Verfahrensbeschreibung für Ultraschallschweißen
Die Ultraschallschwingungen werden in einem Generator erzeugt, welcher die eingehende
Netzspannung in hochfrequente Energie umwandelt. Diese hochfrequente elektrische Energie wird
über den Schallwandler (Konverter) in mechanische Schwingungsenergie gleicher Frequenz
umgewandelt.
Die gesamte Resonanzeinheit besteht aus Generator, Konverter, Amplitudentransformationsstück
und Sonotrode und arbeitet in Resonanz. Beim Ultraschallschweißen wird die zum plastifizieren
benötigte Wärme durch die Umwandlung von Ultraschallschwingungen in mechanische
Schwingungen erzeugt und mit einem bestimmten Anpressdruck über die Sonotrode dem zu
schweißendem Werkstück zugeleitet. Die Kunststoffbauteile fungieren hier als Energieträger.Die
auf das Werkstück auftreffenden mechanischen Schwingungen werden absorbiert und an der
Grenzfläche reflektiert. Aufgrund der entstehenden Grenzflächen- und Molekularreibung entsteht
Wärme, die den Kunststoff anschmelzen lässt. Die durch die stark dämpfende Kunststoffschicht
entstehende Schallsperre führt zu einem zusätzlichen Aufschmelzen des Kunststoffes und so zu
einer Beschleunigung der Reaktion.
Beim Ultraschallschweißen wird zwischen Fernfeldschweißen und Nahfeldschweißen
unterschieden.
Von Fernfeldschweißen wird gesprochen, wenn die Auflage der Sonotrode weiter als 6 mm von der
eigentlichen Schweißzone entfernt ist. Bei diesem Verfahren wird die Energie über eine
Werkstückhälfte übertragen. Geeignet sind all die Kunststoffe, die die mechanische
Schwingungsenergie bis zur Fügefläche weitgehend verlustarm übertragen. Hierzu gehören
Polystrol und seine Mischpolymerisate, Polycarbonat, Methacrylate und andere.
Konstruktion der Fügezonen
Die Fügezonengeometrie hat einen wesentlichen Einfluss auf das Schweißergebnis. Bei der
Konstruktion sind daher folgende
Gesichtspunkte zu berücksichtigen.
- Schweißnahtbelastung
- Dichtheit
- Optik
- Schmelzaustrieb nach Innen und Außen
- Kunststoffmaterial
- Positionierung und Spiel zwischen beiden Teilen
- Auflagefläche der Sonotrode
- Auflagefläche im Aufnahmewerkzeug
- Lage der Fügezonen
Durch einen Energierichtungsgeber wird eine gezielte und konzentrierte Energieeinleitung erreicht.
Fehlt der Energierichtungsgeber, wird die Schweißzeit unnötig verlängert. Zudem kommt es,
anstatt zur Nahtbildung zur Flächenverschweißung, woraus mangelnde Festigkeit und
Uneinheitlichkeit des Schweißergebnisses resultiert. Eine thermische Schädigung des Materials
kann ebenfalls nicht ausgeschlossen werden.
Die Quetschnaht wird vorzugsweise für das Verschweißen teilkristalliner Thermoplaste eingesetzt.
Quetschnähte können aber auch bei amorphen Kunststoffen zur Anwendung kommen, besonders
dann, wenn dichte oder hochfeste Schweißverbindungen erzielt werden sollen.
Die drei Phasen des Ultraschallschweißens
1. Startphase: Anschmelzen des Energierichtungsgebers (ERG)
2. Abschmelzphase: Bei weiterer Wärmezufuhr wird weitere Schmelze erzeugt und es entsteht
eine komplette Ankopplung von Ober- und Unterteil.
2. Haltephase: Das Werkstück wird positionsgenau gehalten und kühlt unter Nachdruck bei dem
die Sonotrode geringfügig nachsackt ab.
Schweißarten
- Wegabhängiges Schweißen
- Relativ: Das Stoppen des Ultraschalls wird ausgehend vom Triggerpunkt definiert.
- Absolut: Das Stoppen des Ultraschalls wird von der Werkzeugnullposition aus definiert.
Das Absinken nach dem Stopp aufgrund des Haltedrucks ist in beiden Fällen mit zu berechnen.
Leistung und Zeit sind Variablen und ändern sich entsprechend.
Zeitabhängiges Schweißen
Der Schweißprozess wird nach Ablauf einer vorprogrammierten Zeit abgeschaltet. Leistung und
Weg sind Variablen und ändern sich entsprechend.
Energieabhängiges Schweißen
Eine vorgegeben Energiemenge (in Joule) muss in das zu schweißende Teil einfließen. Zeit und
Weg sind Variablen und ändern sich entsprechend.
Die Prozessparameter beim Ultraschallsschweißen
- Die Amplitude: Schwingungsweite im µm Bereich, die durch die Booster-
Sonotrodenkombination und die Ausgangsamplitude des Generators bestimmt wird. Sie ist
abhängig von dem zu schweißendem Material.
- Der Arbeitsdruck: Pneumatikdruck im Vorschubzylinder. Der Arbeitsdruck wird anhand der
Leistung, Fügefläche und der Teilegröße festgelegt.
- Die Absinkgeschwindigkeit: Einstellbare Vorfahrgeschwindigkeit des Vorschubzylinders.
- Die Schweisszeit: Ultraschall Einwirkzeit auf das zu schweißende Teil.
- Die Haltezeit: Zeitlicher Krafteinfluss auf die Fügezone während der Erstarrung.
- Der Triggerdruck: Ultraschallauslösekraft, dessen zeitlicher Aufbau über die Absink-
geschwindigkeit gesteuert wird.
Die Vorteile des Ultraschallschweißens
- Das Ultraschallschweißen bietet den Vorteil, dass sich dreidimensionale Fügenähte bei
kurzen Schweißzyklen realisieren lassen.
- Eine Nachbearbeitung der Schweißnähte ist nicht notwendig.
- Ultraschallschweißen ist umweltfreundlich, da keinerlei Klebstoffe benötigt werden.
So ist ein sortenreines Recycling möglich
- Das Ultraschallschweißen benötigt nur einen Bruchteil der Energie die für andere
thermische Schweißverfahren notwend.
Ultraschall Prinzip
Sonotroden
Die Sonotrode muss vollflächig am Werkstück anliegen, um eine optimale Schallübertragung zu
gewährleisten. Ein seitliches Verschieben des Werkstückes ist durch das Aufnahmewerkzeug zu
verhindern.
Maschinentechnik
KLN bietet im Standard – Schweißmaschinenbereich die bewährte Omega III Serie mit
pneumatischem Antrieb oder servoelektronischem Antrieb an. Für die Lösung Ihrer individuellen
Schweißaufgabe wenden Sie sich bitte an unsere Fachleute.
Prinzipieller Aufbau einer pneumatischen Ultraschallschweißmaschine
Schweißnahtgestaltung
Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung ist eine fachgerechte und
anwendungsbezogene Fügenaht-Gestaltung. Gerne stehen wir Ihnen bei der schweißgerechten
Auslegung Ihrer Kunststoffteile mit Rat und Tat zur Verfügung.
Die Verfahrensbeschreibungen wurden auf die wichtigsten Grundlagen beschränkt. Gemäß Teledienstgesetz weisen
wir darauf hin, dass unsere Verfahrensbeschreibungen KLN - Produkt- und Firmeninformationen enthalten. Alle
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