DE10129645B4 - Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen (15) mit den Schritten
– Vorsehen eines Konturdrahtes (18) an der Schweißstelle
– Induktives Erwärmen des Konturdrahtes (18) durch eine Spule, bestehend aus einem E- oder U-Kern (16) mit Wicklung (17), wobei die Wicklung an einem Rechteckgenerator betrieben wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen in der Kunststoffverbindungstechnik, wobei das Verfahren auch auf andere Bereiche und Industriezweige übertragbar ist.
  • Zum Verschweißen von Kunststoffteilen innerhalb kurzer industrieller Zyklen müssen die Werkzeuge schnell abkühlbar sein, damit sie, ohne am Material zu kleben, von den Schweißstellen abgehoben werden können. Stark massebehaftete Werkzeuge, die eine entsprechend hohe Wärmekapazität besitzen, wie z.B. Metallplatten, die durch Heizpatronen erwärmt werden, scheiden aufgrund ihrer langen Abkühlzeit für derartige Anwendungen aus.
  • Es bieten sich hingegen kleine leichte Werkzeuge an, wie z.B. einzelne Nietstempel, die sich während des Fertigungszyklus problemlos erwärmen und ebenso schnell abkühlen lassen.
  • Eine andere Anwendung für das nachfolgend beschriebene Verfahren ist das Einschweißen von metallischen Schraubdomen oder das Verschweißen von Gehäusen aus Halbschalen mittels Konturdrähten. Bei diesen beiden Schweißvorgängen verbleiben die Metallteile im Kunststoff.
  • Für alle vorangehend beschriebenen Anwendungen ist die Erwärmung der betreffenden Metallteile durch ein induktives Wechselfeld geeignet. Das bedeutet in der Praxis, dass man die Metallteile in das Innere einer Spule geeigneter Geometrie einbringt und in der Spule das Wechselfeld erzeugt.
  • Aus der DE 199 06 597 A1 ist bekannt, metallische Teile induktiv mit einem Generator und einer Spule zu erwärmen, wobei der in der Spule eingespeiste Strom sinusförmig, rechteckförmig, sägezahnförmig oder dreieckförmig sein kann.
  • In der DE 412 2070 A1 ist eine Induktivanlage beschrieben, bei der die induktive Last über einen Rechteckgenerator mit Impulsbreitenregelung betrieben wird.
  • Aus den Patent Abstracts of Japan JP09290461 A , JP 61213126 A und JP 10291255 A sowie der DE 199 13 500 A1 und der DE 199 12 099 A1 sind Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen durch induktives Erwärmen metallischer Teile bekannt.
  • Ein bekanntes Verfahren für derartige Anwendungen ist die Erzeugung von sinusförmigen induktiven Wechselfeldern mittels Halbbrücken-Resonanzwandlern. Dieses Verfahren ist jedoch abstimmungskritisch, da sich die zur Erzeugung des Wechselfeldes notwendige Spule, in der das Metallteil liegt, mit einem parallelgeschalteten Kondensator in Resonanzbedingung befinden muss. Abgesehen vom hohen Abstimmungsaufwand ist das Verfahren in industrieller Umgebung störanfällig, da sich andere metallische Gegenstände in der Nähe des Resonanzkreises befinden und die Resonanzfrequenz verändern können.
  • Ein ebenfalls bekanntes Verfahren für diesen Einsatz ist die Erzeugung sinusfömiger Wechselfelder mit einer Gegentaktausgangsstufe. Dieses Verfahren besitzt jedoch systembedingt nur einen Wirkungsgrad von etwa 50 %. Die Umsetzung der elektrischen in induktiv wirksame Energie setzt jedoch den Wirkungsgrades gesamten Systems auf inakzeptable Werte herab, da bei hohen notwendigen Leistungen einen unwirtschaftlichen Kühlungsaufwand erforderlich würde.
  • Hohe Leistungen sind aber bei derartigen Anwendungen die Regel, da die Metallteile häufig im Sekundenzyklus erhitzt werden müssen.
    •
  • Danach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur induktiven Erwärmung zu schaffen, das nicht lastkritisch ist, ein sehr breites Spektrum unterschiedlicher Spulengeometrien treiben kann, außerdem langzeitstabil arbeitet und zu reproduzierbaren technischen Ergebnissen in Form einwandfreier Schweißungen führt.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die genannten Generatoren sind direkt an entsprechende niederohmige Spulen anschließbar, benötigen keine Resonanzbedingung und demzufolge auch keine Abstimmung. Darüber hinaus wird bei kurzen Schaltzeiten in der Ausgangsstufe nur wenig Wärme erzeugt, da sich die Transistoren je nach Schaltzustand im nahezu spannungslosen oder stromlosen Zustand befinden. Die bei diesem Verfahren entstehende Verlustwärme lässt sich mit akzeptablem Kühlungsaufwand abführen. Insgesamt besitzt das Verfahren nach der Erfindung einen hohen Wirkungsgrad, ist betriebssicher und erfordert keine Resonanzabstimmung.
  • In der Weiterbildung der Erfindung werden Rechteckgeneratoren mit parallelgeschalteten Leistungs-Feldeffekttransistoren verwendet. Die Leistungs-Feldeftekttransistoren – FET – müssen hohe Ströme schalten können und über eine entsprechend hohe Drain-Source-Sperrspannung verfügen, um nicht durch die beim Abschalten der angeschlossenen Induktivität entstehenden Spannungsspitzen zerstört zu werden.
  • In Ausgestaltung der Erfindung arbeiten die Leistungs-Feldeffekttransistoren in Source-Schaltung und steuern eine angeschlossene Spule im Eintaktbetrieb.
  • In anderer Ausgestaltung wird ein bipolares Rechtecksignal durch einen komplementäre oder quasikomplementäre Ausgangsstufe erzeugt bei gleichzeitigem Anschluss einer Spule an einen virtuellen Nullpunkt in Form eines kapazitiven Spannungsteilers.
  • Die Verwendung ähnlich aufgebauter Brückenschaltungen ist möglich. Solche Schaltungsvarianten sind jedoch aufwendiger. Die Eintaktversion gewährleistet aber bereits sehr zufriedenstellende Ergebnisse.
  • Diese Art von Ausgangsschaltung arbeitet problemlos an Spulen unterschiedlichster Geometrie und Ausführung.
  • Gemäß der Erfindung werden Spulen mit E- oder U-förmigen Ferritkernen Verwendet. Das beschriebene Generatorprinzip stellt keine besonderen Anforderungen an die elektromagnetischen Daten der angeschlossenen Spulen. Die Verwendung derartiger Ferritkerne ist immer dann erforderliche, wenn sich der Artikel nicht in das Innere einer zylindrischen Spule einbringen lässt, statt dessen das Feld seitlich an den Artikel herangeführt werden muss. Das ist z.B. bei der Erwärmung fortlaufender Drähte, dem Verschweißen von „endlosen" Rohren oder dann der Fall, wenn die Schweißstelle an einer Einschnürung des Kunststoffteils liegt.
  • Die Arbeitsfrequenz der Generatoren ist unkritisch und lässt sich über einen sehr weiteren Bereich variieren. Die Anmelderin hat bei ihren Versuchen, insbesondere bei der Erwärmung ferromagnetischer Objekte, einen günstigen Wirkungsgrad bei einer Frequenz von 32 kHz ermittelt. Der Wirkungsgrad des Systems wird von mehreren Faktoren bestimmt, wie z.B. der Beschaffenheit des zu erwärmenden Artikels, hinsichtlich Geometrie, Material und Masse. Der Wirkungsgrad wird darüber hinaus durch die Auslegung der Spule und die Länge und den Querschnitt der Zuleitung bestimmt.
  • Bei einfachen zylindrischen Objekten und Spulen mit einem günstig gewählten Verhältnis zwischen Windungszahl und Drahtstärke lässt sich problemlos ein Systemwirkungsgrad von 50 % oder mehr erreichen. Die Erwärmung der Spule ist in der Regel zu vernachlässigen und zum größten Anteil auf Strahlungswärme durch den erhitzten Artikel zurückzuführen. Dadurch lässt sich die Spule mit geringem Aufwand, wie z.B. mit Druckluft, kühlen. Auf die Verwendung schwierig zu bearbeitender wassergekühlter Hohlleiter kann verzichtet werden.
  • Ein besonderer Vorzug der Erfindung liegt in weiterer Ausgestaltung außerdem darin, dass die abgegebene Leistung des Rechteckgenerators durch Variation des Tastverhältnisses des Rechtecksignals von nahezu 0 bis 100 % der Leistungskapazität des Rechteckgenerators einstellbar ist.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einem Blockschaltbild – 1 – dargestellt. Das Blockschaltbild zeigt einen Rechteck-Induktionsgenerator.
  • Ein Beispiel für das Verschweißen eines Kunststoffteils ist in Ansicht und Perspektive dargestellt – 2 -.
  • In 1 dient ein Netzteil 1 zur Versorgung der gesamten Kleinleistungselektronik. Ein 32 kHz-Ozillator 2 triggert eine nachfolgende monostabile Schaltung 3, deren Schaltzeit zwecks Leistungseinstellung über einen Verstärker 10 durch ein Potentiometer 14 intern oder durch eine externe Spannungsquelle zwischen 10 und 50 % der gesamten Periodendauer eingestellt wird.
  • Das rechteckige Ausgangssignal der monostabilen Schaltung 3 wird durch einen Treiber 4 verstärkt und steuert über entsprechende Gatewiderstände parallelgeschaltete Ausgangs-FETs 11, deren Drain-Anschlüsse direkt mit einer externen Spule 12 verbunden sind. Die Ausgangsschaltung 11 wird ihrerseits durch ein separates Netzteil 13 versorgt.
  • Zur Leistungsbegrenzung bzw. Kurzschlusssicherung wird der Fußstrom der Ausgangsschaltung 11 an einem Strommesswiderstand 9 abgegriffen und über einen Verstärker 8 einem Filter 7 zugeführt, dessen Ausgangsspannung durch einen Komparator 6 mit einer voreingestellten Referenzspannung verglichen wird. Wird der betreffende Vergleichswert überschritten, setzt der Komparator 6 ein Flip-Flop 5, dessen Ausgang daraufhin den Ozillator 2 stoppt. Das Flip-Flop 5 kann intern oder extern zurückgesetzt werden, wodurch der Generator wieder arbeitsbereit ist.
  • 2 zeigt das Verschweißen von Kunststoffteilen, die sich aufgrund ihrer Geometrie nicht durch eine Rundspule hindurchführen lassen, durch seitliches Einführen in das Feld eines U-Kerns. Ein derartiges Verfahren kann zum Beispiel bei sogenannten endlosen Kunststoffrohren 15 oder bei Teilen erforderlich sein, deren gesamte Abmessungen deutlich größer sind als die Abmessung der Schweißstelle, die Schweißstelle also an einer Einschnürung liegt. Zum Verschweißen ist ein Konturdraht 18 verwendet. U-Kerne 16 mit entsprechender Wicklung 17 eignen sich besonders zum Betrieb an den vorangehend beschriebenen Rechteckgeneratoren, da diese keine besonderen Anforderungen an die elektromagnetischen Daten der angeschlossenen Spulen 12 stellen.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen (15) mit den Schritten – Vorsehen eines Konturdrahtes (18) an der Schweißstelle – Induktives Erwärmen des Konturdrahtes (18) durch eine Spule, bestehend aus einem E- oder U-Kern (16) mit Wicklung (17), wobei die Wicklung an einem Rechteckgenerator betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile (15) Kunststoffrohre sind.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der E- oder U-Kern (16) ein Ferritkern ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rechteckgenerator parallelgeschaltete Leistungs-Feldeffekttransistoren verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs-Feldeffekttransistoren in Source-Schaltung arbeiten und die angeschlossene Wicklung im Eintaktbetrieb steuern.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss der Wicklung mit einem virtuellen Nullpunkt in Form eines kapazitiven Spannungsteilers verbunden ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckgenerator in Brückenschaltung aufgebaut ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Leistung des Rechteckgenerators durch Variation des Tastverhältnisses des Rechtecksignals einstellbar ist.
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