Parameter des Ultraschallschweißprozesses
Die wichtigsten Prozessparameter beim Ultraschallschweißen sind: Amplitude, Schweißzeit, Haltedruckzeit, Schweißdruck, Frequenz usw. Die beste Schweißspezifikation hängt von den zu schweißenden Komponenten und den verwendeten Schweißgeräten ab. Die Einstellung der Schweißparameter hängt von der Größe und Steifigkeit des Teils ab, insbesondere vom Abstand zwischen dem Kontaktpunkt des Schweißkopfes und der Schweißverbindung. Die Schweißfähigkeit wird durch die Fähigkeit des Kunststoffs&begrenzt, Ultraschallschwingungen zu übertragen (und die Teile werden nicht beschädigt).
1 Frequenz
Üblicherweise verwendete Frequenzen für Ultraschall sind 20, 30 und 40 kHz, und 15 kHz werden häufig für teilkristalline Kunststoffe verwendet. 20 kHz ist die am häufigsten verwendete Ultraschallfrequenz, da die Amplitude und Leistung, die zum Schmelzen von Thermoplasten bei dieser Frequenz erforderlich sind, leicht zu erreichen sind, es jedoch viele mechanische Schwingungen erzeugen kann, die schwer zu kontrollieren sind, und das Werkzeug sehr groß wird. Eine höhere Frequenz (40 kHz), die weniger Vibrationen erzeugt, ist möglich und wird im Allgemeinen zum Schweißen von technischen Kunststoffen und verstärkten Polymeren verwendet. Zu den Vorteilen von Hochfrequenzschweißgeräten gehören: Geräuscharm, kleine Teilegröße, verbesserter Teileschutz (aufgrund der Verringerung der zyklischen Beanspruchung und der unselektiven Erwärmung des Außenbereichs der Verbindungsgrenzfläche), verbesserte mechanische Energiesteuerung, niedrigerer Schweißdruck und schneller Verarbeitungsgeschwindigkeit. Der Nachteil ist, dass es aufgrund der geringen Größe der Teile, der verringerten Leistungskapazität und der verringerten Amplitude schwierig ist, Fernfeldschweißen durchzuführen. Hochfrequenz-Ultraschallschweißgeräte werden normalerweise zum Schweißen kleiner Präzisionsteile (wie z. B. elektrischer Schalter) und Teile verwendet, die weniger Materialverschlechterung erfordern. Der 15-kHz-Schweißer kann die meisten Thermoplaste schnell schweißen, in den meisten Fällen weniger Materialverschlechterung als der 20-kHz-Schweißer. Teile, die mit 20 kHz kaum geschweißt werden können (insbesondere solche aus Hochleistungsgummi- und Kunststofftechnologie und -geräten), können mit 15 kHz effektiv geschweißt werden. Bei niedrigeren Frequenzen hat der Schweißkopf eine längere Resonanzlänge und kann in allen Dimensionen größer gemacht werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von 15 kHz besteht darin, dass im Vergleich zur Verwendung höherer Frequenzen die Dämpfung von Ultraschallwellen in Kunststoffen erheblich reduziert wird, wodurch weichere Kunststoffe geschweißt werden und größere Fernfeldabstände möglich sind.
2 Amplitude
Erfolgreiches Schweißen hängt von der richtigen Amplitude des Schweißkopfendes ab. Für alle Horn / Schweißkopf-Kombinationen ist die Amplitude fest. Wählen Sie die Amplitude entsprechend dem zu schweißenden Material, um einen geeigneten Schmelzgrad zu erzielen. Im Allgemeinen benötigen teilkristalline Kunststoffe mehr Energie als nichtkristalline Kunststoffe und erfordern daher eine größere Amplitude des Spitzenendes. Die Prozesskontrolle an modernen Ultraschallschweißgeräten ermöglicht eine Abstufung. Die hohe Amplitude wird verwendet, um mit dem Schmelzen zu beginnen, und die niedrige Amplitude wird verwendet, um die Viskosität des geschmolzenen Materials zu steuern. Durch Erhöhen der Amplitude wird die Schweißqualität des Scherverbindungs-Konstruktionsteils verbessert. Bei Stoßverbindungen verbessert sich mit zunehmender Amplitude die Schweißqualität und die Schweißzeit nimmt ab. Beim Ultraschallschweißen mit Energieführungsstäben hängt die durchschnittliche Wärmeverlustrate (Qavg) vom zusammengesetzten Verlustmodul (Eʺ), der Frequenz (ω) und der wirkenden Dehnung (ε 0) des Materials ab: Qavg=ωε 02 Eʺ / 2
Der zusammengesetzte Verlustmodul von Thermoplasten hängt eng mit der Temperatur zusammen. Wenn der Schmelzpunkt oder die Glasübergangstemperatur erreicht ist, steigt der Verlustmodul und mehr Energie wird in Wärme umgewandelt. Nach dem Start der Erwärmung steigt die Temperatur an der Schweißgrenzfläche stark an (bis zu 1 000 ℃ / s). Die wirkende Dehnung ist proportional zur Amplitude des Schweißkopfes, so dass die Erwärmung der Schweißschnittstelle durch Ändern der Amplitude gesteuert werden kann. Die Amplitude ist ein wichtiger Parameter, der die Durchflussrate der thermoplastischen Extrusion steuert. Wenn die Amplitude hoch ist, ist die Heizgeschwindigkeit der Schweißgrenzfläche höher, die Temperatur steigt und das geschmolzene Material fließt schneller, was zu einer Erhöhung der molekularen Orientierung, einer großen Anzahl von Blitzen und einer geringeren Schweißfestigkeit führt. Eine hohe Amplitude ist erforderlich, um mit dem Schmelzen zu beginnen. Eine zu niedrige Amplitude führt zu ungleichmäßigem Schmelzen und vorzeitiger Verfestigung der Schmelze. Wenn die Amplitude erhöht wird, wird eine größere Menge an Vibrationsenergie in dem Thermoplasten verbraucht, und die zu schweißenden Teile werden einer größeren Belastung ausgesetzt. Wenn die Amplitude während des gesamten Schweißzyklus konstant ist, wird normalerweise die höchste Amplitude verwendet, die die zu schweißenden Teile nicht übermäßig beschädigt. Bei kristallinen Kunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen ist der Einfluss der Amplitude viel größer als bei nichtkristallinen Kunststoffen wie ABS und Polystyrol. Dies kann auf den Bedarf an mehr Energie zum Schmelzen und Schweißen von kristallinen Kunststoffen zurückzuführen sein. Die Amplitude kann mechanisch (durch Ändern der Hupe oder des Schweißkopfes) oder elektrisch (durch Ändern der dem Wandler zugeführten Spannung) eingestellt werden. In der Praxis verwendet die größere Amplitudeneinstellung ein mechanisches Verfahren und das feinere ein elektrisches Verfahren. Materialien mit hohem Schmelzpunkt, Fernfeldschweißnähte und teilkristalline Kunststoffe erfordern im Allgemeinen eine größere Amplitude als nichtkristalline Kunststoffe und Nahfeldschweißnähte. Der typische Gesamtamplitudenbereich von amorphen Kunststoffen beträgt 30-100 μm, während der von kristallinen Kunststoffen 60-125 μm beträgt. Durch die Amplitudenprofilierung kann ein guter Schmelzfluss und eine konstant hohe Schweißfestigkeit erzielt werden. Für kombinierte Amplituden- und Kraftniveaus werden hohe Amplitude und Kraft verwendet, um mit dem Schmelzen zu beginnen, und dann nehmen Amplitude und Kraft ab, um die molekulare Orientierung entlang der Schweißlinie zu verringern.
3 Schweißzeit
Die Schweißzeit ist die Zeit, in der Vibrationen angewendet werden. Die geeignete Schweißzeit für jede Anwendung wird experimentell bestimmt. Durch Erhöhen der Schweißzeit wird die Festigkeit der Schweißnaht erhöht, bis die optimale Zeit erreicht ist. Eine weitere Verlängerung der Schweißzeit führt zu einer Abnahme der Schweißfestigkeit oder nur zu einer geringfügigen Zunahme der Festigkeit, während gleichzeitig der Schweißnaht erhöht und die Möglichkeit einer Einkerbung der Teile erhöht wird. Es ist wichtig, ein Überschweißen zu vermeiden, da dies zu übermäßigem Grat führt, das abgeschnitten werden muss. Dies kann die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen und zu Undichtigkeiten in den zu versiegelnden Teilen führen. Der Schweißkopf kann die Oberfläche zerkratzen. Bei längeren Schweißzeiten können Schmelzen und Bruch auch in Teilen auftreten, die weit vom Verbindungsbereich entfernt sind, insbesondere an den Löchern, Schweißlinien und scharfen Ecken im Formteil.
4 Haltezeit
Die Haltedruckzeit bezieht sich auf die Nennzeit, zu der die Teile nach dem Schweißen unter vibrationsfreiem Druck kombiniert und verfestigt werden müssen. In den meisten Fällen ist dies kein kritischer Parameter. 0,3 bis 0,5 s sind im Allgemeinen ausreichend, es sei denn, die interne Last lässt das geschweißte Teil leicht zerlegen (z. B. eine vor dem Schweißen zusammengedrückte Schraubenfeder).
5 Druck
Der Schweißdruck liefert die statische Kraft, die für die Kopplung zwischen dem Schweißkopf und dem Teil erforderlich ist, damit Vibrationen auf das Teil übertragen werden können. Wenn sich das geschmolzene Material an der Verbindung während der Druckhaltephase des Schweißzyklus verfestigt, stellt die gleiche statische Belastung sicher, dass die Teile integriert sind. Die Bestimmung des optimalen Drucks ist für ein gutes Schweißen unerlässlich. Wenn der Druck zu niedrig ist, führt dies zu einem schlechten oder unzureichenden Schmelzfluss bei der Energieübertragung, was zu unnötig langen Schweißzyklen führt. Durch Erhöhen des Schweißdrucks wird die Schweißzeit verkürzt, die erforderlich ist, um die gleiche Verschiebung zu erreichen. Wenn der Druck zu hoch ist, führt dies zu einer molekularen Orientierung entlang der Strömungsrichtung und verringert die Festigkeit der Schweißnaht, was zu einer Einkerbung der Teile führen kann. In extremen Fällen kann der Schweißkopf überlastet und gestoppt werden, wenn der Druck im Verhältnis zur Amplitude des Endes des Schweißkopfs zu hoch ist. Beim Ultraschallschweißen erfordert eine hohe Amplitude einen niedrigen Druck und eine niedrige Amplitude einen hohen Druck. Mit zunehmender Amplitude verengt sich der akzeptable Druckbereich. Daher ist es für eine hohe Amplitude am wichtigsten, den besten Druck zu finden. Die meisten Ultraschallschweißungen werden unter konstantem Druck oder konstanter Kraft durchgeführt. Bei einigen Geräten kann die Kraft während des Zyklus geändert werden, dh es wird eine Kraftprofilierung durchgeführt, und die Schweißkraft wird während des Aufbringens von Ultraschallenergie auf das Teil verringert. Der Schweißdruck oder die Schweißkraft, die am Ende des Schweißzyklus abfällt, verringert die Menge des aus der Verbindung extrudierten Materials, verlängert die Diffusionszeit zwischen den Molekülen, verringert die molekulare Orientierung und erhöht die Festigkeit der Schweißnaht. Bei Materialien mit niedrigerer Schmelzviskosität ähnlich wie bei Polyamid kann dies die Schweißfestigkeit stark erhöhen.
6 Schweißmodus
Das zeitliche Schweißen wird als Open-Loop-Prozess bezeichnet. Die zu schweißenden Teile werden in der Vorrichtung zusammengebaut, bevor der Schweißkopf herunterfällt und sich berührt. Dann wirkt die Ultraschallwelle für einen festgelegten Zeitraum, normalerweise 0,2 bis 1 s, auf das Bauteil. Während dieses Vorgangs wurde kein erfolgreiches Schweißen durchgeführt. Erfolgreiches Schweißen ist eine ideale Situation unter der Annahme, dass eine feste Schweißzeit bewirkt, dass eine feste Energiemenge auf die Verbindung einwirkt, was zu einer kontrollierten Schmelzmenge führt. Tatsächlich ist die Leistung, die durch Aufrechterhalten der Amplitude von einem Zyklus zum nächsten absorbiert wird, nicht dieselbe. Dies ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen (z. B. die Passung zwischen zwei Teilen). Da sich die Energie mit der Leistung und der Zeit ändert und die Zeit festgelegt ist, ändert sich die angelegte Energie von einem Teil zum nächsten. Für die Massenproduktion, bei der Konsistenz wichtig ist, ist dies eindeutig unerwünscht. Das Energieschweißen ist ein geschlossener Regelkreis mit Rückkopplungsregelung. Die Ultraschall-Maschinensoftware misst die absorbierte Leistung und passt die Verarbeitungszeit an, um den erforderlichen Energieeintrag in das Gelenk zu liefern. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass bei gleichem Energieverbrauch jeder Schweißnaht die Menge an geschmolzenem Material an der Verbindung jedes Mal gleich ist. Die tatsächliche Situation besteht jedoch darin, dass im Schweißsatz und insbesondere an der Grenzfläche zwischen dem Schweißkopf und dem Teil ein Energieverlust auftritt. Infolgedessen erhalten einige Teile möglicherweise mehr Energie als andere, was zu einer inkonsistenten Schweißfestigkeit führen kann. Durch das Schweißen nach Abstand können Teile mit einer bestimmten Schweißtiefe verbunden werden. Diese Betriebsart hängt nicht von Zeit, absorbierter Energie oder Leistung ab und gleicht Maßabweichungen im Formteil aus. So wird am besten sichergestellt, dass jedes Mal die gleiche Menge Kunststoff in der Verbindung geschmolzen wird. Um die Qualität zu kontrollieren, kann die Energie oder Zeit, die zur Bildung der Schweißnaht verwendet wird, begrenzt werden
