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 sowie 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 Polystyrol 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
• Dichtigkeit
• Optik
• Schmelzeaustrieb 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 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.

3. Haltephase: Das Werkstück wird positionsgenau gehalten und kühlt unter Nachdruck ab, bei dem die Sonotrode geringfügig nachsackt .

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 Variable und ändern sich entsprechend.

Zeitabhängiges Schweißen

Der Schweißprozess wird nach Ablauf einer vorprogrammierten Zeit abgeschaltet. Leistung und Weg sind Variable und ändern sich entsprechend.

Energieabhängiges Schweißen

Eine vorgegebene Energiemenge (in Joule) muss in das zu schweißende Teil einfließen. Zeit und Weg sind Variable und ändern sich entsprechend.

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.

Arbeitsdruck: Pneumatikdruck im Vorschubzylinder. Der Arbeitsdruck wird anhand der Leistung, Fügefläche und der Teilegröße festgelegt.

Absinkgeschwindigkeit: Einstellbare Vorfahrgeschwindigkeit des Vorschubzylinders.

Schweißzeit: Ultraschall - Einwirkzeit auf das zu schweißende Teil.

Haltezeit: Zeitlicher Krafteinfluss auf die Fügezone während der Erstarrung.

Triggerdruck: Ultraschall - Auslösekraft, deren zeitlicher Aufbau über die Absinkgeschwindigkeit gesteuert wird.

Vorteile des Ultraschallschweißen

• 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. Dadurch ist ein sortenreines Recycling möglich
• Das Ultraschallschweißen benötigt nur einen Bruchteil der Energie, die für andere thermische Schweißverfahren notwendig sind.

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.

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