DE2426154B2 - Verfahren zum kontinuierlichen Überlappungsverschweißen von Kunststoff-Folien oder -Tafeln - Google Patents

Verfahren zum kontinuierlichen Überlappungsverschweißen von Kunststoff-Folien oder -Tafeln

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DE2426154B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Überlappungsverschweißen von großflächig und ggf. auf unebener Fläche ausgelegten thermoplatischen Kunststoff-Folien oder -Tafeln durch Erhitzen der sich überlappenden Oberflächen in den Bereich der Schmelztemperatur und Zusammenpressen der erhitzten Oberflächen, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Beim Überlappungsverschweißen von Polyolefin-Folien oder -Tafeln erwärmt man üblicherweise die Überlappungsränder bzw. die einander zugewendeten Oberflächen derselben bis oberhalb Schmelztemperatur und preßt sie dann so lange zusammen, bis die Naht so wei·, abgekühlt ist, daß sie gegenüber den im Anschluß an den Schweißvorgang auftretenden Kräften formstabil ist. Dieses Verfahren ist nicht anwendbar, wenn die miteinander zu verbindenden Oberflächen nicht gleich- w> mäßig erhitzt werden können oder wenn so hohe Wäcmeverluste auftreten, daß die Temperatur der miteinander zu verbindenden Oberflächen nach der Erhitzung bis zum Einsetzen der Preßkraft wieder unter die Schmelztemperatur absinkt. Solche ungünstigen ""> Umstände herrschen bei großflächig und ggf. auf unebenem Boden ausgelegten Polyäthylenplatten, wie sie beispielsweise in Dicken von etwa 3 mm bei Grundwasserabdichtungen oder großflächiger Dachdeckung verwendet werden. Ungleichmäßige Dicke und unterschiedliche Lage der zu erwärmenden Bahnränder zueinander und gegenüber den Erwärmungselementen kann zu ungleichmäßiger Erwärmung führen; wechselnde Witterungsverhältnisse führen zu unterschiedlicher Abkühlung vor der Verschweißung. Ungleichmäßige Bodenverhältnisse haben eine ungleichmäßige Stellung der Erwärmungselemente und eine ungleichmäßige Pressung zur Folge. Eine absolut sichere Schweißnaht kann daher mit dem bekannten Verfahren nicht erreicht werden. Außerdem neigen ungleichmäßig verschweißte Überlappungsnähte zur Wellenbildung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen der überlappenden Ränder von thermoplastischen Kunststoff-Folien oder -Tafeln zu schaffen, das hohe Schweißsicherheit auch bei ungleichmäßigen Lage- und Temperaturverhältnissen an den zu verbindenden Oberflächen gewährleistet und die Wellenbildung verringert
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß ein Strang eines Zusatzwerkstoffes im heißplastischen Zustand zwischen die erhitzten Oberflächen geführt und gleichzeitig mit ihnen in Verbindung gebracht und durch das Zusammenpressen schichtförmig verteilt wird. Die Wirkung besteht nicht nur darin, daß mittels dts Zusatzwerkstoffes eine zusätzliche Wärmemenge in den Schweißbereich transportiert wird, deren Größe genau bestimmbar ist, weil Menge und Temperatur des Zusatzwerkstoffs mittels automatischer Maschinen sehr genau einstellbar sind. Der gleichzeitige Kontakt mit den zu verbindenden Oberflächen soll verhindern, daß der Zusatzwerkstoff sich bei vorzeitiger Verbindung mit der einen Oberfläche so stark abkühlt, daß seine Temperatur für eine sichere Verbindung mit der anderen Oberfläche nicht mehr ausreicht. Danach kommt es auf die jeweilige Temperatur der zu verbindenden Oberflächen nicht mehr entscheidend an, weil der Zusatzwerkstoff diese Oberflächen, falls sie eine unzulässig niedrige Temperatur haben sollten, erhitzt und damit eine ordnungsgemäße Verschweißung gewährleistet. In manchen Fällen wird es daher nicht mehr erforderlich sein, die miteinander zu verbindenden Oberflächen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur zu erhitzen, sofern nur die aus der vorbereiteten Erwärmung dieser Oberflächen und dem Zusatzwerkstoff stammende Wärmemenge ausreicht, die Oberflächen im Preßbereich auf die erforderliche Temperatur anzuheben.
Es ist bekamst (US-PS 30 08 862) die kalten Oberflächen verhältnismäßig dünner Kunststoffolien durch Einbringen von heißplastischem Zusatzwerkstoff miteinander zu verschweißen. Jedoch führt dieses Verfahren im Nahtbereich zu Spannungen und Sprödrissen. Diese Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Kombination der Oberflächenerwärmung mit der Einbringung heißen Zusatzmaterials nicht auftreten, weil erstens der Zusatzwerkstoff mit geringer Temperatur eingebracht werden kann, da er nicht alleiniger Wärmeträger ist, weil zweitens die Oberflächenbereiche des Zusatzwerkstoffs nicht so rasch abgekühlt werden und weder im Zusatzwerkstoff noch im Grundmaterial so hohe Temperaturgradienten auftreten, und weil drittens kein so scharfer Temperatursprung am Nahtrand auftritt, der möglicherweise für die Versprödung verantwortlich ist.
Es ist weiter bekannt, Kunststoffoberflächen unter Einsatz von Zusatzwerkstoff miteinander zu verschwel-
Ben, wenn dabei der Zusatzwerkstoff zur Ausfüllung vorhandener Hohlräume, beispielsweise bei der VerschweiQung von V-Nähten notwendig ist. Dabei kann man die Oberflächen, zwischen die der heißplastische Zusatzwerkstoff gegeben werden soll auch zuvor erwärmen (»Kunststoffe«, 1971, S. 110 rechts Mitte). Nur darauf bezieht sich eine bekannte Anweisung (»Kunststoff-Rundschau«, 1973, S. 67), daß man bei Anwendung des Schmelzdraht- oder Extrusionsschweißverfahn*ns dickwandige Teile zusätzlich erwärmen soll. Obwohl in derselben Anweisung an anderer Stelle auch von der Anwendung des Schmelzdraht- bzw. Extrusions-Schweißverfahrens für Polyäthylenfolien die Rede ist, kann man ihr nicht die Lehre entnehmen, auch bei dem Extrusions-Scliweißverfahren für Überlappungsnähte von Folien die zu verbindenden Teile zuvor zu erwärmen, weil es dem Fachmann sinnlos erscheinen muß, heißplastischen Zusatzwerkstoff zuzugeben, wenn er zuvor die Oberflächen erhitzt hat, die er dann auch unmittelbar ohne Zusatzwerkstoff zusammenpressen kann.
Während der Zusatzwerksioff im Stand der Technik zur Hohlraumfüllung dient, für die bei einer F-_>lienüberlappung kein Anlaß besteht, hat er im Zusammenhang der Erfindung einen überraschend anderen Effekt. Er gestattet es nämlich, die oberflächenerhitzte Folien-Überlappung auch dann mit Sicherheit zu verschweißen, wenn Ungleichmäßigkeiten in der Lage und Temperatur vorkommen.
Die Menge und Temperatur des Zusatzwerkstoffs muß ausreichend groß bemessen werden. Mit anderen Worten muß an jeder Nahtstelle eine ausreichende Menge des Zusatzwerkstoffs vorhanden sein. In den meisten Fällen sollte seine Dicke (vor der Pressung) mindestens 3 mm, besser mindestens 6 mm, in manchen Fällen auch mehr als 10 mm betragen. Ein zu dünner Strang könnte sich bis zum Erreichen der Schweißstelle zu stark abkühlen. Nach der Pressung soll die Dicke zwischen 1 und 12 vorzugsweise zwischen 2 und 8 mm liegen. Damit der Zusatzwerkstoff in dem gewünschten Ausmaß unc' nicht zu stark seitlich gequetscht wird, müssen Stärke und/oder Dauer des Preßdrucks entsprechend bemessen werden. Ggf. kann auch der Schmelzindex des Zusatzwerkstoffs höher als der des Plattenwerkstoffs bei sonst weitgehend identischen Eigenschaften sein.
In vieler. Fällen sind die miteinander zu verschweißenden Folien- bzw. Tafelränder um so schwerer zu bearbeiten, je flexibler sie sind. Wenn beispielsweise eine Andruckrolle zur Ausübung des Preßdrucks verwendet wird, so kann diese Rolle bei sehr flexibler Konsistenz der zu verschweißenden Ränder Wellen vor sich herschieben, die zu Faltenbildung führen können. Diese Gefahr wird durch die Wärmedehnung der Ränder verstärkt. Zweckmäßig ist es daher nach der Erfindung, daß bei der Erhitzung der zu verbindenden Überlappungsflächen vor deren Zusammenpressen ein Querschnittsbereich des Überlappungsbereichs auf mäßiger Temperatur verbleibt. Dieser auf mäßiger Temperatur verbleibende Querschnittsbereich ist zweckmäßigerweise die den zu verschweißenden Oberflächen abgewendete Dickenzone des Schweißbereichs. Dadurch wird bewirkt, daß dieser Bereich eine gewisse Festigkeit behält, obwohl die Schweißoberfläche erweicht ist.
Obwohl dieser Gedanke, die Stabilität des Schweißbereichs bei kontinuierlichen Schweißverfahren durch begrenzte Erhitzung zu c.-halten, gegebenenfalls unabhängigen Schutz vor den übrigen Erfindungsmerkmalen verdient, ist doch festzustellen, daß die dafür notwendige vorsichtige und rasche Erwärmung des Schweißbereichs besonders vorteilhaft bei teilweiser Zuführung der Wärme mittels des Zusatzwerkstoffs durchführbar ist.
Es hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, das Zusatzmaterial gleichzeitig mit beiden zu verbindenden Oberflächen in Verbindung zu bringen. Legt sich das
ίο Zusatzmaterial nämlich vorzeitig auf eine der beiden Flächen auf und ist diese kühler als das Zusatzmaterial, so besteht die Gefahr, daß das Zusatzmaterial einen erheblichen Teil seiner Wärme einseitig abgibt und seine Temperatur dann nicht mehr zur Schmelzerhitzung der anderen Oberflächen ausreicht. Die gleichzeitige Verbindung des Zusatzwerkstoffs mit den beiden Oberflächen wird erleichtert, wenn man das Zusatzmaterial aus der zwischen den zu verbindenden Oberflächen angeordneten, höhenverstellbaren Düse mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Vorschubgeschwindigkeit der Schweißvorrichtung ausrnen IaQt. Dadurch wird das extrudierte Materia! zwischen der Düse und derjenigen Stelle gespannt, an der die beiden Oberflächen unter der Wirkung der Anpreßvorrichtung zusammengeführt werden.
Es ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von Lagen thermoplastischen Materials bekannt (DT-GBM 19 09 425), die an einem Führungsgestell eine Einrichtung zum Erhitzen der zu verbindenden Oberflächen
jo und anschließend eine Einrichtung zurr Zusammenpressen der zu verbindenden Oberflächen hat. Eine solche Vorrichtung kann auch zur Ausübung des Verfahrens der Erfindung verwendet werden, wenn sie zusätzlich mit einem Extruder mit einer zwischen die zu verbindenden Oberflächen geführten, während des Betriebes höhenverstellbaren Düse versehen ist. Das Führungsgestell ist dabei mit einer kontiniuierlich arbeitenden Antriebsvorrichtung versehen, deren Geschwindigkeit zweckmäßigerweise regelbar bt. Die Andruckeinrichtung kann als Rolle ausgebildet sein, da aus den oben näher erläuterten Gründen eine bet· jchtliche Preßstrecke nicht erforderlich ist.
Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die ein
4Ί vorteilhaftes Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. Sie zeigt in einer Figur einen Längsschnitt durch den Schweißbereich mit den daran wesentlich teilnehmenden Elementen der Schweißvorrichtung.
Auf dem Untergrund 1 liegt die Folie 2 auf, die mit der
ίο sie überlappenden Folie 3 verschweißt werden soll.
Die nicht gezeigte Schweißvorrichtung, die man sich als einen längs der Naht fahrbaren Wagen vorstellen kann, trägt Finger 4, mit der sie die obere Folie 3 in dem gezeigten kurzen Bereich von der unteren Folie 2
η abhebt, um eine Erwärmungseinrichtung 5 und eine Düse 6 zwischen d'e beiden Folien in den Schweißbereich einführen zu können. Die Erwärmungseinrichtung kann von beliebiger bekannter Art sein. Sie kann beispielsweise Heißluft oder Wärmestrahlung gegen die
!.ο einander zugewendeten Oberflächen 7 der beiden Folien im S:nne der Pfeile senden. Aus der Düse 6 tritt ein Strang 8 de; Zusatzwerkstoffs kontinuier'ich und gleichbleibend aus. Dieser Strang ist zweckmäßigerweise der Breite der gewünschten Naht unter Beriicksichti-
■. gung der in der Preßeinrichtung zu erwartenden Breitquetschung angemessen. Diese Preßeinrichtung wird von einer Rolle 9 gebildet, die die beiden Folien unter Einschluß des Zusatzwerkstoffs eeeen den
Untergrund 1 preßt und deren Preßkraft vorzugsweise einstellbar ist.
Die genannten Vorrichtungsteile, nämlich die Finger 4, die Erwärmungseinrichtung 5, die Düse 6 und die Achse der Rolle 9 sind miteinander fest verbunden und "> werden gemeinsam in Vorschubrichtun^; 10 kontinuierlich bewegt.
Die Vorschubgeschwindigkeit und die von der Erwärmungseinrichtung 5 auf die Oberflächen 7 übertragene Wärmemenge werden so bemessen, daß |n diese Oberflächen im Bereich 11, in welchem sie miteinander bzw. dem Strang 8 des Zusatzwerkstoffs in Berührung kommen, ausreichende Temperatur besitzen, ohne daß die den Oberflächen 7 abgewandte Seite unerwünscht stark erwärmt wird. ' >
Bei der Verschweißung von etwa 3 mm dicken Polyäthylenplatten wird beispielsweise eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,4 bis I m/Min, angewendet. Der extrudierte Strang 8 hat einen Querschnitt von 2 bi 3 cm2. Er wird aus einer Schlitzdüse mit flachen Querschnitt extrudiert und außerdem noch durch dii Wirkung der Rolle 9 breitgequetscht. Seine Dicke in de fertigen Naht liegt zwischen 2 und 10 mm. Die Längi der Aufheizstrecke der Erwärmungseinrichtung 5 lieg bei 15 cm. In dieser Strecke kommt Luft von 450 bi 300°C zur Einwirkung. Der Abstand der Düse 6 vor dem Bereich 11 beträgt 4 bis 6 cm entsprechend eine Zeit von 1 bis 6 Sek. zwischen dem Austritt de Extrudats aus der Düse bis zur Einwirkung der Rolle 9 Die Düse 6 ist während des Fahrens höhenverstellbar damit auch bei welligem Untergrund und unterschiedli chem Abstand zwischen den Folien 2 und 3 eine mittig« Lage des gespannten Strangs 8 gewährleistet ist, und urr der Wellenbildung am oberen Rand entgegenzuwirken Die von der Rolle 9 bewirkte Preßstrecke hat eine Länge von einigen Zentimetern.
Vü 1 Bläu Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum kontinuierlichen ÜberlappungsverschweiBen von großflächig und ggf. auf unebener Fläche ausgelegten thermoplastischen Kunststoff-Folien oder -Tafeln durch Erhitzen der sich überlappenden Oberflächen in den Bereich der Schmelztemperatur und Zusammenpressen der erhitzten Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strang eines Zusatzwerkstoffes im heißplastischen Zustand zwischen die erhitzten Oberflächen geführt und gleichzeitig mit diesen in Verbindung gebracht und durch das Zusammenpressen schachtförmig verteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erhitzung der zu verbindenden Überlappungsflächen vor deren Zusammenpressen ein Querschnittsbereich des Überlappungsbereichs auf einer Temperatur gehalten wird, bei der er noch formstabil ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Oberflächen durch Wärmestrahlung erhitzt werden.
4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 die an einem Führungsgestell eine Einrichtung zum Erhitzen der zu verbindenden Oberflächen und anschließend eine Einrichtung zum Zusammenpressen der zu verbindenden Oberflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Extruder mit einer zwischen die zu verbindenden Oberflächen geführten, während des Betriebes höhenverstellbaren Düse (6) versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer > jntinuierlich arbeitenden Antriebsvorrichtung versehen ist.
6. Vorrichtung nach einem dt Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erhitzen der zu verbindenden Oberflächen ein Wärmestrahler (5) ist.
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