DE2261388A1 - Verfahren zum anschweissen eines endstueckes aus kunststoff an einem kunststoffkoerper - Google Patents
Verfahren zum anschweissen eines endstueckes aus kunststoff an einem kunststoffkoerperInfo
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Description
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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.
309827/0752
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.
309827/0752
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.
309827/0752
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.
- 6 -309827/0752
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
309827/0752 - 7 -
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-
309827/Q1S2 . « "
-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.
309827/0752
- 10 -
- 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.
309827/0752 " ια "
- 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)
- Patentansprücheί 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. Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück von einem Quetschtubenkopf und der Körper von einem Tubenkörper gebildet ist.309827/0752
- 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. Vorfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl eine Wellenlänge von 10,6 Micron (microns) hat,
- 5. Verfahren nach Anspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Laserstrahls in der Längsrichtung der Schweißnaht langgestreckt ist.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Tubenkopf als auch der Tubenkörper aus Polyäthylen bestehen.309827/0752Leerseite
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