Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

c. Zirkularwellen werden ausschlielich durch die Längserregung
eines Teils hervorgerufen. Darüberhinaus setzt
die Entstehung solcher Wellen im Anwendungsbereich
von Ultraschall asymmetrische Massenverhältnisse voraus.
In dem Bereich, mit dem wir uns befassen, bringt
diese Wellenart erhebliche Probleme mit sich. Wie in
Abb. 10.43c dargestellt, werden an der Oberfläche des
benutzten Mediums Bereiche geschaffen, die hohen
Druckbelastungen ausgesetzt sind; es treten auch Bereiche
hoher Zugspannung auf, was bedeutet, daß partielle
Kräfte hoher Intensität erzeugt werden.
Übrigens werden bei der Übertragung der Ultraschallwellen
vom Wandler zur Sonotrode durch diese Wellen reziproke
Schwingungen vom piezoelektrischen Keramikinstrument
zum Wandler hervorgerufen, die zur Zerstörung der Piezoelemente
führen können.
Bei der Konstruktion von Sonotroden sollten diese Gegebenheiten
und die Unterdrückung zirkular polarisierter Wellen
sorgfältig beachtet werden.
Beim Schweißvorgang setzt die wirksame Verwendung der
Ultraschallenergie voraus, daß eine bestimmte Menge örtlich
begrenzter molekulärer Reibungswärme erzeugt wird, um
absichtlich eine gewisse «Ermüdung» der Werkstoffschicht
an der Nahtstelle oder Berührungsfläche zwischen den zu
verschweißenden Kunststoffteilen hervorzurufen.
Während des Schweißens wird in den zu verschweißenden Teilen
durchgängig Wärme erzeugt. Abb. 10.44 illustriert einen
Versuch, bei dem ein Stab von 10 × 10 mm Durchmesser und
60 mm Länge mit einem flachen Block aus einem ähnlichen
Kunststoff verschweißt wird. Zur Übertragung von Ultraschallschwingungen
auf den Stab wird an dessen oberem Ende ein
Ultraschall-Schweißwerkzeug angebracht.
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Bewegungsrichtung
der Partikel
Schwingungsrichtung
der
Partikel
B A B A B A
(b)
�
(a)
Fortpflanzungsrichtung
der Wellen
�
Fortpflanzungsrichtung
der Wellen
Wellenlänge Bewegungsrichtung
der Partikel
�
(c)
Fortpflanzungsrichtung der Wellen
Abb. 10.43 a. Längswelle – b. Transversalwelle – c. Zirkularwelle
Der Block ruht auf einer festen Unterlage, die als Reflektor für
die Schallwellen dient, die durch den Stab und den Block wandern.
An verschiedenen Punkten entlang des Stabes werden
Thermoelemente angebracht. Ultraschall-Schwingungen werden
5 Sekunden lang zur Anwendung gebracht. Das Diagramm
zeigt die zeitabhängige Temperaturänderung an den 5 Meßpunkten
entlang des Stabes. Die höchsten Temperaturen sind
an der Berührungsfläche zwischen Schweißwerkzeug und Stab
sowie an der Berührungsfläche zwischen Stab und Block anzutreffen,
sie treten jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten auf.
Wenn an der Berührungsfläche zwischen den Teilen genügend
Wärme erzeugt wird, kommt es zur Erweichung und zum
Schmelzen der Kontaktflächen. Unter Druck entsteht eine
Schweißnaht.
Schweißgeräte
Die zum Ultraschallschweißen erforderlichen Geräte sind im
Vergleich zu der Ausrüstung, die für andere Schweißverfahren
wie Reibschweißen oder Heizelementschweißen benötigt
wird, relativ aufwendig und kompliziert. Zu einem kompletten
System gehören ein elektrischer Hochfrequenzgenerator,
Zeitsteuerungen, ein Wandler, der elektrische Energie in
mechanische Schwingungen umsetzt, eine Sonotrode und
eine – gegebenenfalls automatisierte – Haltevorrichtung
für die zu verschweißenden Teile.
a. Hochfrequenzgenerator
Bei den meisten handelsüblichen Geräten erzeugt die Generatoreinheit
eine Ausgangsfrequenz von 20 kHz mit einer
durchschnittlichen Nennleistung, die zwischen einigen hundert
und über tausend Watt liegen kann. In neuerer Zeit hergestellte
Generatoren sind volltransistoriert, arbeiten mit
niederigeren Spannungen als die früheren Röhrengeräte und
weisen Impedanzen auf, die denen der gebräuchlichsten
Wandler, die an den Generatorausgang angeschlossen werden,
recht nahe kommen.
b. Wandler
Die zum Ultraschallschweißen verwendeten Wandler sind
elektromechanische Vorrichtungen, die dazu dienen, hochfrequente
elektrische Impulse entweder nach dem piezoelektrischen
oder aber nach dem magnetostriktiven Prinzip in
hochfrequente mechanische Schwingungen umzuwandeln.
Piezoelektrische Werkstoffe ändern ihre Länge, wenn eine
elektrische Spannung angelegt wird. Sie können eine Kraft
auf alles ausüben, was sie daran zu hindern sucht, ihre
Abmessungen zu verändern – so zum Beispiel die Trägheit
einer an das piezoelektrische Material angrenzenden Masse.
c. Sonotrode
An den Ausgang des Wandlers wird eine Sonotrode angeschlossen.
Diese Sonotrode hat zwei Funktionen:
a. sie überträgt die Ultraschall-Schwingungen auf die zu
verschweißenden Teile;
b. sie erzeugt den Druck, der erforderlich ist, um eine
Schweißnaht zu bilden, sobald die Berührungsflächen
geschmolzen sind.