DE19907615B4

DE19907615B4 - Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien

Info

Publication number: DE19907615B4
Application number: DE1999107615
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kazmirzak; Wolfgang Tobias
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2019-02-24
Also published as: DE19907615A1

Abstract

Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien, bei dem die stirnseitig und stumpf miteinander zu verschweißenden Kunststoffbahnen oder -folien zueinander ausgerichtet, mit den Enden übereinander zusammengelegt und in dieser Lage anschließend manuell oder mechanisch mit einem Messer oder einer Klinge im Bereich der übereinander liegenden Folien mit einem Schnitt (Doppelschnitt) toleranzlos geschnitten werden, dadurch gekennzeichnet
daß die Kunststoffbahnen oder -folien auf einem ebenen Schweißtisch parallel und überlappend aneinander gelegt und in dieser Lage fixiert werden,
daß die Kunststoffbahnen oder -folien mit einem in Schweißrichtung vor einem Heizkeil angeordneten Formkeil so angehoben werden, daß die Schweißflächen der Bahnen einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles bilden und der in Schweißrichtung nach dem Formkeil angeordnete Heizkeil zwischen die Schweißflächen der Bahnen einfahren kann, ohne daß ein Abtrag von Kunststoffmaterial erfolgt, wobei die Schweißrichtung längs der Stoßfuge der Kunststoffbahnen oder -folien weist,
daß der Heizkeil mit Schweißgeschwindigkeit an den...

Description

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

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

Zum Einsatz kommen hier neben dem Warmgas- und Heizkeilschweißverfahren 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 geschweißt werden. Nachteilig bei diesen Überlappungsschweißstellen ist aber, daß es im Bereich der Schweißnaht zu einer Materialverdickung (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 Oberflächenqualität 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 heranreichen, um den Verarbeitungsprozeß nicht zu stören.

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

Aus der DE 37 24 784 A1 und dem DE 87 17 462 U1 ist eine Stumpfschweißverbindung für Abdichtungsbahnen aus einem Kunststoff-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 Qualität und Festigkeit der Schweißnaht maßgeblich von der Gleichmäßigkeit und Präzision des Anfasens bestimmt wird. Darüber hinaus ist das Anfasen ein zusätzlicher Arbeitsgang, der die Kosten der Schweißverbindung erhöht. Weiterhin erweist sich als nachteilig, daß sich mit dem Aneinanderdrücken der Schrägflächen an der Ober- und Unterseite der geschweißten Bahnen eine Schweißwulst und mehr oder weniger stark ausgeprägte, sichtbare Rollenmarkierungen ergeben, so daß diese Stumpfschweißverbindung zum Verbinden von Fußbodenbelägen mit hoher optischer Oberflächenqualität oder zum Schweißen von technischen Folien nicht geeignet ist.

Weiterhin ist aus der DE 29 34 133 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer geschlossenen Bodenbelagfläche aus PVC-Bahnen bekannt. 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 anschließend mit einem Zusatzwerkstoff (Schweißdraht) mit Hilfe eines Warmgasschweißgerätes verschweißt. Die auf der Unterseite entstehende Schweißraupe wird nach dem Erkalten mechanisch geglättet, z.B. mit einem Messer mechanisch abgestoßen. Danach wird das Klebeband von der Belagoberseite entfernt.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Arbeits- und Zeitaufwand zur Vor- und Nachbereitung der Schweißverbindung. Darüber hinaus wird ein Zusatzwerkstoff benötigt, und das Verfahren ist auch nur zum Schweißen von Kunststoffbahnen, wie Fußbodenbeläge, geeignet.

Weitere Nachteile ergeben sich aus dem Verbinden mittels Warmgasschweißen. Bei der Erwärmung der Schweißstelle läßt sich das Warmgas nicht auf die Schweißstelle begrenzen, da der Warmgasstrahl nicht nur auf die zu erwärmende Kunststofffläche auftrifft, sondern auch die angrenzenden Bereiche erwärmt. Diese weitergehende Erwärmung auch angrenzender Bereiche neben der Schweißnaht behindert das Erreichen verzugsfreier und nicht welliger Schweißnähte. Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit 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 150 992 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vorfertigung raumgroßer Mehrschicht-Thermoplastbahnen, wie farbiger, 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 Vorrichtung entnommen werden und ist belastbar.

Nachteilig ist, daß dieses Verfahren auch nur zum Stumpfschweißen 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 kontinuierlich mit hoher Schweiß- und Fügegeschwindigkeit und ohne Zusatzwerkstoff (Schweißdraht) arbeitet, eine wulstarme Schweißverbindung mit hoher optischer Oberflächenqualität und hoher Schweißfestigkeit erzeugt, bei dem ein Polymerabbau und Veränderungen der Gefügestruktur im Schweißnahtbereich vermindert werden und verzugsfreie, nicht wellige Schweißnähte geschweißt werden können und welches eine kleine, kompakte Bauform der Schweißvorrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden zu verschweißenden Kunststoffbahnen oder -folien, die zuvor mit einem Doppelschnitt toleranzlos geschnitten wurden, auf einem ebenen Schweißtisch parallel und überlappend aneinandergelegt und in dieser Lage fixiert werden. Sodann werden die Kunststoffbahnen oder -folien mit Hilfe eines in Schweißrichtung vor einem Heizkeil angeordneten Formkeil so angehoben, daß die Schweißflächen der Bahnen einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles bilden und der in Schweißrichtung nach dem Formkeil angeordnete Heizkeil zwischen die Schweißflächen der Bahnen einfahren kann, ohne daß ein Abtrag von Kunststoffmaterial erfolgt, wobei die Schweißrichtung längs der Stoßfuge der Kunststoffbahnen oder -folien weist. 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 auf Schweißtemperatur erwärmt werden.

Eine dem Heizkeil in Schweißrichtung unmittelbar nachgeordnete Ultraschallsonotrode drückt die beiden angehobenen und plastifizierten Schweißflächen der Bahnen nach unten auf einen in der Höhe des Schweißtisches befindlichen Ultraschallamboß, 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 Kontaktzeit 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 konstanter Geschwindigkeit.

Die Schweißverbindung entsteht durch die Diffusion der Polymerstrukturen in der Grenzfläche der beiden Schmelzeschichten der Schweißflächen der Kunststoffbahnen oder -folien, wobei das Ausmaß und die Intensität dieser Diffusionsvorgänge die Belastbarkeit der Schweißverbindung bestimmen. Diese Wechselwirkungsvorgänge 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 Schweißwerkzeugen vorbeigeführt werden oder ob die Schweißwerkzeuge zwischen 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 bestehen insbesondere in:

– der Herstellung wulstarmer, verzugsfreier, nicht welliger Stumpfschweißnähte durch den Wärmeeintrag nur im unmittelbaren Schweißnahtbereich, wobei weitergehende Erwärmungen und thermische Belastungen angrenzender Bereiche neben der Schweißnaht vermieden werden;
– der Verminderung von Polymerabbau durch Überhitzung im Schweißnahtbereich 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
1 Anordnung der Schweißwerkzeuge
2 Einfahren der Schweißwerkzeuge zwischen die Kunststoffbahnen oder -folien
3 Fügen der Kunststoffbahnen oder -folien Es soll eine Stumpfschweißverbindung zwischen zwei Kunststofffolien aus Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm hergestellt werden.
Die beiden Kunststofffolien werden auf einem nicht weiter dargestellten Schweißtisch gegeneinander so justiert, daß sie parallel zueinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise wird ein Doppelschnitt 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 geführt werden oder ob die Schweißwerkzeuge zwischen fest aufgespannten Kunststofffolien entlang geführt werden. Nach 1 werden die Schweißwerkzeuge, Formkeil 2, Heizkeil 3 und Ultraschallsonotrode 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, 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 Schweißflächen von der Unterkante beginnend bis zur Oberkante mit dem Heizkeil 3 in Kontakt kommen und schnell auf eine Schweißtemperatur (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 Unterseite der Kunststofffolien 1 befindet und dem Druck der Ultraschallsonotrode 4 entgegenwirkt, gefügt (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 einem Schweißfaktor von 0,95 erzeugt.
Die Sonotrodenwirkfläche und die Amboßoberfläche bestimmen die Geometrie der Schweißnaht an der Ober- und Unterseite der geschweißten Kunststofffolien. Die Sonotrodenwirkfläche und die Amboßoberfläche können z.B. eine im Schweißnahtbereich angeordnete konkave Form besitzen.

1: Kunststoffbahn oder -folie
2: Formkeil
3: Heizkeil
4: Ultraschallsonotrode
5: Ultraschallamboß

Claims

Verfahren zum Stumpfschweißen von Kunststoffbahnen oder -folien, bei dem die stirnseitig und stumpf miteinander zu verschweißenden Kunststoffbahnen oder -folien zueinander ausgerichtet, mit den Enden übereinander zusammengelegt und in dieser Lage anschließend manuell oder mechanisch mit einem Messer oder einer Klinge im Bereich der übereinander liegenden Folien mit einem Schnitt (Doppelschnitt) toleranzlos geschnitten werden, dadurch gekennzeichnet daß die Kunststoffbahnen oder -folien auf einem ebenen Schweißtisch parallel und überlappend aneinander gelegt und in dieser Lage fixiert werden, daß die Kunststoffbahnen oder -folien mit einem in Schweißrichtung vor einem Heizkeil angeordneten Formkeil so angehoben werden, daß die Schweißflächen der Bahnen einen Spalt von der Dicke des Heizkeiles bilden und der in Schweißrichtung nach dem Formkeil angeordnete Heizkeil zwischen die Schweißflächen der Bahnen einfahren kann, ohne daß ein Abtrag von Kunststoffmaterial erfolgt, wobei die Schweißrichtung längs der Stoßfuge der Kunststoffbahnen oder -folien weist, daß der Heizkeil mit Schweißgeschwindigkeit an den Schweißflächen der Bahnen entlang gleitet, wobei nacheinander die Schweißflächen von der Unterkante beginnend bis zur Oberkante mit dem Heizkeil in Kontakt kommen und auf Schweißtemperatur erwärmt werden, daß eine dem Heizkeil in Schweißrichtung unmittelbar nachgeordnete Ultraschallsonotrode die beiden angehobenen und plastifizierten Schweißflächen der Bahnen nach unten auf einen in der Höhe des Schweißtisches befindlichen Ultraschallamboß drückt und die beiden Bahnen miteinander verschweißt werden.