Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung in Automobilen immer häufiger auf Aluminiumleiter umgestellt. Das Einsparpotenzial ist dabei besonders groß, wenn die Batterie – aus Gründen einer ausgewogenen Gewichtsverteilung – im Heck des Fahrzeugs untergebracht ist. Die Batterie muss dann allerdings über eine relativ weite Strecke mit den Komponenten im Motorraum verbunden werden. Klassische Kabel sind dafür meist nicht mehr das Mittel der Wahl. Heute sorgen immer häufiger Aluminium-Rundleiter für die sichere Stromversorgung von der Batterie in den Motorraum, und das aus gutem Grund: Sie lassen sich einfacher herstellen und, da sie besonders einfach gebogen werden können, gut an unterschiedliche Fahrzeugformen anpassen.

Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung im Auto Zug um Zug auf Aluminiumleiter umgestellt.

Um Gewicht und Kosten zu sparen, wird die Energieverteilung im Auto Zug um Zug auf Aluminiumleiter umgestellt. Abele Ingenieure

 

Sichere Kontaktierung im Motorraum

Gegenüber Kupferkabeln hat eine Aluminiumstromschiene einige Vorteile. So ist der massive Aluminiumleiter dreidimensional formbar und wiegt nur etwa die Hälfte des herkömmlichen Bauteils aus Kupfer. Die absolute Gewichtseinsparung kann deshalb allein bei der Batterieverbindung durchaus mehrere Kilogramm betragen. Im Vergleich zu einem mehradrigen Kupferkabel mit einem Durchmesser von 15,5 mm hat die Alu-Schiene zudem bei identischer Leitfähigkeit nur etwa 14 mm Durchmesser, was dem immer knapper werdenden Bauraum in modernen Autos Rechnung trägt. Die runden Aluminium-Busbars werden aus einem thermoplastisch isolierten Rohling gefertigt und zur Anpassung an den jeweiligen Fahrzeugtyp dreidimensional gebogen. Die Handhabung dieser starren Busbars ist wesentlich einfacher als beim biegeschlaffen Kabel. Das kommt dem Autohersteller beim Einbau zugute. Mit wenigen Handgriffen lässt sich das Bauteil an entsprechenden Clips am Fahrzeugboden befestigen.

Sorgt für sichere Stromversorgung in Fahrzeugen: Mit torsionaler Ultraschall-Technik verschweißter Anschlussbolzen.

Sorgt für sichere Stromversorgung in Fahrzeugen: Mit torsionaler Ultraschall-Technik verschweißter Anschlussbolzen. Telsonic

Damit der Kontakt im Motorraum sicher gelingt, wird am vorderen Ende der Busbar ein etwa 30 mm langer Verbindungsbolzen mit Schraubgewinde auf das Aluminium aufgeschweißt. Zuvor wird dieser Bolzen in eine Kupfer-Nickel-Hülse eingepresst, die sich mit dem Aluminium besser verbinden lässt. Durch die Vernickelung des kupfernen Kontaktierungssockels ist außerdem das Korrosionsrisiko zum Aluminium hin zu vernachlässigen. Gleichzeitig erhöht sich die Schweißfestigkeit im Vergleich zu einer Kupfer-Aluminiumverbindung erheblich. Dank des von Telsonic entwickelten torsionalen Ultraschallschweißverfahrens Soniqtwist lassen sich dann der Bolzen und die Aluminiumstromschiene schnell und sicher miteinander verbinden: Per pick-and-place wird der zugeführte Bolzen einem Magazin entnommen und für den Schweißvorgang exakt auf dem Busbar unter der Sonotrode positioniert. Für eine hohe Wiederholgenauigkeit und um die Qualität bei der großen Beanspruchung zu sichern, ist der Amboss wassergekühlt. Der Schweißvorgang dauert dann nur etwa 1 s. Aktuelle Werte liegen zurzeit bei über 700.000 Stück pro Jahr und Anlage.

 

Hochfeste Schweißverbindungen

Beim Ultraschallschweißen überträgt ein akustisch ausgelegtes Werkzeug hochfrequente Schwingungen. Durch diese hochfrequenten, mechanischen Schwingungen wird der oben aufliegende Fügepartner in Schwingung versetzt, wohingegen der untere Fügepartner durch das Gegenwerkzeug („Amboss“) am Mitschwingen gehindert wird. Dadurch entsteht Wärme, die Materialgrenzen, also Oxidschichten „aufbricht“ und die Fügepartner dadurch miteinander verschweißt. Man spricht hier auch von einer Diffusionsschweißung. Beim torsionalen Verfahren wird die Sonotrode nun durch einen Torsionalschwinger angeregt und tordiert infolgedessen in hoher Frequenz wechselweise bis zu 40 μm nach rechts und links. Durch dieses „Tordieren“ können sehr große Kräfte und Leistungen in die Schweißfläche eingeleitet werden und auch dickere Werkstücke lassen sich mit großer Festigkeit verbinden. Die Schweißpunkte sind deutlich höher verdichtet und damit noch fester als beim klassischen Ultraschallschweißen.

Torsionale Ultraschallschweißanlage in Portalbauweise. Per pick-and-place werden die Gewindebolzen zugeführt und mit dem Aluminium-Busbar verbunden. Der Schweißvorgang dauert nur 0,9 s.

Torsionale Ultraschallschweißanlage in Portalbauweise. Per pick-and-place werden die Gewindebolzen zugeführt und mit dem Aluminium-Busbar verbunden. Der Schweißvorgang dauert nur 0,9 s. Telsonic

Die torsionale Ultraschallschweißtechnik erzeugt aber nicht nur innerhalb kurzer Zeit hochfeste Verbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, sondern ist auch noch umweltfreundlich, da es keine Zusatzstoffe wie Kleber, Lot oder sonstiges Verbrauchsteile braucht. Der Prozess ist zuverlässig und sicher, da der Schweißvorgang nur über wenige Parameter konfiguriert wird und sich einfach überwachen lässt. Der Ultraschallgenerator mit einer Leistung von 10 kW arbeitet mit einer Frequenz von 20 kHz. Die menügeführte Software mit Touchscreen-Bedienung und übersichtlicher Gliederung lässt ein effizientes Einrichten und Arbeiten zu. Die vorgeschriebene Qualitätskontrolle erleichtern Qualitäts-Toleranzfenster, welche im Einrichtbetrieb für alle Schweißresultate eingestellt werden. Für Schweißzeit sowie maximale Leistung lassen sich obere und untere Grenzwerte setzen, deren Über- oder Unterschreiten eine Warnmeldung auslöst. Statistische Auswertungen, automatisches Kalibrieren, das Maintenance-Menü für Wartungsarbeiten, Referenzbetrieb und ein Ultraschall-Testmodus ergänzen die Funktionen. Durch diese Flexibilität lassen sich Bolzen an beliebige Busbars für ganz unterschiedliche Fahrzeugtypen schweißen; individuelle Fertigung bis hin zu Losgröße 1 ist damit kein Problem.