DE19907615A1

DE19907615A1 - Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien

Info

Publication number: DE19907615A1
Application number: DE1999107615
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kazmirzak; Wolfgang Tobias
Original assignee: Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: DE19907615B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum wulstarmen Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien, wie z. B. Fußbodenbeläge, Verpackungsfolien, Tiefziehfolien oder technische Folien, mit einer Dicke im Bereich von 0,2 bis 5,0 mm, welches kontinuierlich mit hoher Schweiß- und Fügegeschwindigkeit und ohne Zusatzwerkstoff arbeitet, eine hohe optische Oberflächenqualität und eine hohe Schweißnahtfestigkeit erzeugt und bei dem ein Polymerabbau und Veränderungen der Gefügestruktur im Schweißnahtbereich vermindert werden. DOLLAR A Die Kunststoffbahnen werden überlappend zusammengelegt und mit einem Doppelschnitt toleranzlos auf Stoß geschnitten. Sodann werden die Schweißwerkzeuge, Formkeil, Heizkeil und UItraschallsonotrode mit Ultraschallamboß zwischen die Bahnen gefahren. Der vorauslaufende Formkeil hebt die Bahnen so an, daß der Heizkeil in den Spalt zwischen den Bahnen einfahren kann, die Schweißflächen der Bahnen kommen mit dem Heizkeil in Kontakt, werden auf Schweißtemperatur erwärmt und durch die hinter dem Heizkeil angeordnete Ultraschallsonotrode mit Ultraschallamboß gefügt Fig. 2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum wulstarmen Stumpf schweißen von Kunststoffbahnen oder -folien, wie Fußbodenbeläge, hochwertige Verpackungsfolien, Tiefziehfolien, technische und andere Folien.

Kunststoffbahnen oder -folien, wie Deponieabdeckungen, Gebäude dachabdeckungen oder Verpackungsfolien werden in der Praxis nach unterschiedlichen Verfahren überlappt geschweißt.

Zum Einsatz kommen hier neben dem Warmgas- und Heizkeilschweiß verfahren auch das kontinuierliche Ultraschallschweißen, wobei das Ultraschallschweißverfahren nur für dünne Folien mit einer Dicke bis 0,5 mm geeignet ist.

Allen Verfahren gemeinsam ist, daß die Folien überlappt ge schweißt werden. Nachteilig bei diesen Überlappungsschweißstel len ist aber, daß es im Bereich der Schweißnaht zu einer Materi alverdickung (Stoßkante) kommt und damit eine Versteifung der Kunststoffbahnen oder -folien erfolgt, die beim Einsatz oder der Weiterverarbeitung der geschweißten Bahnen oder Folien stören oder die Verwendung gar unmöglich machen können. So werden bei geschweißten Fußbodenbelägen eine hohe optische Oberflächenqua lität mit kaum sichtbaren Schweißnähten verlangt, oder aber beim Verschweißen eines Folienendes mit einem Folienanfang zu einer "endlosen" Folienbahn für einen Verarbeitungsprozeß müssen die optischen und mechanischen Eigenschaften im Schweißnahtbereich möglichst an die Eigenschaften der nicht geschweißten Folie her anreichen, um den Verarbeitungsprozeß nicht zu stören.

Das Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien wird in der Praxis bisher kaum eingesetzt.

Aus der DE-OS 37 24 784 und dem DE-GM 87 17 462.6 ist eine Stumpfschweißverbindung für Abdichtungsbahnen aus einem Kunst stoff-Bitumen-Gemisch bekannt, bei der die Stumpfschweißnaht unter einer Neigung von weniger als 45° zu den miteinander verbundenen Abdichtungsbahnen verläuft. Die Stumpfschweißnaht wird in der Weise erreicht, daß die Ränder der zu schweißenden Teile angefast werden und in der Schweißlage mit einem auf Schweißtemperatur gebrachten Heizschwert zwischen die gegenüberliegenden Schrägflächen der Bahnenränder gefahren wird. Die Schrägflächen werden dadurch aufgeschmolzen. An das Aufschmelzen schließt sich ein Aneinanderdrücken der aufgeschmnolzenen Schrägflächen durch Rollen oder Rollenpaare an.

Nachteilig bei dieser Stumpfschweißverbindung ist, daß sie nur bei relativ dicken Bahnen ausgeführt werden kann und die Quali tät und Festigkeit der Schweißnaht maßgeblich von der Gleich mäßigkeit und Präzision des Anfasens bestimmt wird. Darüber hin aus ist das Anfasen ein zusätzlicher Arbeitsgang, der die Kosten der Schweißverbindung erhöht. Weiterhin erweist sich als nach teilig, daß sich mit dem Aneinanderdrücken der Schrägflächen an der Ober- und Unterseite der geschweißten Bahnen eine Schweiß wulst und mehr oder weniger stark ausgeprägte, sichtbare Rollen markierungen ergeben, so daß diese Stumpfschweißverbindung zum Verbinden von Fußbodenbelägen mit hoher optischer Oberflächen qualität oder zum Schweißen von technischen Folien nicht geeig net ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS 29 34 133 ein Verfahren zur Herstel lung einer geschlossenen Bodenbelagfläche aus PVC-Bahnen be kannt. Danach werden die auf Stoß zusammengelegten PVC-Bahnen auf der Oberseite mit einem Klebeband zusammengehalten und an der Unterseite der zusammengehaltenen beiden PVC-Bahnen wird entlang der Naht eine Nut ausgefräst, deren Tiefe aber geringer als die Bahnendicke ist. Die beiden PVC-Bahnen werden anschlie ßend mit einem Zusatzwerkstoff (Schweißdraht) mit Hilfe eines Warmgasschweißgerätes verschweißt. Die auf der Unterseite ent stehende Schweißraupe wird nach dem Erkalten mechanisch geglät tet, z. B. mit einem Messer mechanisch abgestoßen. Danach wird das Klebeband von der Belagoberseite entfernt.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Arbeits- und Zeit aufwand zur Vor- und Nachbereitung der Schweißverbindung. Dar über hinaus wird ein Zusatzwerkstoff benötigt, und das Verfahren ist auch nur zum Schweißen von Kunststoffbahnen, wie Fußbodenbe läge, geeignet.

Weitere Nachteile ergeben sich aus dem Verbinden mittels Warm gasschweißen. Bei der Erwärmung der Schweißstelle läßt sich das Warmgas nicht auf die Schweißstelle begrenzen, da der Warm gasstrahl nicht nur auf die zu erwärmende Kunststofffläche auf trifft, sondern auch die angrenzenden Bereiche erwärmt. Diese weitergehende Erwärmung auch angrenzender Bereiche neben der Schweißnaht behindert das Erreichen verzugsfreier und nicht wel liger Schweißnähte. Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähig keit der Luft muß die Warmgastemperatur höher sein als die Schmelztemperatur des Kunststoffes, so daß ein Polymerabbau durch Überhitzung an der Schweißstelle nicht wirksam verhindert werden kann.

Aus dem DD-WP 150 992 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorfertigung raumgroßer Mehrschicht-Thermoplastbahnen, wie far biger, strukturierter und gemusterter Fußbodenbeläge, durch Stumpfschweißen bekannt. Danach werden die Fußbodenbelagbahnen auf Stoß geschnitten, die Stoßkanten durch Horizontalkräfte leicht aufgewölbt und durch Heißluft aus dem über der Stoßfuge angeordnetem Schweißbalken angeschmolzen. Unter dem Anpreßdruck des Schweißbalkens und einer Schweißtemperatur von 170°C bis 230°C sowie einer Preßdauer von 5 bis 15 Sekunden werden die Stoßkanten verschweißt. Der Schweißbalken erstreckt sich über die gesamte Breite der Fußbodenbelagbahn. Nach einer Abkühlzeit von 5 bis 20 Sekunden kann die Fußbodenbelagbahn aus der Vor richtung entnommen werden und ist belastbar.

Nachteilig ist, daß dieses Verfahren auch nur zum Stumpf schweißen dicker Kunststoffbahnen, wie Fußbodenbeläge, genutzt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich auch hier durch den Schweißbalken Markierungen auf der Oberfläche des Belages, die die Oberflächenoptik stören. Zudem ergibt sich durch den Schweißbalken, der sich über die gesamte Länge der Stoßfuge von 4 bis 6 m erstreckt, zwangsweise eine große, sperrige Bauform der Schweißvorrichtung, wobei der Schweißvorgang diskontinuierlich abläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien mit einer Dicke zwischen 0,2 mm bis 5 mm zu schaffen, welches kontinuier lich mit hoher Schweiß- und Fügegeschwindigkeit und ohne Zusatz werkstoff (Schweißdraht) arbeitet, eine wulstarme Schweißverbin dung mit hoher optischer Oberflächenqualität und hoher Schweiß festigkeit erzeugt, bei dem ein Polymerabbau und Veränderungen der Gefügestruktur im Schweißnahtbereich vermindert werden und verzugsfreie, nicht wellige Schweißnähte geschweißt werden kön nen und welches eine kleine, kompakte Bauform der Schweißvor richtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bei den zu verschweißenden Kunststoffbahnen oder -folien, die zuvor mit einem Doppelschnitt toleranzlos auf Stoß geschnitten wurden, auf einem ebenen Schweißtisch parallel und überlappend aneinan dergelegt und fixiert werden. Sodann werden die Kunststoffbahnen oder -folien mit Hilfe eines in Schweißrichtung vor einem Heiz keil angeordneten Formkeil so angehoben, daß die Schweißflächen der Bahnen einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles bilden und ein nach dem Formkeil angeordneter Heizkeil zwischen die Schweißflächen der Bahnen einfahren kann, ohne daß ein Abtrag von Kunststoffmaterial erfolgt. Der Heizkeil gleitet mit einer technologisch bestimmten Schweißgeschwindigkeit an den Schweißflächen der Bahnen entlang, wobei nacheinander die Schweißflächen von der Unterkante beginnend bis zur Oberkante mit dem Heizkeil in Kontakt kommen und schnell auf Schweißtempe ratur erwärmt werden.

Eine dem Heizkeil in Schweißrichtung unmittelbar nachgeordnete mit Ultraschall schwingende Sonotrode drückt die beiden angeho benen und plastifizierten Schweißflächen der Bahnen nach unten auf einen in der Höhe des Schweißtisches angeordneten Ultra schallamboß, so daß ein Schweißdruck entsteht, und die beiden Bahnen miteinander verschweißt werden. Die jeweils notwendige Ultraschallamplitude dazu muß technologisch bestimmt werden.

Durch die technologisch bestimmte Länge des Heizkeiles und die technologisch vorgegebene Schweißgeschwindigkeit ist die Kon taktzeit des Heizkeiles mit den Schweißflächen der Bahnen sehr gering. Demzufolge ist die eingebrachte Wärmeenergiemenge auch sehr gering und nur so groß, daß sie zur Plastifizierung der Schweißflächen ausreicht und die Schweißung erfolgen kann. Der Schweiß- und Fügevorgang erfolgt kontinuierlich und mit konstan ter Geschwindigkeit.

Die Schweißverbindung entsteht durch die Diffusion der Polymer strukturen in der Grenzfläche der beiden Schmelzeschichten der Schweißflächen der Kunststoffbahnen oder-folien, wobei das Aus maß und die Intensität dieser Diffusionsvorgänge die Belastbar keit der Schweißverbindung bestimmen. Diese Wechselwirkungsvor gänge werden durch die Einwirkung des Ultraschalls intensiviert und verlängert. Dies hat einen erheblichen Festigkeitszuwachs im Schweißnahtbereich zur Folge.

Dabei ist es für die Durchführung des Verfahrens unerheblich, ob die Kunststoffbahnen oder -folien an feststehenden Schweißwerk zeugen vorbeigeführt werden oder ob die Schweißwerkzeuge zwi schen fest aufgespannten Kunststoffbahnen oder -folien entlang geführt werden.

Es versteht sich von selbst, daß die Schweißgeschwindigkeit, die Heizkeiltemperatur und die optimale Ultraschallamplitude für den jeweils zu schweißenden Werkstoff technologisch bestimmt werden müssen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile be stehen insbesondere in:

- der Herstellung wulstarmer, verzugsfreier, nicht welliger Stumpfschweißnähte durch den Wärmeeintrag nur im unmittelbaren Schweißnahtbereich, wobei weitergehende Erwärmungen und thermi sche Belastungen angrenzender Bereiche neben der Schweißnaht vermieden werden;
- der Verminderung von Polymerabbau durch Überhitzung im Schweiß nahtbereich durch den direkten Wärmeeintrag mittels Heizkeil mit einer technologisch bestimmten Schweißtemperatur und damit Entgegenwirkung einer Veränderung der inneren Gefügestruktur im Schweißnahtbereich, so daß die Schweißnähte elastisch bleiben und kein Bruch in oder neben der Schweißnaht auftritt;
- einem kontinuierlichen Stumpfschweißverfahren mit hoher Schweißgeschwindigkeit, wodurch variable Schweißnahtlängen mit hoher Wirtschaftlichkeit geschweißt werden können;
- der Darstellung eines universellen Stumpfschweißverfahrens, mit dem Kunststoffbahnen oder -folien mit einer Dicke von 0,2 mm bis 5 mm mit hohen Schweißnahtfestigkeiten geschweißt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Anordnung der Schweißwerkzeuge,

Fig. 2 Einfahren der Schweißwerkzeuge zwischen die Kunststoff bahnen oder -folien,

Fig. 3 Fügen der Kunststoffbahnen oder -folien.

Es soll eine Stumpfschweißverbindung zwischen zwei Kunststofffo lien aus Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm hergestellt wer den.

Die beiden Kunststofffolien werden auf einem nicht weiter darge stellten Schweißtisch gegeneinander so justiert, daß sie paral lel zueinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise wird ein Dop pelschnitt durchgeführt, damit Toleranzen ausgeschlossen werden können. Die Kunststofffolien werden nun parallel und um 1 mm überlappt fixiert.

Für die Durchführung des Verfahrens ist es unerheblich, ob die Kunststofffolien an feststehenden Schweißwerkzeugen vorbei ge führt werden oder ob die Schweißwerkzeuge zwischen fest aufge spannten Kunststofffolien entlang geführt werden. Nach Fig. 1 werden die Schweißwerkzeuge, Formkeil 2, Heizkeil 3 und Ultra schallsonotrode 4 mit Ultraschallamboß 5 mit der technologisch ermittelten Schweißgeschwindigkeit von 1,0 m/min bis 2,0 m/min, vorzugsweise 1,5 m/min zwischen die Kunststofffolien 1 gefahren. Der vorauslaufende Formkeil 2, Fig. 2, hebt hierbei die Kunststofffolien 1 so an, daß die Schweißflächen der Kunststofffolien einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles 3 bilden und der nachfolgende Heizkeil 3 zwischen die Kunststofffolien 1 einfahren kann, ohne gegen die Vorderkanten der Kunststofffolien 1 zu stoßen und ein Abtrag von Material von den Kunststofffolien 1 verhindert wird.

Der Heizkeil 3 gleitet mit der technologisch ermittelten Schweißgeschwindigkeit von 1,5 m/min an den Schweißflächen der Kunststofffolien 1 entlang, wobei nacheinander die Schweißflä chen von der Unterkante beginnend bis zur Oberkante mit dem Heizkeil 3 in Kontakt kommen und schnell auf eine Schweißtempe ratur (Heizkeiltemperatur) von 300°C bis 380°C, vorzugsweise 350°C erwärmt werden.

Hinter dem Heizkeil 3 werden die an ihren Schweißflächen nunmehr plastifizierten Kunststofffolien 1 mit Hilfe einer schwingenden Ultraschallsonotrode 4, die von oben gegen die Kunststofffolien 1 drückt, und eines Ultraschallambosses 5, der sich an der Un terseite der Kunststofffolien 1 befindet und dem Druck der Ul traschallsonotrode 4 entgegenwirkt, gefügt, Fig. 3. Die notwendige Ultraschallamplitude wurde wieder technologisch ermittelt und beträgt 25 µm bis 60 µm, vorzugsweise 45 µm.

Nach diesem Verfahren wurde eine wulstarme, verzugsfreie, nicht wellige Stumpfschweißnaht zwischen den Kunststofffolien mit ei nem Schweißfaktor von 0,95 erzeugt.

Die Sonotrodenwirkfläche und die Amboßoberfläche bestimmen die Geometrie der Schweißnaht an der Ober- und Unterseite der ge schweißten Kunststofffolien. Die Sonotrodenwirkfläche und die Amboßoberfläche können z. B. eine im Schweißnahtbereich angeord nete konkave Form besitzen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Kunststoffbahn oder -folie

2

Formkeil

3

Heizkeil

4

Ultraschallsonotrode

5

Ultraschallamboß

Claims

Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien, bei dem die Kunststoffbahnen oder -folien auf einem ebenen Schweißtisch parallel und überlappend aneinandergelegt, fixiert und mit einem Doppelschnitt toleranzlos auf Stoß geschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbahnen oder -folien (1) mit einem in Schweiß richtung vor einem Heizkeil (3) angeordneten Formkeil (2) so an gehoben werden, daß die Schweißflächen der Bahnen (1) einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles (3) bilden und der nach dem Formkeil (2) angeordnete Heizkeil (3) zwischen die Schweißflä chen der Bahnen (1) einfahren kann, ohne daß ein Abtrag von Kunststoffmaterial erfolgt, daß der Heizkeil (3) mit Schweißge schwindigkeit an den Schweißflächen der Bahnen (1) entlang glei tet, wobei nacheinander die Schweißflächen von der Unterkante beginnend bis zur Oberkante mit dem Heizkeil (3) in Kontakt kom men und auf Schweißtemperatur erwärmt werden, daß eine dem Heiz keil (3) in Schweißrichtung unmittelbar nachgeordnete Ultra schallsonotrode (4) die beiden angehobenen und plastifizierten Schweißflächen der Bahnen (1) nach unten auf einen in der Höhe des Schweißtisches befindlichen Ultraschallamboß (5) drückt und die beiden Bahnen (1) miteinander verschweißt werden.