Rotationsschweißen - Plastics, Polymers, and Resins - DuPont

Teile aus Werkstoffen wie Polystyrol mit einer Gesamtgröße,
die größer ist als der Endbereich einer Sonotrode, können
mit «Punkt»-Sonotroden verschweißt werden, wie sie in
Abb. 10.45 gezeigt sind.
Zum Verschweißen größerer Einzelteile aus technischen
Kunststoffen von Du Pont, deren Durchmesser 25 mm übersteigt,
sollte die Form des Sonotrodenendes der Auslegung
der Schweißverbindung entsprechen. Stab- und Hohlsonotroden,
wie sie in Abb. 10.47 dargestellt sind, eignen sich zum
Schweißen größerer rechteckiger bzw. kreisförmiger Stücke.
Weitere Einzelheiten dieser wichtigen Beziehung zwischen
der Konstruktion der Teile und der Gestaltung der Sonotrode
werden im Abschnitt Konstruktive Überlegungen ausführlicher
erörtert.
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Wandlereinheit
Booster-
Sonotrode
Schweißsonotrode
114
a.
b.
c.
A
N
A
N
A
A
A
Länge (mm)
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Profil
Geschwindigkeit
Spannung
Abb. 10.46 Folgende Sonotrodenprofile dienen der Verstärkung der
Wandlerausgangsleitung: a. stufenförmig. b. konisch.
c. exponential. d. Katenoid. e. Fourier. Die Änderung der
Partikelgeschwindigkeit und der Spannung entlang der
Sonotrode ist unter dem jeweiligen Profil graphisch
dargestellt.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
25 µm � 0 � 25 µm
700 bars � � 700 bars
Abb. 10.47 Konische oder stufenförmige Sonotroden können kaskadenförmig
gekoppelt werden, um eine höhere Verstärkung
zu erzielen. Die Abbildung zeigt die Meßwerte
der Amplitude und der Spannung an verschiedenen
Punkten entlang des Systems. Schwingungsknoten und
Schwingungsbäuche treten jeweils an den mit N und A
gekennzeichneten Punkten auf.
d.
e.
�
Die Breite oder der Durchmesser stabförmiger oder hohler
Sonotroden ist in vielen Fällen auf Abmessungen beschränkt,
die 1 /4 der Wellenlänge des Ultraschalls im Sonotrodenwerkstoff
nicht übersteigen. Wenn die Breite einer Sonotrode diesen
Grenzwert überschreitet, werden seitliche Schwingungskomponenten
in der Sonotrode angeregt. Dadurch verringert sich
der Wirkungsgrad der Sonotrode. Für Titan-Sonotroden mit
Standard-Konstruktionen stellen Breiten von 65 bis 75 mm
die Obergrenze dar. Größere Sonotroden können mit Einkerbungen
hergestellt werden, durch die seitliche Abmessungen
von mehr als 1 /4 der Wellenlänge unterbrochen werden.
Große Teile können auch mit mehreren zusammengefaßten
Sonotroden verschweißt werden. Eine Methode besteht
darin, mehrere mit je einem Wandler versehene Sonotroden
gleichzeitig aus einzelnen Generatoren oder der Reihe nach
aus einem Generator zu speisen. Bei einer anderen Methode
wird eine Gruppe von Sonotroden an einen einzigen Wandler
angeschlossen, der, sobald er eingeschaltet wird, sämtliche
Sonotroden gleichzeitig erregt.
Wirksames Schweißen setzt voraus, daß die Sonotroden eine
Resonanzfrequenz aufweisen, die der Nennfrequenz des
Schweißgerätes von 20 kHz sehr nahe kommt. Deshalb stimmen
die Hersteller von Schweißgeräten die Sonotroden
elektronisch ab, indem sie minimale Veränderungen der Sonotrodenabmessungen
vornehmen, um ein optimales Leistungsverhalten
zu erzielen. Einfache stufenförmige Sonotroden aus
Aluminium lassen sich zwar ohne Schwierigkeiten im Labor
herstellen, um damit Prototypen von Schweißnähten auszuwerten;
solche Sonotroden versagen aber rasch infolge Ermüdung,
werden leicht schartig oder beschädigt und hinterlassen
häufig Spuren auf den verschweißten Teilen. Deshalb sollten
der Entwurf und die Anfertigung komplexer Sonotroden, oder
Sonotroden aus speziellen Werkstoffen, solchen Geräteherstellern
überlassen werden, die über die notwendigen Erfahrungen
und Kenntnisse für die analytische und empirische Konstruktion
von Sonotroden verfügen.
d. Haltevorrichtung
Haltevorrichtungen, mit denen die Teile ausgerichtet und
während des Schweißens festgehalten werden, sind ein wichtiger
Bestandteil des Schweißgerätes. Die Teile müssen zum
Ende der Sonotrode so ausgerichtet und fixiert werden, daß
während des Schweißvorganges ein gleichmäßiger Druck zwischen
den Teilen aufrechterhalten wird. Wenn das untere der
beiden zu verschweißenden Teile einfach auf den Schweißtisch
gelegt wird, können beide Teile während des Schweißens
unter der Sonotrode fortgleiten. Hochfrequente Schwingungen
verringern die Wirkung von Reibungskräften, die die Teile
unter normalen Umständen festhalten würden. Eine typische
Haltevorrichtung ist in Abb. 10.48 dargestellt.
Die am häufigsten verwendeten Haltevorrichtungen sind so
ausgebildet, daß sie das untere der zu verschweißenden Teile
aufnehmen und in der gewünschten Position sicher festhalten.
Die Frage, ob ein Teil während des Schweißens so gut
wie unbeweglich gehalten werden muß, ist bis heute noch
nicht durch geeignete, kontrollierte Versuche geklärt worden.
Einwandfreie Verschweißungen sind sowohl in Fällen
beobachtet worden, in denen die Teile positioniert wurden,
aber frei schwingen konnten, als auch in Fällen, in denen
die Teile starr eingeklemmt waren.