Prinzipien und Techniken des PPS-Ultraschallschweißens

I. Übersicht

PPS (Polyphenylensulfid) ist ein teilkristalliner Thermoplast mit einer steilen Schmelzkurve und einer hohen Schmelztemperatur (285 ° C, 545 ° F), und sein reines PPS ist nicht zum Ultraschallschweißen geeignet. Nach der Zugabe von Glasfasern und anderen Füllstoffen erhöht sich jedoch die Steifigkeit der PPS-Mischung erheblich, was zur Übertragung von Ultraschallschwingungen beiträgt, sodass Ultraschallschweißen verwendet werden kann. Unter der Voraussetzung, dass die Schweißrippen sinnvoll ausgelegt sind, kann der Glasfaseranteil von 40 % PPS problemlos geschweißt werden. Wenn jedoch der Glasfasergehalt und das Mineralpulver kontinuierlich erhöht werden, ist die Bildung der Ultraschallkomponente schwierig, da der Gehalt der Harzkomponente in der Mischung abnimmt.

2. Schweißrippendesign

Das Schweißrippendesign des PPS-Produkts ist entscheidend für die Schweißnahtfestigkeit. Das Design von Teilen und Schweißrippen muss beim Zusammenbau der Komponenten berücksichtigt werden, ebenso wie die Auswirkungen dieser Designs auf den Ultraschallschweißprozess.

Für das Schweißen von PPS-Materialien wird im Allgemeinen die Schernahtkonstruktion verwendet. Für die Gestaltung von Dreiecks- oder Energiesparrippen führen unterschiedliche PPS-Typen mit unterschiedlicher Zusammensetzung zu unterschiedlichen Schweißergebnissen. Bei PPS-Mischungen mit hohem Füllstoffgehalt ist die Fließfähigkeit beim Schmelzen nicht ausreichend und es ist nicht möglich, in beide Seiten zu fließen, um weitere Bindungsbereiche zu bilden. Daher sind solche PPS-Mischungen nicht für die Gestaltung von Dreiecks- oder Energiesparrippen geeignet.

Bei Scherverbindungen entsteht während des Schweißvorgangs eine ähnliche „Schmierwirkung“ an der Verbindungsschnittstelle, was zu einer größeren Fließfähigkeit des geschmolzenen Kunststoffs und einem einfacheren Löten führt. Tests haben gezeigt, dass bei PPS mit hohem Füllstoffanteil das Produkt mit der Scherverbindung eine sechsmal höhere Auszugskraft aufweist als die Stufenschweißung. Gleichzeitig schmilzt die Schernaht und verbindet sich zu einer größeren Fläche, was die Abdichtung unterstützt.

Typische Scher- und Stufenschweißnähte sind in den Abbildungen 1 und 2 unten dargestellt.

Bei Produkten mit einer maximalen Größe von mehr als 89 mm oder einer unregelmäßigen Form ist es schwierig, den Spritzgussfehler zu kontrollieren, was zu instabilen Schweißergebnissen führt. Daher wird das Schernaht-Design für Produkte mit großen oder unregelmäßigen Formen nicht empfohlen, wohl aber das dreieckige Leiter-/Stufen-/Nut-Design. Im Allgemeinen beträgt die Einschweißtiefe der Scherfuge etwa das 1,25-fache der Wanddicke.

Für das Ultraschall-Nahfeldschweißen dünnwandiger PPS-Teile sind Hochfrequenz- (z. B. 20 kHz oder 30 kHz) und Schweißverfahren mit niedriger Amplitude wahrscheinlicher, erfolgreich zu sein. Gleichzeitig bietet es den Vorteil einer geringen Momentanleistung und Schutz vor Bauteilschäden. Bei Verwendung des Energieführungsrippendesigns beträgt für ein typisches teilkristallines Material der dreieckige Rippenwinkel 60°, die Bodenbreite beträgt im Allgemeinen 20–25 % und die Höhe beträgt das 0,866-fache der Bodenbreite.

Bei der Entwicklung von Produkten, die sich für ein Ultraschallschweißverfahren entscheiden, ist es wichtig, darauf zu achten, dass unnötige Ultraschallenergieverluste minimiert werden. Die Ultraschallwellen breiten sich in Bewegungsrichtung des Schweißhorns aus und  die Energie ist proportional zur Wandabschnittsgröße. Der zu vibrierende Teil sollte der oberste und leichteste Teil der Baugruppe sein, und Schweißhorn in Kontakt kommt.  über der Schweißraupe sollte eine größere flache Oberfläche vorgesehen sein , die mit dem Manchmal ist es notwendig, eine spezielle Struktur zu entwerfen, um Vibrationsenergie direkt auf die Schweißnaht zu übertragen, beispielsweise durch Hinzufügen einer erhabenen Lippenstruktur am Rand des Deckels. Außerdem ist ein ausreichender Montageabstand der Teile erforderlich, um Störungen und die Entstehung von Lötstellen zu vermeiden. Die Teile auf dem Vibrationsweg sollten abgerundet sein und die Kehlnahtgröße sollte das 0,6-fache der Wandstärke betragen, um eine Rissbildung der Teile beim Ultraschallschweißen zu vermeiden. Symmetrisch gestaltete Teile lassen sich aufgrund ihrer gleichmäßigen Druck- und Energieverteilung leichter schweißen.

Zusammenfassend sind die folgenden falschen Schweißkonstruktionen zu vermeiden:

1. Das Spaltdesign der Montagekomponente ist zu klein und es liegt eine enge oder Presspassung vor, die verhindert, dass die Ultraschallschwingungen effektiv auf die Schweißrippe übertragen werden.

2. Der Querschnitt des Teils, der die Ultraschallschwingungen überträgt, ist zu klein/dünn, was zu Rissen mit großer Amplitude führt;

3. Wenn die Größe der Schweißraupe zu groß ist, ist die momentane Leistungsabgabe zu groß, was zu Schäden an den Teilen führen kann.

4. Der Teil, der in direktem Kontakt mit dem Schweißhorn steht ,  ist nicht der fortschrittlichste und leichteste Teil der Baugruppe;

5. Scharfe Innenecken können zu Rissen in den Teilen führen;

6. Der innere Metalleinsatz absorbiert Ultraschallschwingungen und verringert die Schweißeffizienz, daher sollten Metallteile nach dem Ultraschallschweißen zusammengebaut werden.

3. Empfehlungen zum Schweißprozess

Der optimale Ultraschallschweißprozess hängt stark von der Teilequalität und der Montagegenauigkeit sowie den verwendeten Schweißgeräten und Vorrichtungen ab. Es ist wichtig, während der Produktdesignphase den Rat des Herstellers einzuholen. Bei der Anpassung der Schweißparameter sollten die Materialzusammensetzung, der Maßfehler und die Steifigkeit des Teils sowie der Abstand zwischen der Position des Schweißhorns und  dem Produkt und der Schweißnaht berücksichtigt werden. Die Schweißbarkeit des Produkts bezieht sich auf die Fähigkeit des Materials, Ultraschallschwingungen ohne Beschädigung zu übertragen.

Da es sich bei PPS um einen teilkristallinen Thermoplast mit hohem Schmelzpunkt handelt, sind normalerweise Ultraschallvibrationen mit großer Amplitude erforderlich, um den Kunststoff zu schmelzen und eine Schweißnaht zu bilden. In Anbetracht der hohen Moduleigenschaften (hohe Steifigkeit) des PPS kann die Amplitude der Leistung über eine beträchtliche Distanz im Kunststoffteil übertragen werden. Je größer der Abstand zwischen Sonotrode und Schweißnaht ist, desto größer ist die erforderliche Amplitude. Beim Nahfeldschweißen (der Abstand zwischen der Kontaktfläche des Schweißhorns und  der Schweißnaht beträgt weniger als 6 mm) kann eine höhere Schweißeffizienz durch die Verwendung eines Schweißverfahrens mit hoher Frequenz und geringerer Amplitude erreicht werden. Beim Fernfeldschweißen (der Abstand zwischen der Kontaktfläche des Schweißhorns und  der Schweißnaht beträgt mehr als 6 mm) ist die Amplitudenübertragungsstrecke durch die Produktstruktur begrenzt. Wenn die Wand dünner ist, ist die Übertragungsentfernung der Ultraschallschwingungen kürzer.

Die zum Schweißen erforderliche Leistung hängt von der Größe des Schweißbereichs, der Geometrie des Teils und den Absorptionseigenschaften des Materials ab. Beim PPS-Schweißen ist in der Regel eine hohe Leistungsabgabe erforderlich, um sicherzustellen, dass der Großteil der Energie sehr schnell auf die Schweißnaht übertragen wird und gleichzeitig Vibrationsschäden am Teil vermieden werden. Die Geschwindigkeit des Schweißhorns ist  auf das Aufschmelzen des PPS-Kunststoffs und die Formgeschwindigkeit der Schweißnaht abgestimmt.

Wenn das Produkt mit einer Schernaht konstruiert ist, können die Anfangsparameter auf hohe Leistungsabgabe, großen Verhältnisverhältnismodulator, niedrigen Schweißdruck und langsamere Schweißgeschwindigkeit eingestellt werden. Anschließend erfolgt entsprechend den tatsächlichen Schweißergebnissen die nächste Anpassung. Beachten Sie beim Löten, dass große Amplituden und dauerhafte Vibrationen die Oberfläche des Teils beschädigen können. Die maximale Schweißnahtfestigkeit entsteht während der Haltephase. Bei nicht guter Luftdichtheit kann zur Verbesserung der Staudruck-Halteabstand bzw. die Haltezeit erhöht werden.

Bei der Schernahtkonstruktion muss auf die seitliche Abstützung der Produktwand geachtet werden, um das Problem einer schlechten Schweißfestigkeit aufgrund der Öffnung der Seitenwand des Teils beim Schweißen zu vermeiden. Die Halterung kann aus Aluminium, Stahl, Harz oder anderen Materialien bestehen. Die Passung zwischen der Vorrichtung und dem Produkt sollte angemessen sein, um eine ordnungsgemäße Unterstützung zu gewährleisten und die Handhabung der Teile zu erleichtern.

4. Schweißfestigkeit

Die Festigkeit der Schweißnaht ist normalerweise viel geringer als die des Massenmaterials. Da die Schweißnaht fast keine Glasfasern enthält, wird die Schweißnahtfestigkeit hauptsächlich von der Festigkeit des Harzes selbst bestimmt. Das heißt, beim Schweißen von reinen Harzmaterialien (mit Ausnahme von glasfaserverstärkten Materialien) ist die Schweißnahtfestigkeit normalerweise nicht so groß wie die des Massenmaterials. Bei bestimmten PPS-Materialien kann die Schweißfestigkeit 50 MPa erreichen; Bei den meisten PPS-Materialien beträgt die Schweißfestigkeit weniger als 35 MPa. Darüber hinaus nimmt die Schweißnahtfestigkeit mit steigender Temperatur ab, wie die folgende Abbildung zeigt (reine Zugfestigkeit von reinem PPS als Funktion der Temperatur).

Darüber hinaus gibt es viele weitere Faktoren, die die Schweißnahtfestigkeit beeinflussen:

Fläche des Schweißbereichs. Je länger der Draht, desto mehr geschmolzener Kunststoff, desto höher ist die Schweißnahtfestigkeit. Tatsächlich wird die Fläche des geschweißten Bereichs jedoch, abhängig von Faktoren wie Spritzgussgenauigkeit und Vorrichtungen, viel kleiner sein, als die Konstruktion erwartet.

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Maßhaltigkeit und Qualität von Spritzgussteilen. Injektionsfehler wie Hohlräume absorbieren Ultraschallschwingungen und beeinträchtigen die Energieübertragung. Kann zu Verbrennungen und inneren Rissen auf der Oberfläche des Teils sowie zu einer geringeren Schweißnahtfestigkeit führen.

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Eine solche Oberflächenverunreinigung des Schmier- oder Formtrennmittels verringert die Reibungswärmeentwicklung und behindert den Schweißprozess. Gleichzeitig wird die Schweißnahtfestigkeit durch in die Schweißnaht eindringende Verunreinigungen beeinträchtigt.

Während des Schweißvorgangs wird der PPS-Kunststoff an der Schweißstelle schnell geschmolzen und schnell abgekühlt, und es ist leicht, einen amorpheren (amorphen) Zustand zu erzeugen. Wenn das Produkt bei Temperaturen über 85 °C verwendet wird, geht das PPS allmählich in einen teilkristallinen Zustand über, was zu zusätzlicher Spannung im Produktinneren führt.