Ultraschallschweißen von thermoplastischen Verbund Coupons für Mechanische Charakterisierung von Schweißverbindungen durch Einzelüberlappungsscherprüfung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, thermoplastische Verbundwerkstoffverbindungen für grundlegende mechanische Prüfungen mithilfe vereinfachter Energieführungen, einer schnellen Bestimmung optimaler Schweißparameter und einer Wegregelung zur sicherstellung gleichbleibender Schweißnahtqualität herzustellen. Diese Methode hilft, zentrale Fragen im Bereich der Verbindung von Verbundwerkstoffen zu beantworten, beispielsweise welche Festigkeit von einer geschweißten Verbindung und von einem Kunststoff-Verbundwerkstoff erwartet werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie nach schneller Ermittlung der optimalen Schweißparameter konsistente, hochwertige Schweißproben erzeugt.

Verwenden Sie für dieses Verfahren einen mikroprozessorgesteuerten Ultraschallschweißer, der mit konstanter Amplitude arbeiten kann. Der Schweißer muss Prozessdaten wie dissipierte Leistung und Verschiebung des Sonotrodes über die Zeit an einen Computer ausgeben können. Diese Demonstration verwendet eine speziell angefertigte Vorrichtung, die entwickelt wurde, um Einfachüberlappungsscherproben präzise zu positionieren und zu fixieren.

Schalten Sie den Ultraschallschweißer ein und melden Sie sich am Computer an. Vor jedem Experiment notieren Sie die folgenden Parameter: Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit, die Referenz der Schweißanlage, den Typ der Sonotrode, die Probenummer und das Material, die Breite und Dicke der oberen und unteren Proben sowie die Dicke des Energierisss. Starten Sie die Software zur Datenerfassung und öffnen Sie eine neue Sitzung.

Diese Demonstration verwendet einen zylindrischen Sonotroden mit 40 Millimeter Durchmesser. Als Nächstes werden die Proben und der Energierichter hinzugefügt. Reinigen Sie zunächst die Proben und den Energierichter.

Danach befestigen Sie den flachen Energieführer mit Klebeband an der unteren Probe. Er sollte einen Bereich abdecken, der etwas größer ist als der zu verschweißende Bereich. Anschließend platzieren und richten Sie die untere Probe in der Vorrichtung aus.

Und befestigen Sie es, indem Sie die obere Schraube festziehen. Befestigen Sie anschließend das andere Ende des Energieführers mit Klebeband an der Basis der Vorrichtung. Danach setzen Sie die obere Probe in die Klemme ein und richten Sie sie aus.

Ziehen Sie nun die obere Schraube fest. Danach positionieren Sie die Klammer für die obere Probe auf der Schiebeplattform und ziehen Sie beide Schrauben fest. Bevor Sie mit dem Schweißen fortfahren, ziehen Sie alle vier Schrauben nochmals fest.

Um die höchste Schweißfestigkeit zu erreichen, müssen Sie die optimale Dauer der Vibrationsphase anhand der Verschiebung des Sonotroden bestimmen. Diese Dauer muss für jede Kombination aus Schweißkraft und Schwingungsamplitude ermittelt werden. Beginnen Sie damit, den Steuermodus des Ultraschallschweißgeräts auf Differenzialverschiebung einzustellen.

Geben Sie als Nächstes die Schweißkraft und die Schwingungsamplitude ein. Beachten Sie, dass die Amplitude in den Einstellungen dieses Geräts als die Hälfte des Spitze-zu-Spitze-Amplitudenwerts angegeben wird. Geben Sie nun die Verschiebung oder den Hub des Sonotroden am Ende der Vibrationsphase ein.

Verwenden Sie einen Wert, der der anfänglichen Dicke des Energieführers entspricht, in diesem Fall also 0,25 mm. Geben Sie anschließend die Erstarrungskraft und die Erstarrungszeit ein. In diesem Beispiel betragen diese Werte 1.000 N und 4.000 ms.

Nach der Eingabe dieser Einstellungen ist das System bereit, Ultraschallschweißungen durchzuführen. Tragen Sie Schutzbrille und schallgedämmte Kopfhörer und starten Sie den Vorgang. Notieren Sie nach Abschluss einer Schweißung die folgenden Ausgabeparameter: Schwingungsenergie, maximale Leistung und Schweißweg.

Entfernen Sie dann den Probekörper aus der Schweißanordnung und beschriften Sie beide Enden mit einer Identifikationsnummer, indem Sie einen Farbmarker verwenden. Exportieren Sie nun die Schweißdaten in eine Tabellenkalkulation und stellen Sie Leistung und Weg über der Zeit während der Vibrationsphase des Prozesses grafisch dar. Beachten Sie, dass diese Kurve die Abwärtsbewegung des Sonotroden im Vergleich zu seiner Position zu Beginn der Vibrationsphase darstellt.

Identifizieren Sie anhand der Kurven die Verschiebung in der Mitte der Leistungsplateau-Phase. Dieser Verschiebungswert ist die optimale Hublänge, die die Dauer der Schwingungsphase für hochfeste Schweißverbindungen steuert. Verwenden Sie diesen optimalen Hublängenwert bei jedem nachfolgenden Schweißvorgang für dieselbe Schweißkraft und Amplitude.

Nach Abschluss aller Schweißnähte prüfen Sie deren Schubfestigkeit im Einzelüberlappungsstoß nach dem ASTM D1002-Prüfstandard oder einem ähnlichen Standard unter Verwendung einer Universalprüfmaschine. Verbundproben aus kohlenstofffaserverstärktem Polyetherimid mit einer NennDicke von 1,92 Millimetern wurden mit der beschriebenen Methode geschweißt. Flache Polyetherimid-Energierichter mit einer Dicke von 0,25 Millimetern kamen zum Einsatz.

Der optimale Wegwert bei einer Schweißkraft von 300 Newton und einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 86,2 Mikrometern wurde als 40 % der anfänglichen Dicke des Energieführers berechnet. Um den berechneten optimalen Wegwert zu überprüfen, wurden Proben bei verschiedenen Wegwerten geschweißt und anschließend getestet. Für jeden Wert wurden fünf Schweißungen durchgeführt.

Die scheinbare Lap-Scherfestigkeit erreichte ihr Maximum bei 40 % der anfänglichen Dicke des Energieführers, was tatsächlich dem berechneten optimalen Wegmaß entsprach. Die Bruchflächen der geprüften Proben zeigten vollständig verschweißte Bereiche, was die Fähigkeit des flachen Energieführers belegt, den vorgesehenen Schweißbereich zu verbinden. Schließlich führte das weggesteuerte Schweißen, wie durch die geringe Streuung der Festigkeitswerte gezeigt, zu einer sehr gleichmäßigen Schweißqualität.

Eine andere Strategie, wie beispielsweise die zeitgesteuerte Schweißung, wird voraussichtlich eine hohe Streuung aufweisen, wie durch die signifikante Überlappung der Vibrationszeiten bei unterschiedlichen Wegstrecken und damit verbundenen unterschiedlichen Festigkeitsniveaus nahegelegt wird. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie wissen, wie man Ultraschallschweißverbindungen in thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit optimaler Qualität herstellt. Diese Methode ist für grundlegende mechanische Prüfungen vorgesehen, mit vereinfachten Energieriegeln und einer vereinfachten Definition der Prozessparameter.

Wenn die Methode einmal beherrscht ist, können die Definition optimaler Schweißparameter und das Schweißen einer Probecharge bei sachgemäßer Durchführung in weniger als zwei Stunden durchgeführt werden. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden, wie die Querschnittsmikroskopie, angewendet werden, um zusätzliche Fragestellungen zu beantworten, beispielsweise zur Dicke der Schweißnaht oder zum Ausmaß der wärmeeinflussten Zonen.