Schutzschicht S zu einer Schweißzone vor der Arbeitsfläche der Sonotrode 1. Der Draht D wir wie vorstehend beschrieben innerhalb der Bohrung B vorgewärmt und in der Schweißzone aufgeschmolzen. Diese Restenergie wird dadurch eingebracht, dass der beim Verlassen der Sonotrode schwingende und bereits glühende Draht auf eine nicht schwingende Oberfläche trifft und dadurch nochmals eine hochfrequente Umformung erfährt, welche den Draht dann zum Schmelzen bringt. Für den Start des Prozesses wird ein Anteil der erforderlichen Restenergie durch eine unterstützende Maßnahme in Form einer Kondensatorentladung eingebracht, um so auch vor dem Vorliegen eines bereits heißen Drahtes und Schmelzbades kurzfristig genügend Energie für das Aufschmelzen des Drahtes zur Verfügung zu stellen (Hybrider Prozessstart).
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Die kontinuierliche Zufuhr des Schutzgases Argon verhindert eine Oxidation des Drahtes und des Schmelzbades und reduziert dadurch die zum Aufschmelzen des Drahtes D erforderliche Energieeinbringung. Dadurch wird der Energiebedarf des Verfahrens reduziert bzw. bei gleichem Energiebedarf der Einsatzbereich des Verfahrens zu höherschmelzenden Stählen erweitert.
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Die erfindungsgemäße Sonotrode sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallschweißen erweitern das Anwendungsspektrum des Ultraschallschweißens auf weitere Werkstoffe, insbesondere auf Stähle.
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Bevorzugte Anwendungen sind das Ultraschallauftragschweißen von Stählen und insbesondere eine Anwendung bei der additiven Fertigung dreidimensionaler Gegenstände oder Werkstücke.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonotrode
- S
- Schutzschicht
- B
- Bohrung
- D
- Draht
- 2
- Zuführeinrichtung
- 3
- Verstärker
- 4
- Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210376 A1 [0001]
- DD 216416 B1 [0001]
- DE 102020000978 A1 [0017]
