DE1454974B2 - Verfahren zum Verschweissen von Werkstückteilen aus thermoplastischen Kunststoff - Google Patents

Verfahren zum Verschweissen von Werkstückteilen aus thermoplastischen Kunststoff

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DE1454974B2 DE19641454974 DE1454974A DE1454974B2 DE 1454974 B2 DE1454974 B2 DE 1454974B2 DE 19641454974 DE19641454974 DE 19641454974 DE 1454974 A DE1454974 A DE 1454974A DE 1454974 B2 DE1454974 B2 DE 1454974B2
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Description

1 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum eine viel längere Zeit als zum Schmelzen dieser Ober-
Verschweißen von Werkstückteilen aus thermo- fläche erforderlich ist. Die bekannten Verfahren brin-
plastischem Kunststoff, bei dem die zu verschwei- gen daher leicht eine Beschädigung dieser Ober-
ßenden Flächen der Werkstückteile aufeinander- fläche mit sich.
gedrückt und mittels Ultraschallenergie erweicht und 5 Bei den bisher bekannten Ultraschallschweiß-
verschweißt werden. verfahren liegt prinzipiell die Schweißstelle immer
Es wurden bereits starre oder halbstarre platten- in der Achse der Sonotrode.' Dies ist auch beim förmige Teile durch Ultraschallenergie miteinander Verschweißen von Kunststoff mit unterschiedlichen verbunden. Dies erfolgte bisher so, daß man flache Querschnitten der Fall. Es ist bekannt, daß zur Her-Oberflächen der Teile sich überlappen ließ und der io stellung bestimmter Verbindungen zum Teil kompli-Außenfläche des überlappenden Teils eines der Teile zierte Sonotroden verwendet werden müssen, und hochintensive Ultraschallenergie zuführte. Die Teile dies führt ganz allgemein zu den im vorstehenden werden dadurch an der durch ihre sich überlappen- aufgeführten Nachteilen.
den Oberflächen gebildeten Zwischenfläche einer Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein relativen Vibrationsbewegung unterworfen. Dadurch 15 Verfahren zu schaffen, bei welchem kein Verschmo-· wird das Material an der Zwischenfläche unterhalb ren oder Verbrennen an der Ultraschalleinführungsder Sonotrode erhitzt und schmilzt und fließt unter stelle auftritt und mit welchem Teile verschweißt Bildung einer Verbindung oder Schweißstelle zu- werden können, die mit den bisher bekannten Versammen, fahren nicht verschweißt werden konnten.
Dieses Verfahren hat sich im allgemeinen als zu- 20 Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß friedenstellend erwiesen, wenn einer der zu ver- die Ultraschallenergie auf einer zu den zu verschweischweißenden Teile die Form einer dünnen Platte ßenden Flächen versetzt liegenden Stelle der Oberaufweist, wenn die gewünschte Verbindung eine fläche der Werkstückteile eingespeist und von hier Überlappungsstelle ist und wenn außerdem die Geo- durch den Werkstückteil an die Schweißstelle übermetrie und die Struktur der zusammengefügten Teile 25 tragen wird. Es findet also nur an den Schweißstellen die Anbringung einer Sonotrode an der Außenfläche eine Verschweißung statt, und die Energieeinführung eines überlappenden Teils eines der zu verbindenden ist derart, daß ein Verschmoren nicht mehr erfolgt. Teile gestattet. Daher wurden bisher bei der Ultra- Es können mit diesem Verfahren außerordentlich schallverschweißung spezielle Oberflächen, z. B. Pol- komplizierte Gegenstände miteinander in einem einster, Abschlußflansche od. dgl. verschweißt. Wenn 3° zigen Schweißvorgang mit einer einzigen Sonotrode jedoch eine der vorstehenden Bedingungen nicht er- verschweißt werden.
füllt ist, wenn z. B. die Teile zu dick sind oder wenn Mit besonderem Vorteil kann die Schallenergie in
eine Stumpfverschweißung erfolgen soll oder wenn den Werkstückteil winklig zur Oberfläche eingeführt
die zusammengefügten Teile die Anbringung einer werden. Es kann auch vorteilhaft sein, daß die zu
Sonotrode an der Außenfläche eines überlappenden 35 verschweißenden Flächen durch sich überlappende
Teils nicht gestatten, können die bekannten Ultra- Werkstückteile gebildet werden,
schallschweißverfahren keine Anwendung finden. Mit Vorteil kann an einem Werkstückteil ein An-
Das bekannte Verfahren ist ferner dann un- satz oder eine Ausbuchtung zur Einleitung der Schallgenügend, wenn Teile über eine große zusammen- energie angebracht werden. Mit besonderem Vorteil hängende Fläche oder an vielen einzelnen Stellen 40 kann dabei die Oberfläche des Ansatzes schräg zur miteinander verbunden werden sollen. In diesem Ebene der zu verschweißenden Flächen gelegt wer-FaIl muß entweder eine einzige Sonotrode langsam den. Der Ansatz kann nach Herstellung der Verbinüber den Teil geführt werden, oder es müssen gleich- dung entfernt werden.
zeitig viele Sonotroden an die zu verbindenden Stel- Wenn beispielsweise zwei aufeinanderpassende,
len herangebracht werden. 45 schalenförmige thermoplastische Teile zusammen-
Wenn eine einzige Sonotrode nacheinander zu den gebracht und der Rand des einen Teils fest anliegend
zu verbindenden Stellen geführt wird, kann die zur an den Rand des anderen Teils angepreßt und eine
Verbindung mehrerer zusammengefügter Teile erfor- Sonotrode an einen der Teile an einer Stelle angelegt
derliche Zeit zu lang werden. Bei gleichzeitiger Ver- wird, die sich von seinem Rand entfernt befindet,
Wendung mehrerer Sonotroden sind besondere Mon- 50 so beobachtet man beim Einschalten der Sonotrode
tagegestelle zum Halten der zusammengefügten Teile eine sofortige Verschweißung der Teile entlang des
und zur Zuführung der Sonotroden erforderlich, wo- ganzen Kreisumfangs der aufeinanderliegenden
durch das Ganze viel zu teuer wird. Ränder.
Das vorstehend beschriebene bekannte Verfahren Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in ähnhat sich auch zum Verschweißen starrer oder halb- 55 licher Weise zum Verschweißen einer aus zwei Hälfstarrer Teile aus schwer schmelzbaren thermo- ten bestehenden hohlen Spielzeugtaube verwendet, plastischen Stoffen, d. h. thermoplastischen Stoffen wobei die beiden Hälften längs einer vom Kopf bis mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit oder zum Schwanz durch die Taube hindurchgehenden hohen Schmelzpunkten, als unbefriedigend erwiesen. Ebene aneinander anlagen. Wenn diese beiden Hälf-Die zum Schmelzen solcher Stoffe erforderlichen, 60 ten zusammengepreßt wurden und an einer Stellt äußerst intensiven Ultraschallschwingungen und die auf der Seite der Taube Ultraschallenergie eingeführ dadurch bedingte sehr hohe Leistung pro Flächen- wurde, erzielte man sofort eine Stumpfverschweißun; einheit kann den Teil der Oberfläche, dem die Schall- der beiden Hälften längs ihrer aneinander anliegen energie zugeführt wird, verschmoren und bleibend den Ränder. In ähnlicher Weise wurden die beide: beschädigen. Alle bisherigen mit Ultraschall arbei- 65 Halbkugelhälften eines Kunststoffballs längs ihre tenden Schmelz-Schweißverfahren erfordern die Zu- ganzen Umfangs durch Zuleitung von Ultraschall führung von Ultraschallenergie pro Flächeneinheit energie zu einer der Hälften etwa an deren Scheite'; auf der Oberfläche des zu verschweißenden Teils für punkt stumpfverschweißt.
3 4
Während die bei den vorstehenden Beispielen mit- während die aneinandergefügten Umfangsflächen des einander verbundenen Zwischenflächen im wesent- oberen und unteren Teils verschweißt worden sind,
liehen zusammenhängend waren, kann das erfin- Es können Teile, welche aus erst bei Entwicklung dungsgemäße Verfahren auch zur gleichzeitigen Ver- oder Zuführung außerordentlich großer Wärmeschweißung von zwei Teilen an mehreren getrennten 5 mengen schmelzenden Materialien bestehen (z. B. und verschiedenen Zwischenflächen Anwendung fin- thermoplastische Stoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, den. So wurden aus oberen und unteren Teilen be- bei denen die durch Reibung an der Zwischenfläche stehende Behälter, wobei jeder Teil mehrere zu ver- entwickelte Wärme rasch von dieser Zwischenfläche bindende Oberflächen aufwies, die jeweils einer ent- weggeführt wird oder Stoffe mit hohen Schmelzsprechenden zu verbindenden Oberfläche des anderen io punkten), durch Ultraschall und ohne Verbrennen Teils entsprachen, miteinander verschweißt, indem oder Verschmoren der Teile miteinander verschweißt man die Teile an jeder ihrer miteinander zu verbin- werden.
denden Zwischenflächen zusammenklemmte und eine Dies liegt daran, daß Ultraschallenergie über eine einzige Sonotrode gegen eine Stelle eines der Teile große Oberfläche eines zusammengesetzten Gebildes preßte, die sich von allen zu verbindenden Zwischen- 15 mit einer Energiedichte zugeführt werden kann, flächen in einem Abstand befand. In diesem Fall welche unterhalb derjenigen liegt, bei der diese Oberwurde nur eine Sonotrode verwendet, wo vorher fläche (oder eine Zwischenfläche mit gleicher vier erforderlich waren. Flächengröße) schmelzen würde. Diese Ultraschall-
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auch zum energie wird mit geringem Verlust den Zwischen-
Verschweißen eines Oberteils mit einer komplizierten ao flächen zwischen den Teilen des zusammengesetzten
Unterseite und mit einem nach unten aus dieser Seite Gebildes zugespeist. Diese Zwischenflächen, an wel-
in eine Bohrung eines flachen, kastenartigen Unter- chen sich die Leistung verteilt, besitzen eine kleinere
teils hineinragenden Stift verwendet. Die Teile wur- Gesamtfläche als diejenigen, an welchen die Energie
den so zusammengefügt, daß man den Stift an dem zugeführt wird. Die Energie pro Flächeneinheit ist
Oberteil in die Bohrung im Unterteil hineinpreßte. 25 somit an den Zwischenflächen groß genug, um diese
Die Oberflächen der beiden Teile befinden sich dann zu schmelzen.
dicht aneinander, und der Stift und die Bohrung sind In den vorstehenden Beispielen wurde die kleinnicht mehr zugänglich. Diese Teile wurden dann flächige Spitze einer Sonotrode direkt gegen einen der verschweißt, indem man eine Sonotrode gegen eine zu verschweißenden Teile gepreßt, so daß die Ultrazugängliche Oberfläche des Oberteils, die von der 30 schallenergie in den Teil eingeführt und an die zu Zwischenfläche von Stift und Bohrung entfernt liegt, verbindenden Zwischenflächen abgeführt wurde, anpreßte. Dabei beobachtete man, daß bei Einschal- Beste Ergebnisse erzielte man, wenn die Oberfläche ten der Sonotrode die Teile an der Zwischenfläche der Spitze einer gleichgroßen Oberfläche des Teils von Stift und Bohrung fest miteinander verschweißt angepaßt wird. Der so erzielte innige Kontakt ergibt wurden. 35 die wirksamste Energieübertragung von der Sono-
In dem vorstehenden Beispiel gelang die Ultra- trode in den zu verschweißenden Teil. So erzielte
schallverschweißung von zwei Teilen an einer Zwi- man beispielsweise bei der vorstehend beschriebenen
schenfläche, die von jeder zugänglichen Oberfläche Verschweißung von Halbkugelteilen die besten Er-
jeder der beiden Teile entfernt liegt. Dieses Ergebnis gebnisse, wenn die Spitze der Sonotrode der kugeligen
war bisher nicht zu erzielen. 40 Oberfläche angepaßt war.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde auch zum Das Verfahren nach der Erfindung wurde auch
Stumpfschweißen eines Trägers aus zwei verhältnis- unter Verwendung von Zwischenstücken, z.B. aus
mäßig dicken Kunststoffstangen angewendet. Der Polyterephthalat zwischen der Sonotrode und dem
Träger besaß einen L-förmigen Querschnitt. In diesem zu verschweißenden Teil durchgeführt, wobei man
Fall wurden die Stangen L-förmig miteinander ver- 45 keinen merklichen Unterschied in der Qualität der
klemmt, und eine Sonotrode wurde gegen eine Stange erhaltenen Schweißstelle beobachtete,
quer zur und in größerem Abstand von der Zwischen- Zwar ist es für die erfolgreiche Durchführung des
fläche zwischen den Stangen angepreßt. Nach Ein- Verfahrens nach der Erfindung, wie bereits vor-
schaltung der Sonotrode verschweißten die Teile ent- stehend gesagt, erforderlich, die Zwischenflächen der
lang ihrer ganzen Zwischenfläche. 50 zu verschweißenden Teile während des Schweiß-
Wie bereits gesagt, erfolgt die Verbindung nur an Vorgangs in inniger Berührung zu halten, doch, wie
solchen aneinanderliegenden Flächen, die während die vorstehend beschriebenen Beispiele zeigen, kann
der Zuführung der Ultraschallenergie in innigem dies in zufriedenstellender Weise einfach dadurch
Kontakt gehalten werden. Wenn daher das Verfahren geschehen, daß man die Sonotrode von Hand fest
zum Stumpfverschweißen von zwei Hälften einer 55 an einen der Teile andrückt und für den anderen
thermoplastischen Spielzeugpfeife verwendet wurde, Teil eine Unterlage vorsieht.
wurde eine lose in dem zwischen den beiden an- Eine Schallquelle ergab dann zufriedenstellende einanderstoßenden Hälften gebildeten Hohlraum an- Ergebnisse, wenn sie mit einer Frequenz von geordnete Kugel mit keiner der Pfeifenhälften ver- 20 000 Hz und Leistungen von 75 bis 100 W beschweißt. Die Kugel rollte vielmehr frei in dem Hohl- 60 trieben wurde. Die Spitzen der Sonotroden waren raum der Pfeife während der Einwirkung der Schall- kreisförmig mit einem Durchmesser von 9,5 bis energie herum. 16 mm.
Wenn das neue Verfahren zum Ultraschall- Es kann angenommen werden, daß die einem Teil verschweißen eines aus einem oberen und einem an einer der zu verbindenden Zwischenflächen entunteren Teil bestehenden Behälters, der einen zylin- 65 fernten Stelle zugeführte Energie fast sofort durch drischen Hohlraum umschloß, innerhalb dessen eine diesen Teil zu jeder der Zwischen flächen wandert, Spule frei drehbar zum Behälterkörper angeordnet wo diese Energie infolge Reibens und Aneinanderwar, angewendet wurde, blieb die Spule frei drehbar, Stoßens der in innigem Kontakt befindlichen Ober-
flächen der beiden Teile in Wärme übergeführt wird. Diese Wärme schmilzt das Material an den Zwischenflächen und läßt es zusammenfließen, wobei sich nach beendeter Energiezufuhr eine Schweißstelle bildet. Das Mischen des Materials, nachdem es geschmolzen ist, wird durch die andauernden relativen Bewegungen der Teile erhöht und gefördert.
Es wurde gefunden, daß man die besten Verbindungen erzielt, wenn die Ultraschallschwingungen so eingespeist werden, daß an den Zwischenflächen größere tangentiale Kräfte als vertikale auftreten. Ineinander eingepaßte konische Oberflächen, bei welchen die Reibungsbewegung in einer Richtung auch Kräfte verursacht, die einen innigeren Kontakt an der Zwischenfläche ergeben, sind daher bevorzugt.
Außer thermoplastischen Kunststoffen können auch andere bei Raumtemperatur feste oder halbfeste Werkstoffe, die unter Wärmeeinwirkung schmelzen, mit dem Verfahren nach der Erfindung verschweißt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen aus thermoplastischem Kunststoff, bei dem die zu verschweißenden Flächen der Werk- as stückteile aufeinandergedrückt und mittels Ultraschallenergie erweicht und verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallenergie auf einer zu den zu verschweißenden Flächen versetzt liegenden Stelle der Oberfläche der Werkstückteile eingespeist und von hier durch den Werkstückteil an die Schweißstelle übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallenergie in den Werkstückteil winklig zur Oberfläche eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Flächen durch sich überlappende Werkstückteile gebildet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Werkstückteil ein Ansatz oder eine Ausbuchtung zur Einleitung der Schallenergie angebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Ansatzes schräg zur Ebene der zu verschweißenden Flächen gelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz nach Herstellung der Verbindung entfernt wird.
DE19641454974 1963-12-06 1964-11-06 Verfahren zum Verschweissen von Werkstückteilen aus thermoplastischen Kunststoff Expired DE1454974C3 (de)

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