DE1192813B

DE1192813B - Verfahren zum Verschweissen von thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE1192813B
Application number: DEF34117A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Herbert Funck
Original assignee: FUNCK KG DR ING
Current assignee: FUNCK KG DR ING
Priority date: 1961-06-08
Filing date: 1961-06-08
Publication date: 1965-05-13

Description

Verfahren zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen, deren miteinander zu verschweißende Oberflächenschichten durch längs der einander zugewandten Oberflächen stetig fortschreitenden Kontakt mit einem Wärmeträger bis auf Schweißtemperatur erhitzt werden.
Zur Verschweißung von thermoplastischen Kunststoffen sind unterschiedliche Verfahren bekannt; als Beispiele seien die Hochfrequenzschweißung, die Wärmeimpulsschweißung, Verschweißung durch Reibung, die Heißluft- und schließlich die Heizkeilschweißung genannt.
Die Hochfrequenzschweißung eignet sich praktisch ausschließlich zum Verschweißen von Kunststoffteilen gleicher oder zumindest einander ähnlicher Dicke bzw. Stärke. Die Wärmeimpulsschweißung wurde speziell für die Verschweißung sehr dünner Kunststoffolien entwickelt. Die Reibungs- und Heißluftschweißung werden fast nur für das Verschweißen harter Thermoplaste verwendet, während die Heizkeilschweißung im wesentlichen für das Zusammenschweißen weicher Kunststoffe verwendet wird, auch wenn die miteinander zu verschweißenden Teile stark unterschiedliche Dicken oder Formen haben.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verbesserung eines Schweißverfahrens, bei dem die einander zugewandten, miteinander zu verschweißenden Oberflächen der thermoplastischen Kunststoffe durch längs dieser Oberflächen stetig fortschreitenden Kontakt mit einem Wärmeträger erhitzt, unmittelbar darauf zusammengeführt und fest aufeinandergepreßt werden.
Nach diesem Verfahren arbeitet insbesondere die oben an letzter Stelle genannte Heizkeilschweißung, die vielseitig anwendbar ist.
Bei dieser Heizkeilschweißung, deren Leistung durch die vorliegende Erfindung erhöht werden soll, wird der Schweißvorgang ln der Weise durchgeführt, daß ein etwa keilförmig gestaltetes Heizelement als Wärmeträger langsam zwischen den miteinander zu verschweißenden, einander zugewandten Oberflächenschichten der Kunststoffe hindurchgeführt wird, wobei ein Erhitzen der Oberflächenschichten eintritt.
Sofort hinter dem »Heizkeil« werden die auf Schweißtemperatur gebrachten Oberflächen der Kunststoffe fest aufeinandergepreßt, wobei die innige Verschweißung und Verbindung erfolgt.
Die Schweißgeschwindigkeit ist nun dadurch begrenzt, daß der Heizkeil, der den einzigen Wärmeträger bildet, nur unwesentlich über die Schmelztemperatur der thermoplastischen Kunststoffe erhitzt werden darf, damit keine unerwünschte Zersetzung der Kunststoffe stattfindet. Infolgedessen kann je Flächeneinheit des Heizkeiles während der Kontaktzeit nur eine begrenzte Wärmemenge an die auf dem Heizkeil gleitenden Oberflächenschichten des Kunststoffes übertragen werden. Da auch eine beliebige Vergrößerung der wirksamen Heizkeilflächen in den meisten Fällen ausgeschlossen ist, muß man die Schweiß geschwindigkeit so weit herabsetzen, daß während der entsprechend langen Kontaktdauer zwischen dem Heizkeil und den Kunststoffoberflächenschichten diesen ein genügend großer Wärmebetrag zugeführt werden kann.
Die diesen Nachteil der Heizkeilschweißung beseitigende Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Grundgedanken, die Heizkeilschweißung mit der Heißluftschweißung derart zu kombinieren, daß ohne wesentliche Vergrößerung des Heizelementes den Oberflächenschichten der Kunststoffe eine größere Wärmemenge zugeführt und die Schweißgeschwindigkeit entsprechend gesteigert werden kann.
Das neue Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die zu verschweißenden Oberflächenschichten zunächst durch direkten Kontakt mit äußeren Heizflächen eines zwischen den Oberflächen befindlichen Heizelementes vorgeheizt und unmittelbar darauf durch zwischen die zur Aufpreßstelle hin zusammengeführten Oberflächenschichten in Richtung zur Aufpreßstelle hin eingeblasenes heißes Gas auf Schweißtemperatur erhitzt werden.
Eine Vor- und Nacherhitzung der zu verschweißenden Oberflächenschichten ist an sich bekannt. So hat man schon thermoplastische Stoffe einer Wärmestrahlung ausgesetzt, wobei die Wärmestrahlen durch optische, den Strahlengang beeinflussende Mittel an die Schweißstelle gelenkt werden. Dies erfolgt dort allerdings unter Verwendung einer einzigen Wärmequelle. Zwei zu verschweißende Folien wurden bei einer ersten Ausführung von einer homogenen Strahlung durchsetzt, die dann durch einen Spiegel so reflektiert wurde, daß sich an der Schweißstelle eine Strahlfokussierung ergab. Dabei müssen aber die Folien für die Strahlung durchlässig sein und eine nur relativ geringe Absorption der Strahlungsenergie ergeben, und an der Schweißstelle muß mitunter ein besonderes Medium aufgetragen werden, das diese Absorption in der dort erwünschten Weise steigert.
Nach einer anderen bekannten Ausführung wird die Strahlung auf die Innenfläche zweier keilförmig zur Schweiß stelle hin zusammengeführter Folien gerichtet, wobei dann eine Reflexion der Wärmestrahlung an diesen Innenflächen eintreten soll und die Wärme sich kontinuierlich bis zur Schweißstelle hin steigert. Dabei muß aber dafür gesorgt werden, daß an den Innenflächen überhaupt eine bemerkenswerte Reflexion eintritt, da sonst die dem Heizelement näher gelegenen Teile der Folien stärker als die an der Schweißstelle befindlichen Folienteile erhitzt werden, was zu einer thermischen Zersetzung oder Umwandlung dieser Teile führen kann und die Festigkeit der Schweißverbindung nachteilig beeinflußt.
Außerdem eignet sich das zuletzt beschriebene Verfahren nur für die Herstellung gerader Schweißnähte, kann also beispielsweise dann nicht Anwendung finden, wenn eine Kunststoffsohle mit einem am Oberschuh zu befestigenden Kunststoffrahmen verbunden werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die vorbeschriebenen Nachteile, da der Heizkeil und eine Gasheizsonne sehr kompakt gestaltet werden können, so daß man allen Kurven einer Schweißnaht folgen kann, und die Temperaturen in den beiden benachbarten Heizbereichen lassen sich ohne weiteres so abstimmen, daß keine nachteilige Beeinflussung der zu verschweißenden Werkstoffe eintritt.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens kann man das ähnlich einem Heizkeil ausgebildete Heizelement auf einer Temperatur halten, die stets unter der Zersetzungstemperatur des Kunststoffes bleibt, so daß keine unerwünschten Zersetzungserscheinungen auftreten können; wegen der anfänglich großen Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem Kunststoff tritt jedoch eine relativ starke Vorerwärmung zumindest der Oberfläche des Kunststoffes ein.
Die unmittelbar hinter dem Heizelement bzw. von der Ablaufseite des als Heizelement verwendeten Heizkeiles in Richtung auf die Aufpreßstelle hin zusammengeführten Oberflächenschichten der miteinander zu verschweißenden Kunststoffe schließen einen hohlen Zwickel ein, der genügend Raum für die Unterbringung einer Heißgas- bzw. Heißluftzuleitung und einer Ausblasdüse bietet, welche das heiße Gas bzw. die Heißluft in Richtung auf die Schweißstelle in diesen sich zur Aufpreßstelle hin verengenden Raum einbläst. Die heißen Gase bzw. die Heißluft strömen dabei im wesentlichen parallel an den bis auf Schweißtemperatur aufzuheizenden Oberflächenschichten entlang und treten entsprechend der Verengung des Spaltes zwischen diesen Schichten seitlich aus. Bei leicht zu erzielender stärkerer Turbulenz der Luftströmung ist der Wärmeübergang bei dieser Art des Kontaktes zwischen dem Gas bzw. der Luft und den Kunststoffflächen ein sehr guter, so daß die zuzuführende Luft bzw. das Gas nicht wesentlich über die Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Kunst- stoffes erhitzt zu werden braucht, um den Oberflächenschichten die zusätzliche, noch zum Erreichen der Schmelztemperatur fehlende Wärmemenge zuzuführen.
Bei Anwendung des neuen Verfahrens der kombinierten Heizelement-Heißgas-Schweißung kann man die Schweißgeschwindigkeit gegenüber der bei einer Heizkeilschweißung möglichen Geschwindigkeit zumindest verdoppeln, ohne das Heizelement bzw. die Vorrichtung wesentlich über die Abmessungen einer normalen Heizkeil-Schweißvorrichtung hinaus vergrößern zu müssen.
Besonders einfach wird die Gestaltung der Vorrichtung, wenn man das heiße Gas durch das Heizelement hindurchleitet, ehe es zwischen die einander zugewandten Oberflächen der Kunststoffe geblasen wird, und das heiße Gas bzw. die heiße Luft so zur Beheizung des Heizelementes ausnutzt.
Eine zur Durchführung des neuen Verfahrens zu benutzende Vorrichtung gleicht in ihrem Aufbau im wesentlichen den bekannten Vorrichtungen für die Heizkeilschweißung, bei denen ein metallisches, schneiden- oder keilförmig ausgebildetes Heizelement in geringem Abstand vor einer die erhitzenden Oberflächen aufeinanderdrückenden Anpreßvorrichtung angeordnet ist; das neue Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß unmittelbar an der Rückseite des Heizelementes eine Austrittsdüse für heißes Gas bzw. Heißluft vorgesehen ist, die das heiße Gas in Richtung auf die hinter dem Heizelement liegende Anpreßvorrichtung bläst.
Wenn das heiße Gas bzw. die Heißluft auch zur Beheizung des Heizelementes verwendet werden soll, so besteht dieses Heizelement aus einem metallischen, von Heißgas durchflossenen Hohlkörper, der mit wenigstens einer Luftaustrittsöffnung an seinem rückwärtigen Teil versehen ist, die sich im wesentlichen in Richtung auf die hinter dem Heizelement angeordnete Anpreßvorrichtung öffnet.
Das Material des hohl auszuführenden Heizelementes soll ein besonders guter Wärmeleiter sein und außerdem von gegebenenfalls auftretenden Spaltprodukten der zu verarbeitenden thermoplastischen Kunststoffe nicht angegriffen werden. Als besonders günstig erweist sich die Verwendung von Silber, das beiden obengenannten Anforderungen in hohem Maße gerecht wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele der wesentlichen Teile einer zur Durchführung des Verfahrens dienenden Vorrichtung näher erläutert; es zeigt Fig. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt durch die wesentlichen Teile der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 einen schematischen waagerechten Schnitt längs der Schnittlinie II-II der F i g. 1, F i g. 3 einen Axialschnitt durch ein Heizelement, das zur Herstellung breiter, flächenhafter Schweißnähte bestimmt ist, Fig. 4 einen Querschnitt längs der Schnittlinie IV-IV der F i g. 3, F i g. 5 ein abweichend gestaltetes Heizelement, F i g. 6 einen Schnitt längs der Schnittlinie VI-VI der Fig. 5.
In den F i g. 1 und 2 sind zwei aus thermoplastischem Kunststoff bestehende langgestreckte Streifen 1 und 2 dargestellt, die längs einer Oberflächenzone 3 ihrer Ränder miteinander verschweißt werden sollen. Zur Erhitzung der in der Zone 3 liegenden Oberflächenschichten beider Kunststoffteile dient ein Heizelement 4, das als metallischer Hohlkörper ausgeführt ist und an seinem zwischen die beiden Kunststoffteile 1 und 2 hineinragenden Ende als ein relativ flacher, an seiner Rückseite 5 eine Ausblasöffnung 6 ausweisender Hohlkeil mit abgerundeter vorderer Schneide 7 ausgebildet ist. Die flache Ausblasöffnung 6 öffnet sich in Richtung auf die Anpreßvorrichtung 8, die der Einfachheit halber durch zwei gefederte Rollen 9, 9' veranschaulicht ist, welche durch ihre Federn 10, 10' senkrecht gegeneinandergedrückt werden und die beiden zwischen ihnen durchlaufenden Kunststoffteile 1 und 2 im Bereich der Schweißzone 3 fest gegeneinanderpressen.
Dem hohlen Schaft 11 des Heizelementes 4 wird Heißgas, insbesondere Heißluft zugeführt, die zunächst einmal das Heizelement 4 von innen her auf eine unterhalb des Schmelzpunktes des Kunststoffmaterials liegende Temperatur aufheizt und anschließend aus der flachen Ausblasöffnung 6 in Richtung auf die Anpreßvorrichtung bzw. die Schweißstelle 12 ausströmt, und zwar etwa parallel zur Mittellinie der Schweißzone 3. In dem sich zunehmend verengenden Hohlraum 13 zwischen den beiden Kunststoffteilen 1 und 2 gibt die an den Oberflächen der Kunststoffteile entlangströmende Luft so viel zusätzliche Wärme an die bereits vorgeheizten Oberflächenschichtenl4, 15 der Kunststoffteile ab, daß diese kurz vor Erreichen der Schweißstelle 12 zwischen den beiden Rollen 9 und 9' schmelzen und bei Einwirken des Preßdruckes innig miteinander verschweißen.
Der Schweißvorgang kann entweder so durchgeführt werden, daß die Kunststoffteile 1, Z - wenn diese Teile relativ groß sind - festliegen und die aus dem Heizelement 4 und den federnden Anpreßrollen 9 und 9' bestehende Vorrichtung längs der Schweißzone 3 am Rand der beiden Kunststoffteile in Richtung der Pfeile 16 in F i g. 1 und 2 stetig vorgeschoben wird. Man kann aber auch die Schweißvorrichtung ortsfest anordnen und die miteinander zu verschweißenden Kunststoffteile stetig durch die Vorrichtung hindurchführen, wie das von Nahtschweißmaschinen üblicher Ausführungen her bekannt ist.
Wesentlich ist, daß das Heizelement 4 an seinen mit den Kunststoffteilen 1 und 2 in Berührung kommenden äußeren Keiloberflächen nur Temperaturen aufweist, die unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials liegen, so daß die Kunststoffteile 1 und 2 glatt und leicht über die Oberflächen hinweggleiten können und an diesen Stellen keinesfalls eine Zersetzung des Kunststoffes möglich ist.
Die an Hand der Fig. 1 und 2 gegebene Schilderung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens zeigt, daß grundsätzlich das Prinzip der Heizkeilschweißung vorliegt, wobei das den Heizkeil bildende Heizelement - abweichend von den bisher üblichen Heizkeilen - mit Heizluft beheizt wird, die jedoch nach ihrem Austreten aus dem Heizkeil zwischen die am Heizkeil vorgeheizten, miteinander zu verschweißenden Oberflächenschichten der beiden Kunststoffteile strömt und dort diese Oberflächenschichten auf die Schmelz- bzw. Schweißtemperatur bringt. Diese Erhitzung auf die Schmelz- bzw. Schweißtemperatur erfolgt aber bereits in einem gewissen Abstand von dem Ende des Heizkeiles, und gegebenenfalls dort entstehende schädliche Zersetzungsprodukte werden durch den Luftstrom seitlich abgeführt, ohne das Material des Heizkeiles ungünstig beeinflussen zu können.
Diese Art der Beheizung miteinander zu verschweißender Kunststoffflächen in zwei voneinander getrennten Stufen macht es möglich, die relativ geringe Schweißgeschwindigkeit, wie sie bisher bei Verwendung von Heizkeilen eingehalten werden mußte, um die eingangs genannten schädlichen Folgen zu vermeiden, nunmehr wesentlich zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung kann infolge ihres relativ einfachen Aufbaues auch leicht als transportable Vorrichtung ausgebildet werden, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau etwa einem bekannten Lötkolben mit Brennstoffbeheizung ähnlich ist. In einem solchen Falle läßt sich an den hohlen Schaft 11 des Heizelementes 4 der Ausblasestutzen einer bekannten, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Lötlampe anschließen; in dem Verbindungsstück zwischen der Lötlampe und dem Heizelement 4 wären dann regelbare Einströmöffnungen für die Zumischung genügender Menge von Kaltluft zu den Lötlampen-Brenngasen vorzusehen, damit die Temperatur der heißen, durch die Heizvorrichtung 4 strömenden Gase auf den jeweils gewünschten Wert eingestellt werden kann. Auch die Anpreßrollen 9 und 9' können mit der Vorrichtung - einstellbar -verbunden werden.
Die in den F i g. 3 bis 6 dargestellten Ausführungsformen des Heizelementes unterscheiden sich von dem Heizelement nach den F i g. 1 und 2 im wesentlichen dadurch, daß sie an ihrem rückwärtigen Ende keilförmig gestaltet sind. Das Heizelement 4' in F i g. 3 und 4 hat eine mehrfach unterteilte schmale Ausblasöffnung 6', aus deren einzelnen düsenartigen Löchern 17 das heiße Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt. Die hohe Ausströmgeschwindigkeit ergibt einen besseren Wärmeübergang von dem Gas auf die Kunststoffoberflächen. Bei dem Heizelement4" gemäß F i g. 5 und 6 wird die gleiche Wirkung dadurch erzielt, daß der Austrittsspalt 6" sehr schmal ist.
In beiden Fällen kann überdies der Abstand zwischen dem Heizelement 4' bzw. 4" und der Anpreßvorrichtung 8 (vgl. F i g. 1 und 2) verringert werden, wodurch ein besonders gedrängter Aufbau der gesamten Vorrichtung möglich wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffteilen, deren miteinander zu verschweißende Oberflächenschichten durch längs der einander zugewandten Oberflächen stetig fortschreitenden Kontakt mit einem Wärmeträger bis auf Schweißtemperatur erhitzt, unmittelbar darauf zusammengeführt und fest aufeinandergepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer an sich bekannten Vor- und Nacherhitzung die zu verschweißenden Oberflächenschichten zunächst durch direkten Kontakt mit äußeren Heizflächen eines zwischen den Oberflächen befindlichen Heizelementes vorgeheizt und unmittelbar darauf durch zwischen die zur Aufpreßstelle hin zusammengeführten Oberflächenschichten in Richtung zur Aufpreßstelle hin eingeblasenes heißes Gas auf Schweißtemperatur erhitzt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die ein metallisches, schneiden- oder keilförmig ausgebildetes Heizelement und in geringem Abstand dahinter eine die am Heizelement erhitzten Oberflächenschichten der Kunststoffteile aufeinanderdrükkende Anpreßvorrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an der Rückseite des Heizelementes eine Austrittsdüse für heißes Gas vorgesehen ist, die das heiße Gas in Richtung auf die Anpreßvorrichtung bläst.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 845 564, 966 669; deutsche Auslegeschrift Nr. 1002123; österreichische Patentschrift Nr. 208 065.