Ultraschallschweißen
Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente akustische Ultraschallschwingungen auf verbundene Teile angewendet, die unter niedrigem Druck zusammengefügt werden. Dieses Schweißverfahren wird am häufigsten zum Verbinden von Thermoplasten eingesetzt und wenn Schrauben, Löten oder Kleben nicht geeignet sind.
Obwohl das Ultraschallschweißen bereits in den 1940er Jahren entwickelt wurde, wurde es erstmals Anfang der 1960er Jahre industriell zum Schweißen feiner Drähte in der Elektronikindustrie eingesetzt. Im Jahr 1963 begann man, das Ultraschallschweißen zum Verbinden von Polyethylen einzusetzen. Seitdem wird das Ultraschallschweißen zum Schweißen von Aluminium und dünnen Blechen in der Automobilindustrie (Zündmodule, Anschlussdrähte, Drähte) eingesetzt.
Der langsame Prozess, die Vorteile des Ultraschallschweißens in der Industrie zu erkennen, ist auf den Mangel an leistungsstarken Ultraschallgeräten zurückzuführen, die auch bei großen Teilen eine gleichbleibende Schweißqualität gewährleisten können.Daher konzentrierte sich die Forschung in den 1980er und 1990er Jahren hauptsächlich auf die Entwicklung von Ultraschallgeräten.
Obwohl beim Ultraschallschweißen Vibrationen zum Einsatz kommen, unterscheidet sich diese Methode vom „Vibrationsschweißen“, auch Reibschweißen genannt. Beim Vibrationsschweißen wird eines der Fügeteile festgehalten und das andere oszilliert (durch elektromagnetischen oder hydraulischen Antrieb).
Das Ultraschallschweißen hält die beiden Teile an Ort und Stelle und erzeugt durch hochfrequente Schallwellen Reibung. Die akustische Energie erzeugt Reibung und erzeugt Wärme, die dazu führt, dass Teile in weniger als einer Sekunde geschweißt werden, was das Ultraschallschweißen zu einem der schnellsten Verfahren macht, die heute eingesetzt werden.
Der Prozess des Ultraschallschweißens ist vollautomatisch und wird auf speziellen Anlagen durchgeführt. Das Prinzip des Ultraschallschweißens ist in Abb. dargestellt. 1, und der Aufbau einer typischen Installation ist in Abb. dargestellt. 2.
Reis. 1. Prinzip des Ultraschallschweißens: a – Ausrichtung der Teile, b – Kontakt der Teile mit der Spitze, c – Anwendung von Druck, d – Schweißen, e – Halten, f – Anheben der Spitze
Reis. 2. Montageplan für Schallschweißen
Der Generator (in einer separaten Einheit) dient zur Umwandlung elektrischer Schwingungen aus dem Netz in Hochfrequenzschwingungen (20 ... 60 kHz), der Wandler wandelt mithilfe piezoelektrischer Elemente elektrische Schwingungen in akustische um. Verstärker und Sonotrode sind passive Resonanzelemente der Anlage, die der Übertragung von Schwingungen vom Wandler auf die Teile dienen.
Typischerweise sind Ultraschallschweißmaschinen mit einer Reihe von Verstärkern mit unterschiedlichen Verschiebungsübersetzungsverhältnissen ausgestattet.Die Form der Sonotrode wird durch die erforderliche Schweißnahtkonfiguration bestimmt. Abhängig von der Form der Sonotrode entstehen longitudinale Radial-, Kanten- und andere Wellenschwingungen. Jede Naht benötigt eine eigene Sonotrode.
Das physikalische Wesen des Prozesses besteht im Auftreten sehr starker Schwingungen kleiner Amplitude beim Kontakt zweier Teile. Vibrationen in Kombination mit Druck entfernen Verunreinigungen und Oxide von der Oberfläche der Teile. Elektronen beginnen zwischen den Teilen zu fließen und bilden eine metallurgische Naht.
Ultraschallschweißen eignet sich ideal zum Herstellen elektrischer Verbindungen, zum Schweißen von Aluminium und Kupfer, zum Abdichten der Enden von Kupferrohren, zum Schweißen von Kunststoffen und zum Einbetten von Metallteilen in Kunststoffe.
Reis. 3. Verbindungen durch Ultraschallschweißen
Das Ultraschallschweißen von Kunststoffen ermöglicht zuverlässigere Verbindungen als andere Verfahren. Dabei unterscheidet sich das Ultraschallschweißen von Kunststoffen grundlegend vom Schweißen von Metallen.
Erstens erfolgt das Ultraschallschweißen von Metallen mittels Querschwingungen parallel zu den Schweißflächen. Beim Ultraschallschweißen von Kunststoffen kommen Längsschwingungen zum Einsatz, die normal (also im rechten Winkel) zu den zu verschweißenden Oberflächen verlaufen. Völlig unterschiedlich ist auch die Form der Sonotroden, die Ultraschallschwingungen auf Metall- und Kunststoffnähte übertragen.
Zweitens entsteht beim Schweißen von Metallen durch die reibende Wechselwirkung der Oberflächen eine Naht, die eine feste Verbindung herstellt, ohne dass das Material schmilzt.Das Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen basiert auf dem Aufschmelzen des Materials wie viele andere herkömmliche Schweißverfahren (z. B. Lichtbogenschweißen, Widerstands- oder Laserschweißen), jedoch in viel niedrigeren Temperaturbereichen.
Reis. 4. Ultraschallschweißgeräte
Die Vorteile des Ultraschallschweißens:
1. Keine spezielle Oberflächenreinigung erforderlich.
2. Keine Schutzatmosphäre erforderlich.
3. Es sind keine Schweißzusatzstoffe (Draht, Elektroden, Lot usw.) erforderlich.
4. Geringer Stromverbrauch.
5. Kurze Spleißzeit zur Bildung einer Verbindung (ca. eine Viertelsekunde).
6. Vollständige Automatisierung des Schweißprozesses und Möglichkeit der einfachen Integration in andere Produktionsprozesse.
7. Möglichkeit des Schweißens von Materialien unterschiedlicher Art, auch von solchen, die empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, da beim Schweißen eine geringe Wärmemenge entsteht.
8. Schweißen aller Arten von Details.
9. Die durch dieses Verfahren erzeugten Schweißnähte sind optisch ansprechend und sauber.
10. Beim Ultraschallschweißen werden im Gegensatz zu anderen Verfahren keine ätzenden Chemikalien verwendet und es entstehen nur geringe Mengen Rauch.
Einschränkungen des Ultraschallschweißens:
1. Die gravierendste Einschränkung beim Einsatz des Ultraschallschweißens ist die Größe der geschweißten Teile – nicht mehr als 250 mm. Dies liegt an der begrenzten Ausgangsleistung des Wandlers, der Unfähigkeit der Sonotrode, Ultraschallwellen mit sehr hoher Leistung zu übertragen, und der Schwierigkeit, die Amplitude zu steuern.
2. Beim Ultraschallschweißen ist außerdem ein geringerer Feuchtigkeitsgehalt der zu verbindenden Materialien erforderlich.Ansonsten ist Vibrationsschweißen zu bevorzugen.
3. Ultraschallschweißen ist zum Verbinden dickwandiger Materialien nicht effektiv. Mindestens eines der zu verbindenden Teile muss leicht sein, da es sehr viel Energie „absorbiert“.