Ultraschall, Vibration und Rotation: Schweißen ohne beheiztes Werkzeug

Gemeinsamkeiten der Verfahren

Beim Rohrschweißen wird die Wärme von außen über ein Heizelement oder eine Heißluftdüse zugeführt. Ultraschall, Vibration und Rotation machen das Gegenteil: Die Energie wird mechanisch zugeführt, und die Wärme entsteht in der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen, weil das Material unter Druck gegeneinander bewegt wird. Das Schmelzen findet also nur dort statt, wo es benötigt wird.

Dies führt zu kurzen Zykluszeiten, geringer thermischer Beeinflussung der Umgebung und der Möglichkeit, Bauteile zu schweißen, die mit einem Werkzeug nicht zugänglich sind. Im Gegenzug erfordern die Verfahren feste Maschinen, präzise angepasste Bauteile und Geometrien, die exakt für dieses Verfahren konstruiert sind. Sie werden daher vor allem in der Serienfertigung und für Spritzgussteile eingesetzt, nicht für Rohre im Feldeinsatz.

Ultraschallschweißen

Eine Sonotrode versetzt das eine Bauteil in Schwingungen mit typischerweise 20-40 kHz und einer Amplitude von wenigen Hundertstel Millimetern. Die Schwingungen erzeugen Reibungswärme in einer konstruierten Fuge, oft einer Energiekonzentratorspitze (Energierippe), die zuerst schmilzt und sich als Naht zwischen die Bauteile legt.

Das Verfahren eignet sich für kleine und mittlere Bauteile mit gut definierter Fuge: Verpackungen, Gehäuseteile, Fittings und Verbindungen, bei denen keine Wärmemarkierungen an der Außenseite entstehen dürfen. Es wird auch zum Schweißen von Folien und zum Einsetzen von Metalleinsätzen in Kunststoff verwendet.

Voraussetzungen sind eine für das Verfahren gestaltete Fuge, ein gleichmäßiges Material und eine Unterstützung, damit sich das Bauteil nicht bewegt. Materialien mit hoher Schmelzviskosität und weiche Materialien wie weiches PP und PE erfordern mehr Energie, und faserverstärkte Materialien können schwierig sein.

Vibrationsschweißen

Beim Vibrationsschweißen wird das eine Bauteil mit einer Frequenz von typischerweise ca. 100-240 Hz und einer Amplitude von unter wenigen Millimetern relativ zum anderen hin- und herbewegt. Die Reibung schmilzt die Fläche auf, und die Bewegung wird gestoppt, während die Bauteile unter Druck zusammengehalten werden, bis die Naht erstarrt ist.

Das Verfahren wird für größere Bauteile mit flachen Verbindungen eingesetzt, z. B. Behälter, Kanäle und Fahrzeugteile, bei denen Ultraschall nicht die gesamte Verbindung abdecken kann. Es setzt voraus, dass die Bauteile steif eingespannt werden können und die Verbindung die Relativbewegung verträgt.

Rotationsschweißen

Das Rotationsschweißen ist das älteste der drei Verfahren: Ein Bauteil rotiert unter Druck gegen das andere, bis die Reibungswärme die Fläche aufschmilzt. Danach wird die Rotation gebremst und die Bauteile werden unter Druck gehalten, während die Naht erstarrt.

Das Verfahren erfordert runde, achsensymmetrische Bauteile, z. B. Schwimmkörper, Behälter und zylindrische Teile, und ist bei großen Serien schnell und reproduzierbar. Die Reibgeschwindigkeit für PE liegt typischerweise im Bereich von 100-300 m/min, der konkrete Wert wird jedoch durch die Bauteilgeometrie und die Maschine bestimmt.

Für Rohre und Platten im Feldeinsatz wird das Verfahren nicht verwendet. Hier sind das Stumpfschweißen, das Muffenschweißen / Heizelement-Muffenschweißen und das Extrusionsschweißen die richtige Wahl, siehe Schweißverfahren in der Übersicht.

Wenn Sie es mit PVC-U zu tun haben, gelten andere Bedingungen: niedrigere Heizelementtemperatur, kurze Umstellzeit und Absaugung. Lesen Sie, wie das geht, unter Stumpfschweißen von PVC.

Wann das Verfahren die richtige Wahl ist

Wählen Sie Ultraschall, wenn das Bauteil klein ist, die Fuge konstruiert werden kann und die Zykluszeit eine Rolle spielt. Wählen Sie Vibration, wenn die Verbindung lang und flach ist und das Bauteil eingespannt werden kann. Wählen Sie Rotation, wenn das Bauteil rund ist und in großen Stückzahlen produziert werden muss.

Gemeinsam ist allen drei Verfahren, dass Fehler meist in der Konstruktion und nicht in der Maschine liegen. Zu wenig Unterstützung, eine falsche Fugengeometrie oder zu große Toleranzen führen zu schwachen Verbindungen, unabhängig davon, wie präzise die Maschine arbeitet. Testen Sie daher immer an Bauteilen aus der aktuellen Produktion und dokumentieren Sie dies durch Zug- oder Biegeprüfungen nach DVS 2203.