DE19741688B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen, von Kunststoffbahnen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen, von Kunststoffbahnen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen von Kunststoffbahnen, mit Führungsrollen, Andruckrollen, einem beheizten Heizkeil, dessen Spitze den Andruckrollen zugeordnet und dessen Kontaktflächen zu den Kunststoffbahnen mit den Andruckrollen, bestehend aus Rolle und Gegenrolle, in Schweißrichtung fluchtend und in der Fügeebene versatzfrei angeordnet ist, und einem am Heizkeil vorgesehenen Mantelthermoelement, dadurch gekennzeichnet, dass an der Heizkeilspitze (6) ein zu den Andruckrollen (2 oder 3) justierbares in die thermisch beaufschlagte freie Überlappung der Kunststoffbahn leicht hineinragendes, beheizbares Schneidteil (8) mit drallförmiger Geometrie angeordnet ist, dem ein Kerbring (9) zugeordnet ist, welcher auf derjenigen Andruckrolle (2 bzw. 3) aufgezogen ist, die mit dem Schneidteil (8) in der freien Überlappung der Kunststoffbahn eine Wirkungslinie bildet und dem Schneidteil gegenüberliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen von Kunststoffbahnen, mit Führungsrollen, Andruckrollen, einem beheizten Heizkeil, dessen Spitze den Andruckrollen zugeordnet und dessen Kontaktflächen zu den Kunststoffbahnen mit den Andruckrollen, bestehend aus Rolle und Gegenrolle, in Schweißrichtung fluchtend und in der Fügeebene versatzfrei angeordnet ist, und einem am Heizkeil vorgesehenen Mantelthermoelement.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen, von Kunststoffbahnen, bei dem die Bahnen an ihren Fügeflächen durch Temperatureinwirkung mittels Heizkeil thermisch beaufschlagt, plastifiziert bzw. angeschmolzen und sodann durch Druckeinwirkung mittels Andruckrollen stoffschlüssig verbunden werden.
  • Kunstoffbahnen für Deponien müssen über lange Zeiträume dicht sein und eine ausreichende Festigkeit besitzen. Bedingt durch die Müllauflast unterliegen die Bahnen und somit auch die Schweißverbindungen einer nicht zu vernachlässigenden Dehnung, die zu einem zweiachsigen Spannungszustand in den Bahnen führen (A.VIERTEL, „Untersuchung zur Lebensdauer von Überlappschweißverbindungen an Deponiedichtungsbahnen aus PE-HD", Fachtagung „Die sichere Deponie", Würzburg, Februar 1997, S. E1–E21).
  • Beim Heizkeilschweißen werden die zu überlappenden Kunststoff-Bahnen mit einem keilförmigen Heizelement, das zwischen den Bahnen geführt wird, plastifiziert und durch mittels Andruckrollen auf die Bahnen aufgebrachten Fügedruck gefügt. Es bildet sich unter Berücksichtigung der Schweißparameter eine charakteristische Schweißnaht mit birnenförmiger Wulst aus.
  • Die Zuverlässigkeit und die Langzeiteigenschaften einer mit bisher üblicher Nahtgeometrie hergestellten Schweißverbindung wird im Nahtrandbereich durch relativ undefinierte scharfe Kerbwirkungen am Übergang Schweißwulstgrund zu Grundwerkstoff und der zusätzlich wirkenden Spannungsüberhöhung durch den Dickensprung negativ beeinflußt. Im versagensrelevanten Nahtrandbereich wirkt die geometrische Kerbe (Dickensprung) und eine strukturelle Kerbe (Wulstgrund). Der Versagensverlauf beginnt sprödbruchartig sowie mit einer plastischen Verformung von der Wulstkerbe aus und geht zum Ende der Querschnittsfläche in einen duktilen Bruch über.
  • Bisherige Lösungen wie die der DE 40 00 017 A1 oder DE 44 39 719 A1 vermeiden keineswegs den Einfluß der Kerbwirkung am Wulstgrundbund und die Spannungsüberhöhung durch Dickensprung.
    •
  • Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Kerbwirkung und die durch Dickensprung auftretende Spannungsüberhöhung merklich reduziert wird.
  • Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß an der Heizkeilspitze ein zu den Andruckrollen justierbares in die thermisch beaufschlagte freie Überlappung der Kunststoffbahn leicht hineinragendes, beheizbares Schneidteil mit drallförmiger Geometrie angeordnet ist, dem ein Kerbring zugeordnet ist, welcher auf derjenigen Andruckrolle aufgezogen ist, die mit dem Schneidteil in der freien Überlappung der Kunststoffbahn eine Wirkungslinie bildet und dem Schneidteil gegenüberliegt.
  • In einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Schneidteil als ein zum Heizkeil separates Adapterteil ausgebildet.
  • Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet das Schneidteil und der Heizkeil eine Einheit, die in der Heizkeilspitze angeordnet ist.
  • Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß anstelle des Schneidteils direkt auf dem äußeren Rand der Heizkeilfläche des Heizkeiles ein Mantelheizleiter angeordnet ist. Der Mantelheizleiter ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf einem besonderen Formstück adaptiert, das beidseitig am Heizkeil befestigt ist.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt das Adapterteil eine der Heizkeilspitze nachgestaltete, vorzugsweise tropfenförmige spitzauslaufende, Geometrie.
  • Mit Vorteil sind Kerbringe nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbar, die eine unterschiedliche Geometrie, vorzugsweise unterschiedliche Spitzenwinkel und Spitzenhöhen, aufweisen.
  • Dies ermöglicht, unterschiedlich schräge Übergänge zu gestalten und Kunststoffbahnen mit unterschiedlicher Dicke zu bearbeiten.
  • Die Aufgabe wird weiter erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Arbeitsspur temporär im thermisch beaufschlagten Bereich der freien Überlappung durch Schneiden bzw. Ritzen oder örtlich begrenzter Erhitzung über die Heizkeiltemperatur erzeugt, in dieser Arbeitsspur die Schmelze gesammelt, durch die Druckeinwirkung der Andruckrollen die Schmelze aus der Arbeitsspur vom Nahtrand weg in den überlappenden Bereich verschoben und anschließend dieser Bereich durch Schneiden nahe dem Fügebereich abgetrennt wird.
  • Je nach Wahl der Schweißparameter wie Geschwindigkeit, Anpreßdruck der Andruckrollen, der Schmelzetemperatur, der Justierung von Andruckrollenkerbring und Schneidteil sowie der Geometrie des Kerbringes, ist es möglich, die Nahtrandgeometrie derart zu beeinflussen, daß die negativen Wirkungen der Wulstkerbe und der Spannungsüberhöhung durch Dickensprung am Nahtrand weitgehend vermieden werden.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
    •
  • Die Erfindung soll nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit als Adapterteil ausgebildetem Schneidteil und Kerbring,
  • 2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Schneidteil mit dem Heizkeil eine Einheit bildet,
  • 3 eine schematische Ansicht eines auf eine Andruckrolle aufgezogenen Kerbringes,
  • 4 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 mit Mantelheizleiter und
  • 5 einen Schnitt durch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügte Deponiebahn.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im wesentlichen aus einem elektrisch beheizten Heizkeil 1, Transportrollen 4 bzw. 5 und Andruckrollen 2 bzw. 3 besteht. Der Heizkeil 1 besitzt eine Spitze 6, die sich unmittelbar hinter den beiden gegeneinander synchron angetriebenen Andruckrollen 2 bzw. 3 befindet. An der Heizkeilspitze 6 ist ein separates Adapterteil 7 justierbar gelagert. Das Adapterteil 7 ist als Schneidteil 8 ausgebildet und besitzt eine drallförmige Geometrie. Es ist an der Heizkeilspitze 6 angebracht und wird zu den Deponiebahnen 10 und 11 in eine relevante Position zwischen Heizkeilspitze 6 und den Andruckrollen 2 bzw. 3 justiert. Das Schneidteil 8 hat eine an die Heizkeilspitze 6 angepaßte Geometrie, die eine tropfenförmige gebogene spitzauslaufende Form besitzt.
  • Die Andruckrolle 2 ist mit einem Kerbring 9 versehen, die der Andruckrolle 2 gegenüberliegende Rolle 3 hat keinen Kerbring. Ein guter Wärmeübergang ist durch eine entsprechend große Kontaktfläche zum Heizkeilkörper realisiert. Das Schneidteil 8 heizt sich somit mit dem Heizkeil 1 auf und wirkt jeweils in den äußeren Rändern der Deponiebahnen 10 bzw. 11, die im Kontakt mit dem Heizkeil 1 stehen und speziell in den Rändern, die in den freien Überlappenden liegen.
  • Die Einstellung der Eindringtiefe des Schneidteiles 8 in die thermisch beaufschlagte Oberfläche der Deponiebahn erfolgt mittels nicht dargestelltem Höhenreißer.
  • Der Drall des Schneidteiles 8 ist so ausgelegt, daß das durch das Eindringen des Schneidteiles herausgearbeitete Material von der thermisch beauflagten Randzone weg nach außen transportiert wird. Durch den thermischen und geometrischen Einfluß des Schneidteiles 8 wird eine tiefe Arbeitsspur in der freien Überlappung der Deponiebahnen für einen kurzen Zeitpunkt erzeugt. Die entstandene Schmelze fließt unter der Druckwirkung der Andruckrollen 2 bzw. 3 in diese Arbeitsspur hinein und wird in den Randbereich gedrückt.
  • 2 zeigt eine weitere Variante der Ausbildung des Schneidteiles 8, das mit dem Heizkeil 1 eine Einheit bildet. Die Andruckrolle 2 ist in ihrer Breite so bemessen, daß der Kerbring 9 mit der Rollenfläche 12 der als Gegenrolle arbeitenden Andruckrolle 3 wirkt. Der auf die Andruckrolle 2 aufgezogene Kerbring 9 ist austauschbar. Auf die Andruckrolle 2 können gemäß 3 Kerbringe 9 mit unterschiedlichem Spitzenwinkel α und/oder Spitzenhöhen aufgezogen werden, so daß unterschiedlich schräge Nahtübergänge und eine Anpassung an unterschiedliche Kunststoffbahndicken möglich sind.
  • Der Kerbring 9 der Andruckrolle 2 wird so justiert, daß er genau in einer Wirkungslinie mit dem Schneidteil 8 in der jeweilig freien Überlappung der Deponiebahn arbeitet. Durch genaue Justierung des Ansatzpunktes und der Arbeitsspurtiefe des Schneidteiles 8 zur thermisch beaufschlagten Bahnoberfläche und der genauen Justierung des Kerbringes 9 in der Wirkungslinie des Schneidteiles 8 erhält man eine Nahtgeometrie, die die Spannungsüberhöhung am Dickensprung merklich verringert.
  • Die in der Arbeitsspur sich ansammelnde Schmelze verschiebt sich durch die Druckeinwirkung der Andruckrollen 2 bzw. 3 vom Nahtrand weg in den Teil der freien Überlappung, der mittels Schneidteil 8 und Kerbring 9 abgetrennt wird.
  • Die 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der in 1 und 2 beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird beibehalten. Die Funktion des Schneidteiles 8 übernimmt ein standardgemäßer Mantelheizleiter.
  • Der Mantelheizleiter 13 ist jeweils am äußeren Rand der Heizkeilflächen 14 des Heizkeiles 1 fixiert und steht in Kontakt mit den freien Überlappungshälften der Deponiebahnen.
  • Es versteht sich, daß der Mantelheizleiter 13 eine an den Heizkeil 1 angepaßte Länge besitzt und für einen Temperaturbereich ausgelegt ist, der etwas über der Temperatur des Heizkeiles 1 liegt. Für den Mantelheizleiter 13 haben sich Duchmesser von 1 bis 2 mm als geeignet erwiesen.
  • Die Anpassung des Mantelheizleiters 13 kann auch mittels nicht dargestellter gesonderter Formstücke durch seitliche Verschraubung am Heizkeil 1 oder direkt am Rand auf der Heizkeilfläche 14 realisiert sein. Die Fixierung erfolgt dann in einer Nut oder durch Hartauflöten.
  • Die Geometrie der Heizkeilspitze 6 ist so gestaltet, daß sie der Geometrie gemäß 1 entspricht.
  • Durch die gegenüber der Heizkeiltemperatur höher eingestellte Temperatur an der Heizkeilspitze 6 und die räumlich begrenzte Wirkung am Nahtrand in die Bahndicke der freien Überlappung, entsteht dort ein Spurbereich, in den die Schmelze aus dem Innenbereich der Naht ungehindert einfließen kann. Die Justierung des Kerbringes 9 entspricht dem des Beispiels 1.
  • Für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zu beachten, daß die Anfangseinläufe der zu verschweißenden Kunststoffbahnen als schmale Materialstreifen von ca. 40 mm Breite und ca. 250 mm Länge vorbereitet werden und in die Schweißmaschine so einlaufen, daß sich die Kerbringe 9 der Andruckrollen nicht in Kontakt mit der Kunststoffbahn befinden.
  • 5 zeigt eine gefügte Kunststoffbahn, deren obere freie Überlappung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgetrennt wurde und deren untere freie Überlappung den Schmelzeaustrieb in die freie Überlappung verdeutlicht.
  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
    • 1
    Heizkeil
    2, 3
    Andruckrollen
    4, 5
    Führungsrollen
    6
    Heizkeilspitze
    7
    Adapterteil
    8
    Schneidteil
    9
    Kerbring
    10, 11
    Deponienbahnen
    12
    Rollenfläche
    13
    Mantelheizleiter
    14
    Heizkeilfläche
    α
    Spitzenwinkel des Kerbringes 9

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen von Kunststoffbahnen, mit Führungsrollen, Andruckrollen, einem beheizten Heizkeil, dessen Spitze den Andruckrollen zugeordnet und dessen Kontaktflächen zu den Kunststoffbahnen mit den Andruckrollen, bestehend aus Rolle und Gegenrolle, in Schweißrichtung fluchtend und in der Fügeebene versatzfrei angeordnet ist, und einem am Heizkeil vorgesehenen Mantelthermoelement, dadurch gekennzeichnet, dass an der Heizkeilspitze (6) ein zu den Andruckrollen (2 oder 3) justierbares in die thermisch beaufschlagte freie Überlappung der Kunststoffbahn leicht hineinragendes, beheizbares Schneidteil (8) mit drallförmiger Geometrie angeordnet ist, dem ein Kerbring (9) zugeordnet ist, welcher auf derjenigen Andruckrolle (2 bzw. 3) aufgezogen ist, die mit dem Schneidteil (8) in der freien Überlappung der Kunststoffbahn eine Wirkungslinie bildet und dem Schneidteil gegenüberliegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidteil (8) als ein zum Heizkeil separates Adapterteil ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidteil (8) und der Heizkeil (1) eine Einheit bilden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Schneidteils (8) direkt auf dem äußeren Rand der Heizkeilfläche (14) des Heizkeiles ein separat beheizbarer Mantelheizleiter (13) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelheizleiter (13) auf einem gesonderten Formstück adaptiert ist, das beidseitig am Heizkeil befestigt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidteil (8) eine der Heizkeilspitze (6) nachgestaltete Geometrie aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidteil (8) eine tropfenförmige spitzauslaufende gebogene Form besitzt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils nur die Andruckrolle (2 oder 3) mit einem austauschbaren Kerbring (9) versehen ist, die der freien Überlappung der Kunststoffbahnhälfte zugeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbringe (9) eine unterschiedliche Geometrie, vorzugsweise Spitzenwinkel und Spitzenhöhen, aufweisen.
  10. Verfahren zum Fügen, insbesondere Heizkeil-Überlappschweißen, von Kunststoffbahnen, bei dem die Bahnen an ihren Fügeflächen durch Temperatureinwirkung mittels Heizkeil thermisch beaufschlagt, plastifiziert bzw. angeschmolzen und sodann durch Druckeinwirkung mittels Andruckrollen stoffschlüssig verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsspur temporär im thermisch beaufschlagten Bereich der freien Überlappung der Bahnen durch Schneiden bzw. Ritzen oder örtlich begrenzter Erhitzung über die Heizkeil-Temperatur erzeugt, in dieser Arbeitsspur die Schmelze gesammelt, durch die Druckeinwirkung der Andruckrollen aus diesem Bereich vom Nahtrad weg nach außen in den überlappenden Bereich verschoben und anschließend dieser Bereich durch Schneiden nahe des Fügebereiches abgetrennt wird.
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