DE2261388A1 - Verfahren zum anschweissen eines endstueckes aus kunststoff an einem kunststoffkoerper - Google Patents

Verfahren zum anschweissen eines endstueckes aus kunststoff an einem kunststoffkoerper

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DE2261388A1
DE2261388A1 DE19722261388 DE2261388A DE2261388A1 DE 2261388 A1 DE2261388 A1 DE 2261388A1 DE 19722261388 DE19722261388 DE 19722261388 DE 2261388 A DE2261388 A DE 2261388A DE 2261388 A1 DE2261388 A1 DE 2261388A1
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welded
welding
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tube
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DE19722261388
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English (en)
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William Edmund Bowen
Clifford Clayton Goehring
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Description

Patentanwalt Dipl.-ing, HELMUT PFISTER
Postscheddconto Mffnrfi.n Nr. 134339 Bankkontoi Baysrisdi* V.rvtntbanfc M.mminfl.n
894 MEMMINGEN/BAYERN BuxochcrilraO· 9 T«ltfon (08331)'3183
ν ■■/.?
Firma American Can Company, American Lane, Greenwich/Connecticut O683O - U.S.A.
Verfahren zum Anschweißen eines Endstückes aus Kunststoff an einem Kunststoffkörper.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschweißen eines Endstückes aus Kunststoff an einem stufenlosen rohrförmigen Körper aus Kunststoff.
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Wr du Auftrae«*rhalfnis gill dit C«bOhnnordnung <iat Dwhcbm ErNHhmBMft und O^rlAhntend M
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, starre oder auch biegsame Behälter aus Kunststoff herzustellen und zwar insbesondere durch Vakuumformung, durch Spritzgießen oder durch Blasvorformon. Bei einem bekannten Herstellungsverfahren zum Herstellen von Quetschtuben (USA-Patentschrift 3 0*17 910) wird der Kopf im Spritzguß an den Tubonkörpor angegossen. Bei einem anderen Vorfahren wird ein Teil des vorgeformten Kopfes in der Nähe des Tubcnkörpors gehalten und der Kopf und dor Tubonkörpor worden mit oinor Form umtoben. Zup Bildung des restlichen Teils des Kopfes und zum Verbinden dos vorgeformten Kopfes mit dom Tubenkörpor wird dann im Spritzguß Kunststoff in den Bereich zwischen dem Kopf und dom Tubenkörper eingebracht (USA-Patentschrift 3 356 263).
In einem anderen bekannten Verfahren (USA-Patentschrift 3 I**** **95) worden ein Kopf und ein Tubenkörper zusammengesetzt und es wird den Rändern des Kopfes und des Tubenkörpers an den Stellen, an denen sie miteinander verbunden werden solion, Wärme zugeführt, so daß sich Wulste bilden, worauf die erhitzten Ränder oder Wülste dadurch verformt werden, daß Werkzeuge auf die Wülste geschoben werden, bis die Ränder so kühl sind, daß sie die vom Werkzeug bestimmte wulstloso Form beibehalten.
Bei den vorgenannten Verfahren treten Jedoch verschiedene Schwierigkeiten auf. Beim Spritzguß ist die Produktionsleistung gering, weil das Spritzen und Abkühlen dos Kunststoffes Zeit erfordert. Wenn das Werkzeug oder Formhohlräume und passend aneinander liegende Teile miteinander ausgerichtet werden müssen, ist eine hohe Präzision der Werkzeuge und der Teile sowie dor notwendigen Bewegungen erforderlich.
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Die Erfindung schlägt ein Vorfahren vor, das von dom eingangs beschriebenen Vorfahren ausgeht und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Endstück in dom Körper angeordnet wird und daß der zu schweißende Bereich mit einem Laserstrahl während einer bestimmten Zeit bestrahlt wird, wobei gleichzeitig eine rela-M ve Drehbewegung zwischen dom Strahl und dom zu schweißenden Bereich herbeigeführt wird. · ;
Von wesentlichem Vorteil bei dor Erfindung ist, daß,zum Anschweißen des Endstückes an den Tubenkörper nur eine sehr kloine Materialmonge erhitzt wird, so daß die Produktionsleistung beträchtlich erhöht werden kann. Ferner ist bei der Anwendung der Erfindung infolge der hohen Präzision des Schweißverfahrens keine oder nur eine sehr geringe Verformung erforderlich, so daß die Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit der Produktion stark erhöht werden kann. Im Vergleich zu dem Verfahren entsprechend dor USA-Patentschrift 3 lkh 495 ergibt die Erfindung die wesentliche Verbesserung, daß keine Wülste auftreten, so daß zur Herstellung eines glatten, wulstloson Behälters keine zusätzliche Maßnahme erforderlich ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem Kurvenbild, den Verlauf der
Strahlintensität und den annähernden Tempo rat urvorlauf in 0,75 mm starkem ßlyäthylon boi Be- -'■""" ' strahlung mit einem Laserstrahl mit einer
Wollenlänge von 10,6 qm (microns),
Fig. 2 . in größerem Maßstab im Vertikalschnitt einen
Teil dos Quetschtubenkopfes und des Tubenkörpers vor dem Laserschweißen, . 309827/0752
Pig· 3 schaubildlich den durch Laserschweißen mit
dem Tubonkörpor verbundenen Quetschtubenkopf,
Pig. 4 in größerem Maßstab im Vertikalschnitt einen
Teil des Tubenkörpors und des Quctschtubcnkopfes nach dem Laserschweißen und
Fig. 5 im größerem Maßstab einen Teil dor Pig. 1J
zur Darstellung der foriBSchlüseken Verbindung zwischen dem Tubenkörper und dem Quctschtubenkopf.
In dem bevorzugton Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Endstück aus einem Quetschtubenkopf 15 aus Pdyäthylen mit einer Schulter I1I und einem Mantel 13. Der Tubenkörper 17 besteht ebenfalls aus Polyäthylen (siehe Fig. 5). Bei der Anwendung der Erfindung wird als Energiequelle ein Laser verwendet, d.h. ein Licht verstärker, der eine stark ge bündelte, intensive Strahlung erzeugt, die im wesentlichen monochromatisch ist, d.h. eine einheitliche wellenlänge besitzt. Diese ist von dem Jeweils verwendeten, aktiven Lasemiaterial abhängig und kann in dem Bereich von Ultraviolett bis zum äußersten Infrarot liegen. Die beiden für kommerzielle Zwecke zum Erzeugen eines Dauerstrahls von hoher Leistung am besten geeigneten Laser sind der Kohlendioxydgas-Laser (COg Laser), mit einer Wellenlänge von 10,6 qm (microns) und der Neodym-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 qm (microns).
C02-Lasor und Nd-YAG-Laser sind mit Ausgangsleistungen von einem Bruchteil eines Watts bis zu mehreren hundert Watt erhältlich, und ihre Strahlen können auf wenige Tausendstel eines Zoll oder weniger fokussiert werden. Es hat sich gezeigt, daß man beim Schweißen von Kunststoff mit einem C0„-Laser mit Leistung im Bereich von 100 - 200 W arbeiten kann.
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Zum Erzielen einer zuverlässigen Schweißvorbindung, die sich auch durch ein gefälliges Aussehen auszeichnet, was für den Absatz wichtig ist, muß das Temporaturgefälle in den miteinander zu vorschweißenden Teilen entsprechend gesteuert worden. Dieses Gefälle ist.von der Strahlungsdichte und der Bündelung der Strahlungsenergie und von don Absorptions- und Wärmcübertragungscigenschaftcn des zu schweißenden Materials abhängig. Die Absorption der Strahlungsenergie durch den bestrahlten Kunststoff ist von der Absorptionskonstante des Materials bei dor Wellenlänge der Strahlung abhängig. Da die Temperatur der Strahlungsdichte proportional ist, entspricht das Toinporaturgcfälle in dem bestrahlten Material annähernd der Qxponenticllon
Absorptions funktion I = Ic "0^ welche die Strahlungsdichte (Leistung pro Flächeneinheit) I in einem Abstand d von' einer Fläche, auf welche eine Strahlung mit der Strahlungsdichte I einfällt, für ein Material mit dem Absorptionskoeffizienten et angibt.
Das unter Anwendung der oxponentiellen Absorptionsfunktion hergestellte Kurvonbild in Fig. 3 zeigt den annähernden Temperaturverlauf in 0,75 mm dickem Polyäthylen, das mit einem Strahl von 10,6 qm (microns) Wellenlänge bestrahlt wird. Jener Boreich, welcher der Fläche am nächsten ist, auf welchen die Strahlung einfällt, empfängt die stärkste Energie, weil dort die Strahlung noch nicht durch Anteile der Dicke des Materials geschwächt worden ist. Das Durchdringungsvermögen des Strahls und damit die Steilheit dos Temperaturgefälles ist eine Funktion der Absorptionskons tantcOC» Daher ist an und in der Nähe der Fläche, auf welchen die Strahlung einfällt, die Temperatur höher als an der Grenzfläche zwischen den beiden in Fig. 1 gestrichelten angedeuteten Grenzfläche zwischen den beiden 0,375 nun dicken Schichten.
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Da Kunststoffe im allgemeinen schlechte Wärmeleiter sind, wird nur eine örtliche Erhitzung erzielt. Es ist wesentlich, daß die Temperatur in dem Kunststoff, insbesondere an seiner Oberfläche, nicht auf einen Wort steigt, bei dom das Material geschädigt wird oder zu stark fließt. Andererseits muß zum Verschweißen oder Verschmolzen von Materialien an einer Zwischonfläche, z.B. in einer Tiofo von 0,375 mm wie in Pig. I, die Temperatur in diesem Bereich auf den Schmolzpunkt dos Materials steigen.
Versuche mit aus Polyäthylen niedriger Dichte bestehenden Tuben mit einer Wandstärke von 0,356 mm und mit in diese Tubcnkörpcr eingesetzten Köpfen aus Polyäthylen haben gezeigt, daß an der Außenfläche des Tubenkörpers eine Vorformung auftreten kann, wenn die zügeführte Energiemenge so groß 1st, daß der Tubonkörpor und der Kopf während einer Umdrehung des Werkstücks miteinander vorschweißt worden. Dabei wurde die Strahlung von einem COp-Laser erzeugt und auf einen Punkt von 0,76 mm Durchmesser fokussiert und hatte diese Strahlung eine
Dichte von 26 kw/ cm . Es war ferner schwierig, die Bostrahlungszeit genauso zu steuern, daß in ihr genau eine Umdrehung erfolgte und keine Überlappung der Schweißnaht auftrat; dies hätte zu einer weiteren Verformung der Oberfläche geführt. Daher wurde die Lasorschwoißvorrichtung so eingestellt, daß das Werkzeug mit einem Mehrfachen der ursprünglichen Drehzahl gedroht, die Bostrahlungszoit aber konstant gehalten wurde. Infolgedessen wandorte der zu schweißende Bereich mehrmals mit proportional höherer Geschwindigkeit unter dem Strahl hindurch. Effektiv wurde einem gegebenen Punkt pro Zeiteinheit weniger Energie, während der Gcsamt-Bostrahlungszoit aber dieselbe Energiemenge zugeführt. Man erzielte auf diese Weise eine gute Schweißverbindung mit einer beträchtlich geringeren Vorformung
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der Außenfläche und einem woniger deutlich begrenzten überlapp ungsberoich.
Es hat sich gezeigt, daß es in manchen Fällen zweckmäßig ist, wenn sich auf dom zu schweißenden Bereich leerlaufende Rollen abwälzen. Natürlich glätten diese Hollen den zu schweißenden Pereich, doch ist es noch wichtiger., daß sie die Außenfläche dos Körpers kühlen. Durch leitende Bollen, z.B. aus Aluminium, konnte bei ,jeder Umdrehung des Körpers die Abkühlung der Oberfläche nach der Bestrahlung unterstützt werden.
Die vorerwähnte Verbesserung des Aussehens soll nun im Zusammenhang mit der vorhergehenden Beschreibung und an Hand dos in Fig. 1 gezeigten Kurvonbildes erläutert iforden. Wenn man dem zu schweißenden Bereich Energie in einer solchen Menge pro Zeiteinheit und während einer solchen Zeit zuführt, daß keine Schädigung eintritt, und zwischen den Bestrahlungszciten die Oberfläche abkühlen läßt,- kann die innere Schicht oder können die inneren Schichten des Kunststoffes auf ihren Schmelzpunkt erhitzt werdenj während die Oberfläche nur minimal verformt wird. Die wiederholte Bestrahlung und die Kühlung durch Rollen wirken im Sinne einer Herabsetzung der Spitzentemperatur in der Nähe der Oberfläche 3 auf welcher der Laserstrahl einfällt, ohne daß dadurch die Temperatur im Inneren beträchtlich beeinflußt wird.
Beim Schweißen ist der Druck gewöhnlich ein wichtiger Parameter. In vielen Heißsiege !verfahren für Kunststoffe muß Druck ausgeübt werden, weil die zum Siegeln erforderliche Hitze dem Kunststoff von einer geheizten Walze oder einer geheizten Platte zugeführt wird, die an dom Werkstück angreift. Der Druck unterstützt die Wärmeleitung und unterstützt auch den SchmelzVorgang, weil die miteinander zu ver-
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-B-
schwcißcndcn Teile go gone in an der gepreßt werden. Mit Hilfe des Laserstrahls kann man in den miteinander zu schweißenden Teilen beruhrungsfrei Wärme erzeugen. Das ist für eine hoho Produktionsleistung ideal. Andererseits müssen die beiden miteinander zu verschweißenden Teile einander an der Grenzfläche möglichst innig berühren, damit zum Verschmelzen der Teile möglichst wonig Material geschmolzen zu werden braucht. Um diese Forderungen zu erfüllen, wird vorzugsweise ein Preßsitz zwischen den miteinander zu verschweißenden Teilen hergestellt. Zu diesem Zweck kann man den Außendurchmesser des Mantels 13 größer wählen als den Innendurchmesser des Tubenkörpers 17. Bei einem Preßsitz ist ein Druck zwischen den Teilen vorhanden, ohne daß ein äußeres Element an ihnen angreift. Eine andere Anordnung zum Erzielen eines Preßsitzes ist in Fig. 2 gezeigt. Danach ist in dom Mantel 13 eine Rippe 11 ausgebildet, die infolge ihres größeren Durchmessers einen Druck auf den Tubenkörper 17 hat und mehrere Aufgaben hat. Zunächst führt sie zu einer Druckberuhrung zwischen dom Kopf 15 und dom Tubenkörper .17. Zweitens ist dank der Rippe in dem zu schweißenden Boreich zusätzliches Material vorhanden, das die Herabsetzung der Wandstärke des Tubenkörpers 17 kompensiert, wenn dieser infolge der Erwärmung schrumpft. Drittens bewirkt die in den Tubenkörper 17 vorstehende Rippe 11, daß eine formschlüssige Verbindung hergestellt wird, wenn das Material des Tubenkörpers 17 fließfähig wird und die Rippe 11 einbettet (siehe Fig. 4).
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dor Tubenkörper 17 und der Kopf 15 sind auf einem rotierenden Dorn 16 montiert und so angeordnet, daß sich der zu schweißende Bereich in der Nähe dos Brennpunktes einer Linse 19 befindet, die von einem Laserstrahl 21 durchsetzt wird. Mit Hilfe einer Druckrolle 23
309827/0752 - 9 H
wird von dor Oberfläche des zu schweißenden Bereiches Wärme abgeführt und wird dioso Oberfläche geglättet. Eine derartige Druckrollo ist aber besonders bei Polyäthylen höher Dichte nicht unbedingt erforderlich.
Zum erfindungsgcmäßon Verschweißen des Tubenkörpers 17 und dos Kopfes 15 tritt die Strahlungsenergie vorzugsweise durch die der Strahlungsquelle nachstliegende Materialschicht, in dem vorliegenden Beispiel durch den Tubenkörper 17 und dom Kopf 15. Auf diese Weise wurde mit Hilfe einer Vorrichtung, die der in Fig. 3 gezeigten ähnelt, ein Tubenkörpor mit einem Durchmesser von 22,2 mm und einer Wandstärke von 0,355 mm mit dom Mantel eines Kopfes vorschweißt (siehe Fig. 4). Dabei wurden Tubenkörper und Köpfe aus durchsichtigem und pigmentiertem Polyäthylen hoher und niedriger Dichte verwendet. Der von einem Laser von 125 W erzeugte Strahl wurde auf einen Punkt von 0,76 ram Durchmesser in dem zu schweißenden Bereich fokussiert.
Die Tubenkörpor und die Köpfe wurden mittels eines Domes mit einer Drehzahl von 1500 U/min, gedroht. Der Laserstrahl wurde jeweils 0,28 sek. lang eingeschaltet, was sieben Umdrehungen dos Tubenkörpers und des Kopfes entsprach. Die fertigen Quetschtuben blieben unter einem Luftdruck von 2,8 kp/cm dicht.
Bei der Verwendung von Materialien, die für die Bestrahlung bei der verwendeten Wellenlänge teildurchlässig sind, wandert je nach der Gesamtdicke des Materials eine gewisse Energiemenge durch das Material hindurch, an dessen hinterer Fläche diese Energie austritt. Durch eine an der hinteren Fläche vorgesehene reflektierende Fläche kann die austretende Energie wieder in das Material hineinreflektiert werden, so daß die Strahlungsenergie besser ausgenutzt und die Energie-Vorteilungskurve noch stärker abgeflacht wird.
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- ίο -
Im Rahmen der Erfindung wird die unter dom Werkstück befindliche Fläche gewöhnlich von einem Werkstückhalter oder einem Dorn gebildet, dessen Oberfläche zweckmäßig poliert ist, damit eine maximale Reflexion erzielt wird. Es hat sich gezeigt, daft der Einbrand beim Schweiften von Kunststoffschichten bei geringerer Verformung der Oberfläche noch auf andere Weise vorbessert werden kann, und zwar, indem der normalerweise kreisförmige Strahlungsqucrschnitt durch eine besondere Fokussierung so verformt wird, daß er in der Richtung seiner Bewegung relativ zu dem Werkstück Verlängert wird, während quer zu dieser Richtung seine Abmessung unverändert bleibt. Dadurch wird die Energiedichte dos fokussieren Strahls herabgesetzt, weil die gegebene Leistung über eine größere Fläche verteilt wird; dagegen wird die Arbeit pro Längeneinheit nicht verändert, weil die Breite der Schweißnaht nicht zunimmt. Diese Längung des Strahlqucrschnitts kann mit Hilfe von zylindrischen oder anderen Spcziallinsen oder von geeigneten Spiegeln oder durch Anwendung eines außeraxialon Astigmatismus erzielt worden.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Laserstrahl nicht unbedingt durch die äußere Matorialschicht zu treten braucht. Man kann den Strahl auch durch oinc innere Materialschicht führen, d.h. von innen nach außen, wenn man eine geeignete Vorrichtung verwendet und das Werkstück entsprechend manipuliert. Ein derartiges Verfahren ist beim Schweißen von Schichtkörpern aus Metall zweckmäßig.
Vorstehend wurde der Erfindungsgegenstand anhand von zylindrischen Tuben beschrieben, doch kann die Erfindung auch auf Tuben mit ovalem Querschnitt angewandt werden. Dor Erfindungsgegenstand und zahlreiche durch die Erfindung gegebenen Vorteile dürften aufgrund dor vorstehenden Beschreibung verständlich sein.
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- ti -
Im Rahmen dos Erfindungsgodankcns kann ohne Aufgabe aller durch die Erfindung orzAelbaron Vorteile das vorstehend bo- z^ttrzOuonz, 'uvjrvorzugto Ausführungsboispiel hinsichtlich der Form, der Konstruktion und Anordnung der Teile dos Werkstückes und hinsichtlich der Schritte dos beschriebenen Verfahrens und der Reihenfolge ihrer Durchführung abgeändert werden.
1 309827/0752

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ί 1. ,/Verfahren zum Anschweißen eines Endstücks aus Kunststoff an einem stufenloscn rohrförmigen Körper aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück in dem Körper angeordnet wird und daß der zu schweißende Bereich mit einem Laserstrahl während einer bestimmten Zeit bestrahlt wird, wobei gleichzeitig eine relative Drehbewegung zwischen dom Strahl und dem zu schweißenden Bereich herbeigeführt wird.
  2. 2. Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück von einem Quetschtubenkopf und der Körper von einem Tubenkörper gebildet ist.
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  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auföendurchmesser des Mantels des Tubenkopfos größer ist als der Innendurchmesser dos Tubonkörpers, so daß ein Preßsitz zwischen dem Tubenkopf und dem Tubenkörpor erzielt wird.
  4. 4. Vorfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl eine Wellenlänge von 10,6 Micron (microns) hat,
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Laserstrahls in der Längsrichtung der Schweißnaht langgestreckt ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Tubenkopf als auch der Tubenkörper aus Polyäthylen bestehen.
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