Eerder kon u in Metallerie een artikel lezen over ultrasoon lassen van gelijksoortige en ongelijksoortige materialen. We gaven toen een technisch onderzoeksverslag met diepgaande experimentele resultaten uit het ULTRALAS-project. Dit vervolgartikel legt de nadruk op de praktische relevantie en toepasbaarheid van ultrasoon lassen en kadert in het pre-normatief project, met als doel normontwikkeling te ondersteunen.
Ultrasoon lassen van (on)gelijksoortige materialen
Ontwikkeling van een normatief kader
Het ULTRALAS-project beoogt de ontwikkeling van een normatief kader voor het ultrasoon lassen. Dit is een lasproces in vaste toestand, waarbij gebruikt wordt gemaakt van hoogfrequente oscillaties en een statische drukkracht. Ultrasoon lassen biedt een goede lasbaarheid voor ongelijksoortige metaalverbindingen (bv. koper aan aluminium) en wint, dankzij de hoge snelheid en precisie, aan belang in de context van het produceren van batterijen, en elektrische en elektronische onderdelen.
Ultrasoon lassen
Bij het ultrasoon lassen wordt een verbinding tot stand gebracht door de plaatselijke opwekking van wrijvingsenergie, via trillingen met een hoge frequentie (20-40 kHz), terwijl de werkstukken met een statische kracht bij elkaar worden gehouden. De tip van de sonotrode staat in rechtstreeks contact met het bovenste werkstuk. Het andere werkstuk is vastgemaakt aan het aambeeld zodat dit niet kan bewegen tijdens het lassen (zie figuur 1).
De ultrasone trillingen worden opgewekt door de transducer, waarna zij via een sonotrode in de werkstukken worden overgebracht. Een drukkracht wordt uitgeoefend door de sonotrode, terwijl het aambeeld de werkstukken ondersteunt. Het genereren van warmte en het tot stand brengen van de verbinding gebeurt door de wrijving in de contactoppervlakken, gevolgd door een kleine vervorming. Een metallurgische verbinding wordt gevormd zonder smelten van het basismateriaal, aangezien de temperaturen ruim onder de smelttemperatuur blijven.
Procesparameters
Bij ultrasoon lassen bepalen verschillende parameters de laskwaliteit. Een stabiele ultrasone frequentie zorgt voor een consistente energieoverdracht, terwijl de vibratieamplitude de mechanische energie bepaalt die naar het lasoppervlak wordt overgebracht. De meeste ultrasoon lassystemen voor metaalverbindingen functioneren met een frequentie tussen 20 en 40 kHz. Hoge amplitudes verbeteren de energieoverdracht, maar kunnen bij overmaat materiaalbeschadiging veroorzaken. De vibratieamplitude varieert doorgaans tussen 10 en 100 µm, waarbij hogere waarden de lasvorming verbeteren. Echter, een te hoge amplitude kan materiaalbeschadiging of ongewenste vervorming veroorzaken.
De drukkracht zorgt ervoor dat de materialen stevig op hun plaats blijven tussen de sonotrode en het aambeeld, en oefent de benodigde statische druk uit op de lasinterface. Een juiste afstelling voorkomt slip en overmatige vervorming, wat de processtabiliteit waarborgt.
De warmte-inbreng, die nauw samenhangt met de lastijd, levert de noodzakelijke warmte en mechanische vervorming voor de vorming van de las. Een optimale lastijd zorgt voor een efficiënte energieoverdracht en bevordert een sterke metallurgische binding. Bij een te korte lastijd kan de las zwak of onvolledig zijn; een te lange lastijd kan oververhitting veroorzaken, wat leidt tot materiaaldegradatie en een verminderde sterkte van de verbinding.
Het vinden van de juiste balans tussen deze parameters is belangrijk voor het produceren van sterke, betrouwbare verbindingen die zijn afgestemd op specifieke materialen.
Toepassingen
Toepassingen zijn te vinden in een veelheid van industriële sectoren, variërend van elektrische toepassingen, elektronica, sensoren, automobielindustrie, ruimtevaartindustrie, medische toepassingen en verpakkingstechnologie. Ultrasoon lassen wordt gebruikt om onderdelen te verbinden bij de productie van elektronische apparaten zoals mobiele telefoons, computers en televisies.
Een belangrijke hedendaagse toepassing is het lassen van elektrische connecties voor batterijsystemen (batterijcellen en -pakketten, busbars, batterijkabels, etc.) en elektrische wagens. Aluminium, dat op andere manieren relatief moeilijk te lassen is vanwege de oxidelaag, is met ultrasoon lassen uitstekend te lassen.
Materiaalcombinaties
Ultrasoon lassen is een steeds populairdere methode geworden voor het verbinden van zowel gelijke als verschillende metalen, en biedt tal van voordelen zoals een korte lasduur, een laag energieverbruik en de mogelijkheid om materialen te verbinden zonder dat de materialen smelten. Deze voordelen hebben geleid tot de brede toepassing in verschillende industrieën.
Eén van de meest opvallende toepassingen is het verbinden van aluminium en koper, waarbij ultrasoon lassen een effectief alternatief biedt voor traditionele lastechnieken. Deze techniek tackelt de uitdagingen die ontstaan door de verschillende eigenschappen van deze metalen, zoals de verschillende smeltpunten en thermische geleidbaarheid. Veelgebruikte combinaties in ultrasoon lassen zijn onder andere aluminium-koper en koper-koper.
Figuur 3 toont verschillende metalen en hun legeringen, en geeft aan welke materialen succesvol kunnen worden gelast. De meeste metalen kunnen aan zichzelf worden gelast, met uitzondering van germanium (Ge) en silicium (Si). Aluminium steekt hierbij uit door zijn uitstekende lasbaarheid en kan met alle metalen in de grafiek worden verbonden. Andere materialen met goede lasbaarheid zijn koper, goud, zilver en platina.
In het algemeen wordt de lasbaarheid beïnvloed door het vermogen van een materiaal om plastische vervorming te ondergaan. Hierdoor spelen hardheid en vloeigrens een belangrijke rol bij het ultrasoon lassen, waarbij hardere en sterkere materialen moeilijker te lassen zijn.
Koper – koper
Ultrasoon lassen is een effectieve methode voor het verbinden van koperen (Cu) componenten, waarbij gebruik wordt gemaakt van de uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en hoge corrosieweerstand van het materiaal.
Koper wordt veel gebruikt in toepassingen zoals de fabricage van batterijpacks, waar componenten zoals busbars, geleidingsstroken, elektroden en celltabs betrouwbare lasverbindingen vereisen voor efficiënte energieoverdracht en duurzaamheid. In lithium-ion batterijpacks zijn betrouwbare Cu-Cu-verbindingen essentieel voor optimale prestaties, vooral in elektrische voertuigen.
Ultrasoon lassen biedt een snel en energie-efficiënt proces dat zorgt voor sterke, duurzame koperen lasverbindingen zonder de noodzaak aan extra materialen. Een typische doorsnede van een dergelijke las is te zien in figuur 5.
Koper – aluminium
Ultrasoon lassen is een effectieve techniek voor het verbinden van koper en aluminium, twee metalen die veel gebruikt worden in verschillende industrieën vanwege hun uitstekende elektrische geleidbaarheid en hun lichte gewicht.
Dit proces is vooral waardevol in toepassingen zoals de productie van lithium-ion batterijen, waarbij koperen en aluminium onderdelen efficiënt en betrouwbaar moeten worden verbonden. In de auto-industrie, bijvoorbeeld, wordt ultrasoon lassen gebruikt om busbars in elektrische voertuigen te verbinden, wat een duurzame en energie-efficiënte oplossing biedt voor het verbinden van deze materialen. Figuur 7 toont een typische dwarsdoorsnede van een las tussen koper en aluminium.
ULTRALAS
Tot op heden zijn er geen normen voorhanden voor het ultrasoon lasproces. Dit bemoeilijkt de verdere implementatie ervan in de industrie, en dus ook de te realiseren voordelen. De doelstelling van het ULTRALAS-project is het uitvoeren van onderzoek voor het genereren van alle noodzakelijke kennis en gegevens voor de toekomstige ontwikkeling van een norm voor dit lasproces; zoals informatie over mechanische eigenschappen, lasbare materialen, materiaalcombinaties en afmetingen, aanbevelingen wat betreft de minimum uit te voeren beproevingen, geschikte lasparameters en lasvensters, kwaliteitseisen en aanvaardingscriteria, en dit voor een breed gamma aan materialen.
Het BIL draagt op die manier bij aan de ontwikkeling van normen en richtlijnen die de veiligheid en betrouwbaarheid van ultrasoon gelaste stukken garanderen. Het creëren van een normatief kader zal helpen bij de verdere verspreiding van deze innovatieve lastechnologie en zal drempelverlagend werken voor de implementatie ervan in de industrie.
Dit pre-normaliseringsproject wordt ondersteund door de FOD Economie (Project nr. CCN/NBN/PN2023A68).
