DE10254867B4 - Verfahren zum Schweißen von Kunststoffen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Heizelementschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze, wie z. B. Polyamid, mit einem metallisch blanken unbeschichteten Heizelement, wobei die Fügeteile in der Angleichphase an das Heizelement angedrückt und geringfügige Unebenheiten der Fügeflächen durch Aufschmelzen angeglichen werden, in der Anwärmphase weiter Energie durch Wärmeleitung in die Fügeteile eingebracht wird, um die zum Schweißen notwendige Schmelztemperatur zu erreichen, in der Umstellphase die Fügeteile vom Heizelement entfernt und das Heizelement aus der Fügezone herausgefahren wird und die Fügeteile in der sich anschließenden Fügephase unter Aufbau eines Fügedruckes und Einhaltung einer Fügezeit gefügt werden, dadurch gekennzeichnet,
dass als Heizelement eine beheizte Sonotrode eingesetzt wird und die Sonotrodentemperatur in der Angleichphase deutlich unter der Temperatur, die für das Schweißen von Kunststoffen mit herkömmlichen Heizelementen notwendig ist, liegt und die Sonotrode in der Angleichphase nicht schwingt,
dass in der anschließenden Anwärmphase in einer definierten Anwärmzeit Wärme gleichmäßig in die...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizelementschweißen von thermopolastischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze, wie z. B. Polyamid.
  • Das Heizelementschweißen (HE-Schweißen) von thermoplastischen Kunststoffen ist das wichtigste Schweißverfahren für Serienteile mittlerer Größe. Die erreichbaren Nahtfestigkeiten liegen, unabhängig von der Form und der Dimensionierung der Teile, bei 60 % bis 100% der Festigkeit des ungeschweißten Werkstoffes.
  • Das Heizelementschweißen vollzieht sich in mehreren Phasen.
  • In der ersten Phase werden die zu schweißenden Teile an das Heizelement angedrückt. Dabei werden geringfügige Unebenheiten der Fügeebene durch Aufschmelzen angeglichen.
  • In der zweiten Phase erfolgt eine drucklose Erwärmung und es wird weitere Energie durch Wärmeleitung in die Fügeteile eingebracht, um die zum Schweißen notwendige Schmelzeschichtdicke zu erreichen.
  • Die dritte Phase beginnt mit dem Abheben der Fügeteile vom Heizelement. Anschließend fährt das Heizelement aus der Fügezone heraus und die Fügeteile werden zusammengefahren.
  • Die letzte Phase, die Fügephase, beginnt mit der Berührung der Fügeteile. Das Fügen und anschließende Abkühlen der Schweißverbindung erfolgt unter definiertem Druck. Diese Phase endet nach ausreichender Abkühlung der Fügeteile.
  • Für Formteile aus Kunststoffen mit niedriger Schmelzeviskosität ist die Anwendbarkeit des Verfahrens jedoch drastisch eingeschränkt, oft sogar unmöglich, weil bei diesen Materialien die Adhäsion der Schweißnahtschmelze auf dem Heizelement größer ist als die Kohäsion in der Schmelze.
  • Beim Abheben des angeschmolzenen Formteiles vom Heizelement bleiben Teile der Schmelze auf der Heizelementoberfläche haften und es werden häufig Fäden gezogen. Diese 5 Material fehlt dann zum einen im Schweißnahtbereich der gefügten Teile, zum anderen wird dieser Werkstoff aufgrund der hohen Temperaturen am Heizele ment thermisch abgebaut und gelangt teilweise in die nächste Schweißnaht. Bei jedem neuen Schweißzyklus bleibt weiteres plastifiziertes Material am Heizelement haften und führt so sehr schnell zu einer immer dicker werdenden Schmelzeschicht auf dem Heizelement, so dass der Wärmeübergang zwischen Heizelement und Kunststoffteil immer schlechter wird. Alle diese Erscheinungen führen zu einer schlechten Schweißnahtqualität.
  • Aus der betrieblichen Praxis ist es für das Heizelementschweißen bis zu Temperaturen von 260 °C bekannt, ebene oder räumlich geformte Heizelemente mit einer Antihaftbeschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) zu besintern oder plane Heizelemente auch mit Polytetrafluorethylen-Folien zu bespannen, um die Nahtschmelze rückstandsfrei vom Heizelement zu lösen.
  • Nachteilig bei diesen PTFE-Beschichtungen ist, dass sie beim Schweißen in der Serienfertigung einem hohen Verschleiß unterliegen und die zyklische Erneuerung dieser Beschichtungen oder Überzüge auf den Heizelementen den kontinuierlichen Prozessablauf stört.
  • Werden material- und bauteilbedingte Heizelementoberflächentemperaturen größer 260 °C benötigt, sind PTFE-Beschichtungen nicht mehr einsetzbar, da oberhalb dieser Temperatur Zersetzungserscheinungen auftreten, die zu schweren gesundheitlichen Schäden des Bedienpersonals und zu starker Korrosion der Technik durch die Abspaltung von Flusssäure führen. Bei diesen hohen Schweißtemperaturen werden metallisch blanke Heizelementoberflächen eingesetzt, oder sie werden mit einer keramischen Beschichtung versehen, die aber meist wenig antiadhäsive Wirkung besitzt.
  • Werkstoffe mit niedriger Schmelzeviskosität und zugleich hoher Schmelztemperatur sind dann mit dem Heizelementschweißverfahren praktisch nicht mehr schweißbar.
  • Aus der DE 100 59 452 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelementschweißwerkzeugen zur Ablösung des viskosen Schweißwerkstoffes vom Heizelement nach dem Anwärmvorgang bekannt. Die geschliffenen Arbeitsflächen des Heizelementes werden während des Umstellvorganges zum Abheben und Entfernen der Schweißteile vom Heizelement mit einer me chanischen Schwingung beaufschlagt, die zu einer Scherung der Kunststoffschmelze in der Grenzfläche zum Heizelement und dadurch zu einer Trennung führt.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass beim Schweißen von Kunststoffen mit niedrigviskoser Schmelze, wie z. B. Polyamid, die Formteile trotz schwingender Heizelementoberfläche, zwar mit deutlich verringerter Schmelzehaftung und geringerer Fadenbildung, jedoch nicht rückstandsfrei von der Heizelementoberfläche abgezogen werden können. Die am Heizelement verbleibenden Schmelzereste führen dazu, daß dieser Werkstoff aufgrund der hohen Temperaturen am Heizelement thermisch abgebaut wird bzw. oxidiert und die Abbauprodukte so teilweise in die nächste Schweißnaht gelangen. Dies führt zur Verringerung der Schweißnahtfestigkeit und zu schlechten Schweißnahtqualitäten.
  • In der DE 100 01 790 A1 und bei HABERSTROH, Edmund; SCHULZ, Jörn: Heizelementstumpfschweißen von Polyamid. In: Schweissen & Schneiden. ISSN 0036–7184. 2002, Jg. 54, Heft 1, Seite 31–32 und 34–35, wird ein Verfahren zum Heizelementserienschweißen von Polyamidformteilen beschrieben. Auch hier tritt das Problem auf, dass in der Umstellphase beim Abziehen der Formteile vom Heizelement Teile der niedrigviskosen Polyamidschmelze am Heizelement haften bleiben und mit der restlichen noch zum Fügen zur Verfügung stehenden Schmelze keine ausreichende Schweißnahtfestigkeit erreicht werden kann. Zur Lösung des Problems wird hier vorgeschlagen, dass das am Heizelement erwärmte Formteil nach der Erwärmungsphase schlagartig mit einer Beschleunigung von 10 m/s2 vom Heizelement abgezogen wird. Dazu ist eine spezielle konzipierte Schweißmaschine notwendig. Sie besteht aus einem Maschinengestell mit zwei getrennt von einander angetriebenen Elektromotoren, einem Zahnriementrieb zur Übertragung des Antriebes und einer Spindel zur Umsetzung der Drehbewegung in eine lineare Bewegung. Auf zwei Schlitten, die über eine Lineareinheit geführt werden, befinden sich die Werkstückaufnahmen. Vor Beginn des Schweißvorganges werden die Formteile auf die Werkstückaufnahmen montiert. Anschließend werden die Schlitten mittels der Motoren in Richtung des Heizelementes bewegt, bis die zu schweißenden Bauteile mit diesem in Kontakt sind. Nach einer eingestellten notwendigen Erwärmzeit werden die Bauteile dann schlagartig vom Heizelement abgezogen. Dies geschieht über eine geeignete schnelle Steuerung und Regelung der Maschine und das direkte Ansprechen der Elektromo toren. Zum eigentlichen Schweißen werden die Schlitten mit den erwärmten Bauteilen dann mit den zum Schweißen notwendigen Parametern (Kraft, Weg, Geschwindigkeit) zusammengefahren. Nach der Entnahme der geschweißten und abgekühlten Bauteile werden die Schlitten zurückgefahren und ein neuer Schweißzyklus kann beginnen.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zum Schweißen keine herkömmlichen Polyamidtypen zum Einsatz kommen, vielmehr haben Rohstoffhersteller eine Werkstoffmodifikation entwickelt, um ein besseres Fließverhalten (höhere Viskosität im Schweißnahtbereich) zu erreichen. Die Reinigung des Heizelementes ist weiterhin werkstoffabhängig mehr oder weniger häufig notwendig. Darüber hinaus ist eine neuartige, aufwendige Maschinentechnik mit sehr hohen Beschleunigungen und schnellen Verfahrbewegungen der Werkstückaufnahmeschlitten notwendig. Diese hohen Beschleunigungen und schnellen Verfahrbewegungen erfordern aber eine steife und robuste Konstruktion des Maschinengestells, führen zu hohen mechanischen Belastungen und zu hohem Verschleiß der Bauteile. Darüber hinaus sind die eingesetzten Linearantriebe mit einem hohen maschinentechnischen Aufwand und hohen Kosten verbunden.
  • Weiterhin wurden zum Stand der Technik noch die DE 198 57 444 A1 , DE 88 09 048 U1 und die JP 03184830 A und JP 2000158539 A ermittelt.
  • Die DE 189 57 444 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallbearbeitung eines thermoplastischen Flächengebildes, z.B. eines Vlieses. Dazu wird das Vlies zwischen einer Sonotrode und einer rotierenden Gegenwalze der Ultraschalleinwirkung ausgesetzt und erwärmt. Die Stirnseite der Sonotrode und die Umfangsfläche der Gegenwalze sind profiliert, so dass das Vlies, abhängig von Grad des Zusammendrückens im Arbeitsspalt zwischen Sonotrode und Gegenwalze verdichtet, gelocht oder geschnitten werden kann. Zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgt eine zusätzliche Beheizung der an dem Bearbeitungsvorgang beteiligten Elemente wie Sonotrode, Vlies und Gegenwalze, wobei die Beheizung an einzelnen Elementen oder an allen Elementen gleichzeitig z. B. mittels Infrarot-Heizstrahlern, Mikrowellenheizungen, elektrischen Heizwicklungen oder fluiden Heizmedien erfolgen kann.
  • In der DE 88 09 048 U1 wird ein Ultraschallschweißgerät zum kontinuierlichen Verschweißen von einander überlappenden Folie-Abdichtungsbahnen beschrieben, wobei zwischen den überlappenden Bahnrändern ein keilförmiges Ultraschallschweißwerkzeug hin und her bewegt wird und so mit den Schweißflächen eine intermittierende reibschlüssige Berührung hat, wobei die Schweißflächen mittels Ultraschall und Reibung plastifiziert werden. Besonders intensive Reibungsverhältnisse werden durch eine stark strukturierte Schweißwerkzeugoberfläche in Form von kreuzweisen Riffelungen geschaffen. Zur Verbesserung des Ultraschallschweißgerätes und der noch unzureichenden Schweißnahtqualität sind am Schweißwerkzeug, in Schweißrichtung vor dem Schweißspalt, Düsen für warme oder kalte Gebläseluft angeordnet, die Schmutzpartikel und Feuchtigkeit von der Schweißfläche entfernen. Das Gebläse ist am Schweißgerätegehäuse angeordnet und die Gebläseluft wird durch Schläuche zum Schweißwerkzeug geführt.
  • Aus der JP 03184830 A ist ein Verfahren zum Ultraschallfusionsbonden von hochschmelzendem Harz bekannt. Der Sockel der Vorrichtung zur Aufnahme des hochschmelzenden Harzes wird beheizt, um eine Wärmeableitung aus dem Harz in den Sockel zu vermeiden. Damit wird gewährleistet, dass die erforderliche Temperatur für das Ultraschallfusionsbonden erreicht wird. Das Harz wird durch den Sockel vorgeheizt, wodurch die notwendige Ultraschalleinwirkzeit verkürzt werden kann.
  • Schließlich wird in der JP 2000158539 A ein Verfahren zum klassischen Überlappschweißen von Folien mit einer beheizten Sonotrode beschrieben, wobei die Plastifizierungsebene genau an der Berührungsfläche zwischen den beiden Folien liegt. An der Oberfläche der Sonotrode entsteht dabei keine Schmelztemperatur. Die Beheizung der Sonotrode dient hier ausschließlich zur Verminderung der Wärmeableitung aus der Sonotrode.
  • Diese zuletzt genannten Verfahren und Vorrichtungen sind zum Heizelementschweißen von Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und niedrigviskoser Schmelze nicht einsetzbar.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze zu schaffen, welches mit einem metallisch blanken, unbeschichteten Heizelement ar beitet, das eine geringe Nahtschmelzehaftung aufweist und bei dem der Schweißvorgang erfolgt ohne dass thermisch abgebauter oder oxidierter Bauteilwerkstoff in die Schweißnaht gelangt und die Oxidation oder der thermische Abbau des Nahtschmelzerestes am Heizelement stark verlangsamt bzw. ganz vermieden wird, bei dem keine Reinigung des Heizelementes während der Zeit von kontinuierlich hintereinander und ohne Unterbrechungen ablaufenden Schweißvorgängen notwendig ist und eine Reinigung des Heizelementes nur noch nach zeitlicher Unterbrechung des Prozeßablaufes erfolgt.
  • Das Verfahren zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze verläuft prinzipiell wie das an sich bekannte Heizelementschweißverfahren mit einem plattenförmigen Heizelement nach den Phasen Angleichen, Anwärmen, Umstellen, Fügen und Abkühlen.
  • Die Fügeteile werden in der Angleichphase an das Heizelement angedrückt, wobei geringfügige Unebenheiten der Fügeflächen durch Aufschmelzen angeglichen werden. In der Anwärmphase erfolgt eine drucklose Erwärmung und es wird weiter Energie durch Wärmeleitung in die Fügeteile eingebracht, um die zum Schweißen notwendige Schmelztemperatur und Schmelzeschichtdicke zu erreichen. In der Umstellphase werden die Fügeteile vom Heizelement entfernt und das Heizelement wird zügig aus der Fügezone herausgefahren. Unmittelbar an die Umstellphase schließt sich die Fügephase an, in der die Fügeteile unter Aufbau eines Fügedruckes und Einhaltung einer Fügezeit zusammengefahren und gefügt werden. An die Fügephase schließt sich die Abkühlphase an, in der die Fügeteile unter Beibehaltung eines definierten Druckes auf Umgebungstemperatur abkühlen.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Heizelement zum Schweißen von Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze eine beheizte Sonotrode eingesetzt.
  • Der Schweißvorgang beginnt mit dem Angleichen der Fügeteile an der beheizten Sonotrode. Dazu werden die Fügeteile an die Sonotrode angedrückt, wobei das Angleichen durch einen Anschlag im Weg begrenzt wird und die Fügeteile bei Erreichen des Anschlages vollflächig und drucklos an der Sonotrode anliegen. Die Sonotrode schwingt in der Angleichphase nicht.
  • Die Sonotrodentemperatur liegt dabei deutlich unter der Temperatur, die für das Schweißen mit herkömmlichen Heizelementen notwendig ist.
  • In der anschließenden Anwärmphase mit definierter Anwärmzeit dringt die Wärme gleichmäßig in die Fügeflächen der Fügeteile ein. Nach dem Ablauf der "statischen" Anwärmphase beginnt eine kurze "dynamische" Ultraschalleinwirkphase auf die noch an der Sonotrode anliegenden Fügeteile, in welcher die Sonotrode mit technologisch bestimmter Amplitude schwingt. Der während der Ultraschalleinwirkphase auf die Fügeflächen wirkende Ultraschall bewirkt eine Temperaturerhöhung an den Fügeflächen auf die technologisch notwendige Schweißtemperatur. Die technologisch notwendige Schweißtemperatur ist hierbei materialabhängig und wird für den zu schweißenden Kunststoff jeweils optimiert.
  • Gleichzeitig erfolgt durch die Einwirkung des Ultraschalls auf die Schmelze ein Vermischen des an der Sonotrode anhaftenden dünnen Schmelzefilms mit neuem angeschmolzenen Material aus der Fügeebene der Fügeteile. Das geschmolzene Material schäumt leicht auf, wodurch gleichzeitig ein Transport von geschmolzenem Material nach außen in die Schmelzewulst erfolgt, und dabei wird thermisch evtl. leicht geschädigtes Material in den Bereich der Schmelzewulst verdrängt. Durch die Einwirkung des Ultraschalls wird kontinuierlich immer wieder neues Material aufgeschmolzen und auf die erforderliche Schweißtemperatur erwärmt.
  • Nach dem Ablauf der "dynamischen" Ultraschalleinwirkphase wird die Amplitude um einen technologisch bestimmten Wert erhöht und es erfolgt das Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode. Durch die vergrößerte Amplitude des Ultraschalls wird die Schmelzetemperatur weiter erhöht und dadurch die Schmelzeviskosität noch einmal verringert, wobei die Viskosität direkt an der Sonotrode am niedrigsten ist und in Richtung zum Fügeteilinneren kontinuierlich zunimmt. Beim Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode wird die Schmelze aufgrund der wirkenden Adhäsions- und Kohäsionskräfte an der Sonotrode und in der Schmelze dort getrennt, wo die niedrigste Viskosität vorliegt. Dies ist direkt an der Sonotrode. An der Sonotrode bleibt nur ein dünner Schmelzefilm haften. Dadurch, dass die Sonotrodentemperatur deutlich unterhalb der technologisch notwendigen Schweißtemperatur des Kunststoffes liegt, ist eine Oxidation und thermische Schädigung des Kunststoffes an der Sonotrode stark verlangsamt und eine hohe thermische Schädigung in der Zykluszeit nicht zu beob achten. Bei aufeinanderfolgenden Schweißvorgängen und den sich wiederholenden Angleich- und Anwärmphasen der Fügeteile erfolgt immer wieder ein Austausch des an der Sonotrode haftenden dünnen Schmelzefilms in der oben beschriebenen Weise und es stellt sich ein "Selbstreinigungseffekt " an der Sonotrode ein.
  • Die Fügeteile werden nach dem Ablösen von der Sonotrode durch eine aufeinander zugerichtete Drehung in die Schweißposition gebracht und unter einem definierten Fügedruck und einer definierten Fügezeit gefügt. Der Aufbau des Fügedruckes erfolgt langsam und kontinuierlich oder der Druckaufbau erfolgt in Stufen, so dass verhindert wird, dass zuviel niedrigviskose Schmelze aus dem Schweißnahtbereich heraus in die Schmelzewulst gedrückt wird und gewährleistet ist, dass eine ausreichende Schmelzeschichtdicke zum Fügen zur Verfügung steht.
  • Durch die kurzzeitige Temperaturerhöhung der Schmelze infolge der Ultraschalleinwirkung an der Sonotrode, befindet sich die Schmelze in einem so niedrigviskosen Zustand, dass eine Schweißverbindung mit einer hohen Schweißnahtfestigkeit erreicht wird. Der durch die Ultraschalleinwirkung stattfindende Transport und der ständige Austausch des Schmelzefilms an der Sonotrode gewährleistet, dass sich am Heizelement kein thermisch geschädigtes Material anreichert und sich im Schweißnahtbereich kein thermisch geschädigtes Material befindet. Der in der Zeit zwischen zwei Schweißvorgängen an der Sonotrode verbleibende Schmelzefilm ist zwar thermisch kaum geschädigt, wird aber hauptsächlich beim nächstfolgenden Schweißvorgang in den Bereich der Schmelzewulst transportiert.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden .
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen die beiden Hälften eines nach DIN EN ISO 527-2 genormten Zugstabes aus Polyamid 6- natur (PA6) , der zuvor in der Mitte getrennt wurde wieder miteinander verschweißt werden. Der Querschnitt des Zugstabes beträgt 4 × 10 mm und entspricht gleichzeitig der Schweißfläche. Als Heizelement wird eine beheizte Sonotrode eingesetzt, die von einem Ultraschallgenerator mit einer Frequenz von 20 kHz angeregt wird. Die Sonotrode wurde bei einer Arbeitstemperatur von 250 °C auf Resonanzfrequenz abgeglichen.
  • Bei größeren Formteilabmessungen können zwei nebeneinander angeordnete Sonotroden eingesetzt werden. Beide Sonotroden werden dann parallel und synchron bewegt und wirken somit wie ein Heizelement.
  • Zur Vorbereitung des Schweißvorganges wird die Sonotrode durch den Heizmantel auf 250 °C aufgeheizt. Diese Temperatur liegt etwa 50 °C unter der für Polyamid 6 (PA6) notwendigen Schweißtemperatur. Die Polyamid-Fügeteile müssen zum Schweißen trocken sein, d.h. die Fügeteile werden entweder spritztrocken verschweißt oder mindestens 24 h in einem Wärmeofen bei 80 °C getrocknet, bevor sie zum Schweißen eingesetzt werden.
  • Der Schweißvorgang beginnt mit dem Angleichen der Polyamid-Fügeteile an der beheizten Sonotrode. Die Fügeteile werden an die auf 250 °C aufgeheizte Sonotrode angedrückt, wobei das Angleichen durch einen mechanischen Anschlag begrenzt wird und die Fügeteile vollflächig und drucklos an der Sonotrode anliegen. Die Sonotrode schwingt in der Angleichphase nicht.
  • In der anschließenden ebenfalls schwingungsfreien Anwärmphase, die Anwärmzeit beträgt ca. 10 s, dringt die Wärme gleichmäßig in die Fügeteile ein. Nach dem Ablauf dieser Anwärmzeit beginnt eine "dynamische" Ultraschalleinwirkphase auf die noch an der Sonotrode anliegenden Fügeteile, in dem die Sonotrode kurzzeitig, ca. 0,8 s, mit Ultraschall mit einer Amplitude von 20 μm angeregt wird. Der während der Ultraschalleinwirkphase auf die Fügeflächen wirkende Ultraschall bewirkt eine Temperaturerhöhung auf Schweißtemperatur. Gleichzeitig erfolgt durch die Einwirkung des Ultraschalls auf die Schmelze ein Vermischen des an der Sonotrode anhaftenden dünnen Schmelzefilms mit neuem angeschmolzenem Material aus der Fügeebene der Fügeteile. Das geschmolzene Material schäumt leicht auf, wodurch gleichzeitig ein Transport von geschmolzenem Material nach außen in die Schmelzewulst erfolgt und dabei thermisch evtl. leicht geschädigtes Material so in den Bereich der Schmelzewulst verdrängt wird. Durch die Einwirkung des Ultraschalls wird kontinuierlich immer wieder neues Material aufgeschmolzen und auf die erforderliche Schweißtemperatur erwärmt.
  • Nach dem Ablauf der "dynamischen" Ultraschalleinwirkphase wird die Amplitude auf ein Maximum von 28 μm erhöht und es erfolgt das Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode.
  • Durch den Ultraschall mit vergrößerter Amplitude wird die Schmelzetemperatur kurzzeitig weiter erhöht und dadurch die Schmelzeviskosität noch einmal verringert, wobei die Viskosität direkt an der Sonotrode am niedrigsten ist und in Richtung zum Fügeteilinneren kontinuierlich zunimmt. Beim Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode wird die Schmelze aufgrund der wirkenden Adhäsions- und Kohäsionskräfte an der Sonotrode und in der Schmelze dort getrennt, wo die Viskosität am niedrigsten ist. Dies ist direkt an der Sonotrode. An der Sonotrode bleibt nur ein dünner Schmelzefilm haften. Dadurch, dass die Sonotrodentemperatur nur 250 °C beträgt und unterhalb der notwendigen Schweißtemperatur des Polyamides liegt, ist eine Oxidation und thermische Schädigung des Kunststoffes an der Sonotrode stark verlangsamt. Eine Minute nach dem Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode ist noch keine Braunfärbung, als Anzeichen für eine thermische Schädigung, der Schmelzeschicht zu beobachten.
  • Bei aufeinanderfolgenden Schweißvorgängen und den sich wiederholenden Angleich- und Anwärmphasen erfolgt immer wieder ein Austausch des an der Sonotrode haftenden Schmelzefilms in der oben beschriebenen Weise und es stellt sich ein "Selbstreinigungseffekt" an der Sonotrode ein.
  • Unmittelbar nach dem Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode wird die Fügephase eingeleitet. Die Fügeteile werden durch eine aufeinanderzugerichtete Bewegung in Schweißposition gebracht und unter einem Druck von 6 bar gefügt. Die Abkühlzeit beträgt 30 s.
  • Der Aufbau des Fügedruckes erfolgt dabei in zwei Stufen, wobei in der ersten Stufe ein Fügedruck von 4 bar und in der zweiten Stufe ein Fügedruck von 6 bar verwendet werden, so dass verhindert wird, dass zuviel niedrigviskose Schmelze aus dem Schweißnahtbereich heraus in die Schmelzewulst gedrückt wird und gewährleistet ist, dass eine ausreichende Schmelzeschichtdicke zum Fügen zur Verfügung steht. Durch die kurzzeitige Temperaturerhöhung der Schmelze infolge der Ultraschalleinwirkung an der Sonotrode, befindet sich die Schmelze in einem so niedrigviskosem Zustand, dass eine Schweißverbindung mit einer hohen Schweißnahtfestigkeit erreicht wird.
  • Der Fügedruck wird bis zur Abkühlung der Schweißverbindung auf Umgebungstemperatur aufrechterhalten.
  • Die geschweißten Zugstäbe wurden im Zugversuch nach DVS 2203 Teil 2 geprüft, und es wurden Schweißfaktoren von 0,8 erreicht.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Heizelementschweißen von thermoplastischen Kunststoffen mit hohen Schmelztemperaturen und/oder niedrigviskoser Schmelze, wie z. B. Polyamid, mit einem metallisch blanken unbeschichteten Heizelement, wobei die Fügeteile in der Angleichphase an das Heizelement angedrückt und geringfügige Unebenheiten der Fügeflächen durch Aufschmelzen angeglichen werden, in der Anwärmphase weiter Energie durch Wärmeleitung in die Fügeteile eingebracht wird, um die zum Schweißen notwendige Schmelztemperatur zu erreichen, in der Umstellphase die Fügeteile vom Heizelement entfernt und das Heizelement aus der Fügezone herausgefahren wird und die Fügeteile in der sich anschließenden Fügephase unter Aufbau eines Fügedruckes und Einhaltung einer Fügezeit gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizelement eine beheizte Sonotrode eingesetzt wird und die Sonotrodentemperatur in der Angleichphase deutlich unter der Temperatur, die für das Schweißen von Kunststoffen mit herkömmlichen Heizelementen notwendig ist, liegt und die Sonotrode in der Angleichphase nicht schwingt, dass in der anschließenden Anwärmphase in einer definierten Anwärmzeit Wärme gleichmäßig in die Fügeflächen der Fügeteile eingebracht wird und nach dem Ablauf dieser "statischen" Anwärmphase eine kurze "dynamische" Ultraschalleinwirkphase auf die noch an der Sonotrode anliegenden Fügeflächen beginnt, in welcher die Sonotrode mit technologisch bestimmter Amplitude schwingt und die Ultraschalleinwirkung eine Temperaturerhöhung an den Fügeflächen auf die technologisch notwendige Schweißtemperatur erreicht, dass nach dem Ablauf der "dynamischen" Ultraschalleinwirkphase die Amplitude um einen technologisch bestimmten Wert erhöht wird, wodurch die Schmelzetemperatur weiter erhöht und die Schmelzeviskosität weiter verringert wird und jetzt das Ablösen der Fügeteile von der Sonotrode erfolgt, dass die Fügeteile nach dem Ablösen von der Sonotrode durch eine aufeinanderzugerichtete Drehung in Schweißposition gebracht und unter einem definierten Fügedruck und in einer definierten Fügezeit gefügt werden und der Aufbau des Fügedrukkes langsam und kontinuierlich oder in Stufen mit steigender Tendenz erfolgt.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE8809048U1 (de) * 1988-07-14 1988-09-01 Niederberg-Chemie GmbH, 4133 Neukirchen-Vluyn Ultraschallschweißgerät
DE19857444A1 (de) * 1998-12-12 2000-06-15 Kuesters Eduard Maschf Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes aus thermoplastischem Material
DE10001790A1 (de) * 2000-01-17 2001-07-19 Ver Foerderung Inst Kunststoff Verfahren zum Schweißen von Kunststoffen
DE10059452A1 (de) * 2000-11-30 2002-06-20 Kunststoff Zentrum Leipzig Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE8809048U1 (de) * 1988-07-14 1988-09-01 Niederberg-Chemie GmbH, 4133 Neukirchen-Vluyn Ultraschallschweißgerät
DE19857444A1 (de) * 1998-12-12 2000-06-15 Kuesters Eduard Maschf Verfahren und Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten eines Flächengebildes aus thermoplastischem Material
DE10001790A1 (de) * 2000-01-17 2001-07-19 Ver Foerderung Inst Kunststoff Verfahren zum Schweißen von Kunststoffen
DE10059452A1 (de) * 2000-11-30 2002-06-20 Kunststoff Zentrum Leipzig Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Trenneffektes an Heizelement-Schweißwerkzeugen

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Haberstroh, Edmund, Schulz, Jörn,: Heizelement- stumpfschweißen von Polyamid. In: Schweißen & Schneiden, ISSN 0036-7184, 2002, Jg. 54, Heft 1, S. 31-32 und 34-35 *
JP 2000158539 A (Pat. Abstr. of Jp.) *
JP 3-184830 A (Pat. Abstr. of Jp.) *

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