Vibrationsschweißen

Einordnung des Verfahrens

Das Vibrationsschweißen wird vornehmlich eingesetzt, wenn ökonomischer Kostendruck kurze Taktzeiten erforderlich macht und die Bauteilgröße den Einsatz des Ultraschall-schweißens verhindert. Beim Vibrationsschweißen werden die Bauteile in einer oszillierenden, translatorischen, biaxialen oder winkelförmigen Relativbewegung unter definiertem Druck so lange gegeneinander bewegt, bis der Werkstoff in der Berührzone plastifiziert und ein Schmelzefluß stattfinden kann. Nach Beendigung des Fügevorgangs erfolgt das Abkühlen der Naht - ebenfalls unter Druck.

Bild 1: Kinematische Varianten des Vibrationsschweißens

Die erste theoretische Analyse des Vibrationsschweißens wurde von Potente, Michel und Ruthmann veröffentlicht. Aus dem Energiesatz und den Strömungsbedingungen wird eine Aufteilung in vier aufeinander folgende Phasen postuliert:

Bild 2: Aufteilung der vier Phasen

Phase I: In der Feststoffreibphase werden die Fügeteile durch Grenzflächenreibung bis zur Schmelztemperatur erhitzt.

Phase II: Die instationäre Schmelzefilmbildung ist gekennzeichnet durch eine zeitlich anwachsende Schmelzefilmdicke, in der die Energiezufuhr durch Scherung in Wärme umgesetzt wird. Der Abschmelzweg nimmt progressiv zu.

Phase III: Die stationäre Phase wird an der Konstanz der Abschmelzgeschwindigkeit festgemacht.

Phase IV: In der Nachdruckphase, auch als Abkühl- oder Haltephase bezeichnet, werden die Fügeteile unter dem noch wirkenden Schweißdruck ohne Vibrationsbewegung bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze in ihre endgültige Position gedrückt.

Dämpfungserwärmung und Fusselbildung

Während der Feststoff- oder auch Trockenreibphase erfolgt die Erwärmung unter günstigen Bedingungen im Wesentlichen durch Grenzflächenreibung in der Fügeebene. Die Phase I beginnt mit dem Einsetzen der Vibration und endet mit der Bildung eines vollflächigen Schmelzefilms zwischen den Fügeteilen. In dieser Phase kann im Bereich der Einspannkanten des Formteils infolge von Stegdeformationen eine drastische Verringerung der wirksamen Amplitude auftreten. Man spricht dann von einer Dämpfungserwärmung, die fehlerhafte Schweißnähte zur Folge haben kann. Mögliche Ursachen der Dämpfungserwärmung sind:

  • Schlecht fixierter Schweißsteg
  • Amplitude zu groß
  • Schweißsteg zu dünn
  • Schweißdruck zu hoch
  • Schweißsteg liegt quer zur Vibrationsrichtung
  • Schlechte Formteilsteifigkeit
  • Einspannlänge zu groß

Wird in der Grenzfläche zwischen den Fügeteilen die Glasübergangstemperatur bzw. die Kristallitschmelztemperatur überschritten, setzt partielle Schmelzefilmbildung ein.

Bild 3: Übergangszustände Feststoff- und Schmeözefilmreibung

Die durch die Reibbewegung aus den Fügeteiloberflächen herausgerissenen Partikel bilden begrenzte Zonen aufgeschmolzenen Materials. Solange noch kein vollflächiger Schmelzefilm mit ausreichender Dicke vorliegt, wird die Schmelze durch die Vibrationsbewegung zu Fäden aufgerollt, die an den Formteilwänden in Vibrationsrichtung als störende Fusseln aus der Fügezone heraustreten. Diese Fusselbildung wird beim Querschweißen nicht beobachtet. Neue Ansätze und Verfahrensvarianten zur Fusselvermeidung und Reduzierung sind zur Zeit in der Erprobung.

Der Vibrationsreibprozeß kann mit ein oder zwei Druckstufen durchfahren werden. Bei der Prozeßvariante des so genannten Hochdruckanfahrens (zwei Druckstufen) wird die zweite Prozeßphase mindestens zweimal durchlaufen. Durch die Absenkung des Druckes wird der Quetschfluß der Schmelze in den Wulst verringert, so daß eine größere Schmelze-schichtdicke bei vermindertem Abschmelzweg erreicht wird. Gegenüber dem Schweißen mit konstantem Druck können in dieser Variante hohe Nahtfestigkeiten bei verkürzten Reibzeiten festgestellt werden.

Bild 4: Prozessablauf Hochdruckanfahren

Maschinensysteme und Systemmerkmale

Bei den üblichen Vibrationsschweißmaschinen unterscheidet man drei unterschiedliche Antriebssysteme, die je nach Schwingungsvariante mehr oder weniger geeignet sind. Der Einsatz der unterschiedlichen Antriebssysteme und deren Systemmerkmale können der Tabelle entnommen werden:

Schwingungsvariante Antriebssystem
elektromagnetisch hydraulisch elektromechanisch
Linear X X X
Angular X
Biaxial X X

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