Zwei Kunststoffteile kommen unter einem bestimmten Druck, einer bestimmten Amplitude und einer bestimmten Frequenz in Kontakt und reiben aneinander. Durch Reibung entsteht Wärme, die dazu führt, dass das Material an der Schweißnahtschnittstelle schmilzt. Unter Druck fließt der geschmolzene Kunststoff aus dem Schweißbereich und bildet einen Überlauf. Nachdem die Vibration aufgehört hat, verfestigt sich die geschmolzene Kunststoffschicht und es entsteht eine starke Verbindung.
Der Vibrationsreibschweißprozess kann in vier verschiedene Phasen unterteilt werden: die Phase der Festkörperreibung, die Phase des Übergangs in die feste -flüssige Phase, die Phase des stationären -Strömungszustands und die Abkühlphase.
Im Festkörperreibungsstadium wird durch die Reibung zwischen den Oberflächen der beiden Teile Wärme erzeugt. Die Oberflächenschicht des Materials wird bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung hängt von den Reibungseigenschaften des Materials und den Schweißparametern (Frequenz, Amplitude und Druck) ab.
In der Übergangsphase der festen -flüssigen Phase ändert sich die Heizmethode von der Oberflächenreibungserwärmung zur Scherspannungserwärmung zwischen Schichten im geschmolzenen Zustand. An diesem Punkt nimmt die Dicke der geschmolzenen Schicht kontinuierlich zu. Mit zunehmender Tiefe der geschmolzenen Schicht nimmt jedoch die Heizleistung allmählich ab.
In der stationären Schmelzflussphase entspricht die Schmelzrate der Auswärtsflussrate (stationärer Zustand). Sobald dieses Stadium erreicht ist, wird die Dicke der geschmolzenen Schicht konstant. Die Vibration hört auf, sobald die eingestellte Schweißtiefe erreicht ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit ist in der Mitte am höchsten und an den Rändern am niedrigsten. Die Strömungsgeschwindigkeit weist eine parabolische Verteilung über die Dicke auf.
Nachdem die Vibration aufgehört hat, kühlt die Schmelze ab und beginnt zu erstarren, wodurch die Abkühlphase beginnt. Die Schweißnaht verfestigt sich unter statischem Druck und verbindet die Teile dauerhaft miteinander.
Um eine gleichmäßige Erwärmung im gesamten Schweißbereich und damit eine gleichbleibende Schweißleistung zu gewährleisten, ist es entscheidend, dass Ober- und Unterteil während des gesamten Schweißvorgangs im Schweißbereich vollständigen Kontakt aufrechterhalten. Ein ausreichender Kontakt kann durch verbesserte Maßhaltigkeit der Teile, Strukturoptimierung und Vorrichtungsdesign erreicht werden.
