Eine Verfahrensbeschreibung zum Zirkularfügen

(schweißen, nieten und umformen)

Das Zirkular-Schweißen (ZS) ist unter dem Dach Reibschweißen (RS) angesiedelt was heute in der industriellen Serienproduktion zum Präzisionsschweißen bewährt ist, insbesondere in der Automobil- und Zulieferindustrie.
Das Zirkular-Nieten ist ein Kaltnietverfahren welches ohne Änderungen mit einer zum Schweißen verwendeten Maschine durchgeführt werden kann. Über den Werkzeug- und Verfahrenseinsatz gibt es eine separate Information.

Die Vor- und Nachteile des linearen Reibschweißens sind bekannt, die vorherrschende Schweißrichtung hat bei Konturteilen ihre Grenze.
Beim Zirkular-Schweißen gibt es keine Vorzugs-Schweißrichtung, es ist ein 2-dimensionales System ohne Federzentrierung bei dem mit Schweißende die Teilaufnahmen in extrem kurzer Zeit auf Mitte zentriert werden und nicht nachschwingen können!
Damit kann die Fügezone während der Abkühlphase eine homogene Verbindung eingehen.

Wie bei allen Press-Schweißverfahren, so auch beim Zirkular-Schweißen, werden die Fügeteile aus thermoplastischen Kunststoffen durch die zirkulierende Kinematik relativ zueinander bewegt und unter Druck miteinander verschweißt, wobei der Bewegungsabstand die Schwingweite ist und der Ausgangspunkt vor und nach dem Schweißen die Maschinenmitte ist.

Bei entsprechenden Parametern für Fügedruck, Schweißfrequenz, Schwingweite und Schweißzeit erwärmen sich die Teile in der Fügezone bis zur Plastifizierung der Fügeflächen und kristallisieren wieder unter dem weiter anstehenden Fügedruck zu einer festen Verbindung mit höchstem Schweißfaktor (Fs bis 1,0 möglich). Dabei werden in der Schweißphase die Stadien Feststoffreibung, instationäre- und stationäre Schmelzebildungen durchlaufen.

Anforderungen an die Maschinen

Der Reibschweißprozess macht eine stabile Maschinenausführung notwendig. Durch die gewählte Zirkularschweißkinematik erfolgt die Schwingungserzeugung und Übertragung als harmonische Drehschwingung und damit erfolgt eine konstante Energieeinleitung ohne pulsierende Richtungsumkehr und Beschleunigungsspitzen.

Der Maschinenaufbau garantiert einen umweltfreundlichen und gut zugängigen Arbeitsplatz für manuelle Bedienung und für Automationen. So arbeitet das System bei 100 Hz Schweißfrequenz unter 80 dB (A) Arbeitsgeräusche. Die digital einstellbaren Parameter sind:

  • die Schweißfrequenz in Hz
  • der Schwingweite ist umstellbar, unabhängig von Massen und Frequenz.
  • die Schweißzeit in s, oder der Schweißweg ab Maschinen-Nullpunkt oder ab Werkstückoberfläche.
  • mehrere Frequenzprofile, über die Schweißphasen, mit Kühl-Haltedruck nach dem Schweißen, in bar.
  • die Haltezeit, eine Schweißverzögerung und eine Prozessüberwachungszeit, alles in Sekunden.
  • Optional mit geregelten Schwingweitenprofilen im Prozess!

Das Schweißverhalten der Kunststoffe

Es lassen sich alle Thermoplaste schweißen sowie Elastomere, die einen thermoplastischen Bereich aufweisen wie Gf-Werkstoffe und gefüllte Materialien.
Gut schweißbare Thermoplaste sind ABS, PA, PC, PMMA, POM, PP, PS, PVC, PVC-U, SAN, und deren verstärkte Modifikationen.
Grundsatzschweißungen halten wir für neue Werkstoffe für sinnvoll, diese können mittels Probeplatten in Standardgrößen 50x40 mm geschweißt werden und reduzieren den Aufwand erheblich, im Gegensatz zu Formteilproben die zumindest ein Aufnahmewerkzeug erforderlich machen.
Dünnwandige Teile und schmale Fügeflansche sind ideal zu verbinden: Die Schweißschwingung wirkt nach allen Seiten. So auch in Richtung einer dünnen Wandung und quer zu dieser. Durch die kreisende Schwingung bleiben dünne, labile Wandungen gegen die Reibkräfte in ihrer Lageposition.

Wandverstärkungen sind nur bei labilen Formteilen erforderlich. Der Schweißaustrieb der Schmelze ist durch die zirkulare Schweißkinematik reduziert, aber nicht weg, denn letztlich ist ein kleiner sichtbarer Schmelzeaustrieb der Beweis einer Durchschweißung in der Fügeverbindung.

Der Prozess kann mittels Vorwärmung in der Anreibphase mit Schmelzebildung optimiert werden, um Restebildung beim Schweißaustrieb zu vermeiden. Man spricht dann vom Hybridfügen, Partikelreinheit unter 400mm sind üblich, sogar bis rückstandsfrei.

Qualitätsanforderungen an die Fügeteile

Gute Schweißverbindungen lassen sich mit Teilen erzielen, die nach den für die Geometrie des Teiles angepassten Fügezonen für das Reibschweißen gestaltet sind: Das Zirkular-Schweißen erfordert keine besondere Nahtgestaltung, wenn die Gestaltung für Vibrationsschweißen ausgelegt ist.

Die nach allen Seiten gleiche Schwingung erlaubt sogar kleinere Schweißflansche und damit Präzisionsschweißungen an Präzisionsteilen.

Gegenüber dem linearen Vibrationsschweißen ist bei gleicher Schweißgeschwindigkeit die Zirkularschwingung ( vergleichbar mit Amplitude) um 35% kleiner!

Die Schweißzugaben sind, je nach Teilegröße, zwischen 0,4 und 0,8 mm zu wählen. Eine homogene Fügenaht zeigt, auch bei beliebigen zweidimensionalen Verlauf, eine gleichmäßige Durchschweißung mit geringem Schmelzeaustrieb.
Durch Gestaltung der Fügeflansche kann eine Abdeckung der Fügenaht außen und auch innen erfolgen.
Die Fügefläche sollte frei von Trennmitteln, Lacken und Verunreinigungen sein.

Grundsatz- und Versuchsschweißungen in unserem Labor erlauben eine genaue Analyse der erzielbaren Ergebnisse für Material und Gestaltung. Gern verweisen wir auf die Richtlinie in den DVS-Blättern.

 

Konstruktive Gestaltung der Fügeteile

Je nach Anforderungen an die Bauteile bezüglich Aussehen und Funktion können verschiedene Fügezonen-Geometrien gewählt werden.

 

Schweißende und Kristallisierung in der Kühlphase

Der Schweißprozess ist umso effektiver, wenn die anschließende Kühlphase unmittelbar in „Ruhestellung“ der Teilehälften zueinander, bei anstehendem Kühldruck, erfolgt. Dabei ist es wichtig, dass die Schweißschwingung sehr kurz gestoppt wird, um dem Kunststoff eine in Ruhe erfolgende Kristallisierung zu ermöglichen. Dies wird mit unserer Zirkularschweißspindel in wenigen ms erreicht, ohne nachschwingende Massen. Mit Einleitung der Antriebs-Bremse bis Schweißende erfolgt ein Bremsmoment, mit dessen Hilfe das Schwingsystem automatisch in die Nullposition gesteuert wird. Mit der Nullpositionierung ist ein optimaler Übergang von der Schmelze zur Kristallisation des Schweißgutes gegeben. Diese Antriebstechnologie setzen wir bei allen Schwingkinematiken ein.





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