DE2551850C3

DE2551850C3 - Verfahren zum Verschweißen von Thermoplastkörpern

Info

Publication number: DE2551850C3
Application number: DE2551850A
Authority: DE
Inventors: Fritz Uhwiesen Reich (Schweiz)
Original assignee: Georg Fischer AG
Current assignee: Georg Fischer AG
Priority date: 1974-12-06
Filing date: 1975-11-19
Publication date: 1978-03-23
Also published as: IT1050748B; FR2293296A1; DE2551850A1; NL7514190A; GB1522317A; JPS5183672A; DE2551850B2; FR2293296B1; CH576326A5; US4090899A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von einander überdeckenden Teilen schweißbarer Thermoplastkörper, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner für die Durchführung dieses Verfahrens besonders geeignete

Schweißelemente.

Bekanntlich können Thermoplastkörper, also relativ starre, selbsttragende Gebilde, wie Kunststoffrohre bzw. Rohrleitungselemente, nach verschiedenen Methoden der Kunststoffschweißtechnik unlösbar verbunden werden, indem durch lokale Erwärmung ein gegenseitiges Verschmelzen bzw. Anschmelzen der aneinanderliegenden Teile der Körper mit nachfolgender Erstarrung bewirkt wird, also eine mindestens plastische Bindungsoder Schweißzone entsteht die sich beim Erkalten verfestigt Als »mindestens plastisch« ist hierbei jeder Fließfähigkeitszustand von Thermoplasten (thermoplastische Polymere mit oder ohne Zusätze) zu verstehen, der bei den verarbeiteten Werkstoffen unter den Verarbeitungsbedingungen eine für das gegenseitige »Verschweißen« ausreichende Wechselwirkung der verfestigten Bindungszone ergibt und der in Abhängigkeit vom Thermoplast (Polymerisationsgrad, Linearität Zusätze) zäh-viskos bis flüssig sein kann. Die Temperatur, die bei einer gegebenen Thermoplastmasse unter den Verarbeitungsbedingungen einschließlich des

Drucks, mechanischer Einwirkung und dergleichen zur Bildung einer unlösbaren und dichten Bindung führt

wird im folgenden als »Schweißtemperatur« bezeichnet.

Die Notwendigkeit der Einwirkung von Drücken auf

die Schweißstelle beim Thermoplastschweißen findet in manchen Normvorschriften (z. B. DlN 1930, »Schweißen von Kunststoffen«) ihren Niederschlag und gilt allgemein als akzeptiert Die Größen der erforderlichen

oder zweckmäßigen Drücke sind aber sehr verschieden, ebenso wie die Modellvorstellungen über das Verhalten der Makromolekülketten von Thermoplasten beim Verschweißeil, also im Bereich der mindestens plastischen Bindungszone, unterschiedlich sind

So steht der konventionellen Vorstellung von einem gegenseitigen Verfließen unter Vc-rhakung oder Verknäuelung der Polymeren im Bindungsbereich von miteinander verschweißten Thermoplasten neuerdings die Hypothese einer vorwiegend adhäswen Bndung von Subpartikeln gegenüber. Wegen der großen Unterschiede der unter den Begriff der Thermoplaste zusammengefaßten Polymeren bezüglich chemischer Zusammensetzung und Molekularstruktur ist es fraglich, ob eine für alle Thermoplaste gleichermaßen gültige theoretische Erklärung des Thermoplastschweißens möglich ist Alle bisher durchgeführten systematischen Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Festigkeit und Gefüge von Schweißverbindungen deuten aber darauf hin, daß möglichst homogene und kerbfreie Schweißzonen anzustreben sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem selbst bei ungenauen Passungen zwischen den zu verschweißenden Teilen flüssigkeitsdichte und ausreichend feste Schweißverbindungen erzielt werden können.

Biese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen im Kennzeichen des Anspruchs I gelöst.

Dies bietet zwei ganz wesentliche Vorteile, nämlich sowohl die Erzeugung lokalisierter »autogener« Drücke, welche wahrscheinlich die gewünschte Wechselwirkung im Bereich der Bindungszone verstärken, al" auch die Möglichkeit der Überbrückung von durch ungenaue Passungen bedingten Zwischenräumen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Vorteil für alle Thermoplastschweißmethoden bzw. Schmelzfügeverfahrcn anwendbar, bei welchen die durch Wärmeeinwirkung zu verbindenden Teile ineinandergreifen, wie dies etwa bei der Verbindung von Rohren bzw. Fittings mit gesonderten oder integralen überdeckenden Verbindungsstücken nach Art der Muffenschweißung der Fall ist, oder bei welchen die zu verbindenden Teile — falls erforderlich mit entsprechender Abstützung bzw. Halterung von außen — übereinanderliegende Bereiche aufweisen und an diesen verschweißt werden sollen.

Bei einer solchen überdeckenden bzw. überlappenden Anordnung von Teilen der zu verschweißenden Thermoplastkörper, die im typischen Fall Wandstärken von mehr als etwa 1 mm, z. B. 3 — 10 mm oder mehr, aufweisen, ist durch die einander überdeckenden Bereiche eine Kontakt- bzw. Schweißzone definiert, die zum überwiegenden Teil seitlich durch nicht aufgeschmolzenes und relativ starres Thermoplastmaterial begrenzbar ist Diese starre Begrenzung kann den durch das Treibmittel erzeugten Gasdruck (diese Bezeichnung umfaßt den Druck gasförmiger Medien einschließlich von Dämpfen) aufnehmen und eine unkontrollierte Expansion der mindestens plastischen Masse verhindern. Vorzugsweise ist die Schweißzone beim erfindungsgemäßen Verfahren, gerechnet als Oberfläche der Schweißzone, zu mehr als etwa 50%, insbesondere mehr als 90%, seitlich begrenzt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Thermoplaste sind die nach konventionellen Kunststoffschweißmethoden verarbeitbaren Materialien, wie Polyolefine, insbesondere Polyäthylen hoher oder niederer Dichte und Polypropylen, Polyamide, Polyimide, Polyacetale (Polyoxymethylene Polystyrol, Poly vinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, lineare Polyester und weitere schweißbare Thermoplaste.

Die Thermoplaste bzw. Thermoplastmassen können die üblichen Zusätze, wie Pigmente, Füllstoffe, Anti-

5 Oxidationsmittel und dergleichen enthalten, sofern dadurch die Verschweißbarkeit nicht nachteilig beeinflußt wird

Für die Auswahl von durch Schweißen zu verbindenden Materialpaarungen gelten die üblichen Kriterien in

ig dem Sinne, daß gleiche oder artgleiche Materialien verwendbar sind, wobei ausreichende Artgleichheit empirisch durch einfache Schweißproben oder Verschmelzungsversuche festgestellt werden kann. Dabei kann die Artgleichheit auch darin bestehen, daß die in Frage stehenden Werkstoffe homogen erstarrungsfähige Mischschmelzen bzw. Schmelzmischungen bilden können.

Als Treibmittel werden unter Normalbedingungen feste chemische Treibmittel bevorzugt, wie sie aus der Kunststofftechnik bekannt sind Solche bekannten chemischen Treibmittel zerfallen beim Erwärmen auf ihre jeweilige Aktivierungstemperatur (Anspringtemperatur) unter Gasbildung. Typische bekannte Mittel dieser Art sind thermolabile Stickstoffverbindungen, ζ. B. Azoverbindungen, wie Azodicarbonamid, N-Nitrosoverbindungen, Sulfonylhydrazide und dergleichen. Die Aktivierungstemperatur kann durch Zusätze verändert werden. Es können auch Mischungen verschiedener Treibmittel oder Mischungen mit auf den Thermoplast vernetzend wirkenden Stoffen z. B. organischen Peroxidverbindungen für Vernetzungswirkung in Polyolefinen, verwendet werden.

Das vom Treibmittel entwickelte Gas ist vorzugsweise ein für den Thermoplast relativ inertes Gas, wie

Stickstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid.

Anspringtemperaturen von über 100⁰C, z. B. zwischen 150 und 300⁰C, sind für viele Ausführungsformen des neuen Verfahrens geeignet. Dabei lassen sich Aktivierungstemperatur des Treibmittels und Schweißtempe- ratur des Treibmittels und Schweißtemperatur so aufeinander abstimmen, daß die Treibmittelwirkung erst einsetzt, wenn eine für die gleichmäßige Verteilung von Treibgasblasen in der Bindungszone ausreichende Plastizität bzw. Viskosität der Thermoplastmasse erreicht ist.

Da das Treibmittel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in mindestens einer an der Bindungszone beteiligten Thermoplastmasse verteilt ist, werden hierfür solche Treibmittel bevorzugt, die sich mit dem

Thermoplast, beispielsweise durch Extrudieren, Sintern

oder dergleichen, ohne Aktivierung vereinigen lassen und erst bei einer über dieser Verarbeitungstemperatur liegenden Schweißtemperatur aktiviert werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das

Treibmittel vor dem Verschweißen auf mindestens eine Oberfläche der bei der Bildung der Schweißzone benachbarten Thermoplastkörper bzw. Einlagen in an sich bekannter Weise, z.B. durch Aufsprühen, Aufstreichen oder dergleichen, aufgetragen werden. Das Treibmittel kann auch in einem Zusatzmaterial, etwa einer Paste bzw. Flüssigkeit auf Basis von Thermoplastteilchen, z. B. Polyäthylenpulver for Polyäthylenformteile und flüchtigem Anteigmittel, z. B. Alkohol, wie Ä'hanol oder Keton, wie Isobutylmethylket«n, verteilt

<\s und in dieser Form in die Schweißzone eingeführt werden.

Die im gegebenen Fall unter Berücksichtigung der Thermoplastmasse zweckmäßige Wahl von Aktivie-

rungstemperatur, Aktivität (gebildetes Gasvolumen berechnet auf Treibmittelmenge), Menge und Verteilungsform des Treibmittels kann durch einfache Versuche bestimmt werden. Allgemein kann so gearbeitet werden, daß eine Schweißzone entsteht, die s nach dem Erstarren eine Vielzahl von im Verhältnis zur Schweißzonendicke kleinen, praktisch geschlossenzelligen Hohlräumen aufweist

Für Polyäthylen als Thermoplast und ein Treibmittel, wie Azodicarbonamid oder ähnliche Harnstoffazover- ,₀ bindungen, liegen geeignete Mengenanteile beispielsweise zwischen 1 :100 und 1 :2000, bezogen auf das Gewichtsverhältnis von Treibmittel zum Gewicht der thermisch mindestens plastifizieren Masse in der Schweißzone.

Der Volumenanteil der geschlossenzelligen Hohlräume am Gesamtvolumen der Schweißzone bzw. die Verteilung dieser Hohlräume ist nicht kritisch, sofern praktisch flüssigkeitsdichte und mechanisch ausreichend feste Schweißverbindungen erzielt werden. Wie ohne weiteres verständlich, kann dies in erheblichem Maße auch durch die Geometrie der zu verbindenden Formkörper bzw. der Fügezone beeinflußt werden.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß bei Muffenschweißung von Polyäthylenrohren nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren unter den angegebenen Bedingungen Schweißzonen erzielt werden können, die nach dem Erstarren mit sehr kleinen, nur mikroskopisch sichtbaren geschlossenzelligen Hohlräumen in relativ gleichmäßiger Verteilung durchsetzt sind, und daß solche Schweißverbindungen auch in Zeitstandsprüfungen (erhöhte Temperatur, Druck) flüssigkeitsdicht sind sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen.

Zum Erzielen der für die Bildung einer begrenzten, mindestens plastischen Bindungszone erforderlichen lokalen Erwärmung können alle hierfür bekannten Methoden angewendet werden, wie elektrische Widerstandsheizung im Bereich der Bindungszone, z. B. mit in dieser Zone vorgesehenen und darin verbleibenden elektrischen Heizwicklungen, und induktive oder kapazitive Hochfrequenzheizung, ζ. B. mit in der Bindungszone verteilten oder eingelegten Metallteilen bzw. Metallteilchen. Auch bei den bekannten Reibschweißmethoden kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Querschnitt einer schematischen Darstellung einer Rohrmuffenschweißung zum Verschweißen so nach dem erfindungsgemißen Verfahren,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A aus F i g. 1 nach dem Verschweißen,

Fig.3 die halbschematische, teilweise geschnittene Darstellung einer als Verbindungselement geeigneten Heizeinlage für die elektrische Widerstandsdraht-Muffenschweißung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig.4 die Schnittdarstellung von zwei durch Reibschweißung nach dem erfindungsgemißen Verfahren zu verbindenden Rohrleitungselementen,

Fig.5a, 5b, 5c die schematische Schnittdarstellung von Rohrleitungselementen mit Einlagen zur elektrischen Widerstandsheizung nach dem erfindungsgemißen Verfahren, teilweise in verschweißtem, teilweise in noch nicht verschweißtem Zustand und

Fig.6 die schematische Schnittdarstellung einer induktiven Muffenschweißung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die in F i g. 1 dargestellten Rohre bzw. Rohrenden 11, 12 sind von einer Muffe 14 umgeben. Zwischen den Rohrenden 11, 12 und der Muffe 14 sind Widerstandsheizlagen 16,18 vorgesehen, die Teil der Muffe 14 sein können oder aber als gesonderte Hülsen (Fig.3) zwischen die Rohrenden U, 12 und die Muffe 14 eingeschoben sein können. Die Heizdrähte 13 sind mit thermoplastischem Material 15 umgeben. Rohre U, 12, Muffe 14 und das thermoplastische Material 15 bestehen aus gleichem oder artgleichem schweißbarem Thermoplast, wie Polyäthylen mit den üblichen Zusätzen (z. B. Pigment, Stabilisatoren und dergleichen). Das Treibmittel, z. B. Azodicarbonamid, kann im Inneren des thermoplastischen Materials 15, zwischen diesem und den anliegenden Rohr- bzw. Muffenflächen oder zwischen dem Heizdraht 13 und dem thermoplastischen Material 15, beispielsweise als Drahtbeschichtung, verteilt sein. Alternativ oder zusätzlich können auch die Rohrenden 11, 12 bzw. die Muffe 14 das Treibmittel enthalten, beispielsweise als Beschichtung, Einlage, Auflage oder in anderer Verteilung.

Zum Verschweißen der Rohrenden 11, 12 mit der Muffe 14 werden die Heizdrähte 13 über nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit Strom versorgt um die zum Verschweißen und Anspringen des Treibmittels erforderliche Temperatur zu erreichen. Es entsteht eine Schweißzone aus mindestens plastischer Thermoplastmasse, die nach Abschaltung des Heizstromes abzukühlen beginnt und bald wieder erstarrt Die wiedererstarrte Masse bildet einen integralen Verbund (Schweißung) zwischen der Thermoplastmasse der Rohre U, 12 und der Muffe. Die Heizdrähte 13 verbleiben im Verbund. Die Struktur der Schweißstelle ist in F i g. 2 halbschematisch dargestellt Der Doppelpfeil 20 zeigt die Dicke der Schweißzone 21. während der Doppelpfeil 22 den Abstand zwischen Rohr und Muffe (wenigstens teilweise ausgefüllt von der Lage 18] vor dem Verschweißen' darstellt Durch das Verschweißen sind die ursprünglich vorhandenen Grenzschichten zwischen der Muffe 14 und der Lage 18 einerseits und dem Rohrende 12 und der Lage 18 andererseits verschwunden. Es versteht sich, daß auch zwischen dei dem Doppelpfeil 20 entsprechenden Schweißzone 21 und dem beim Verschweißen starr gebliebenen Wand material der Muffe 14 und des Rohrendes 12 keine unbedingt scharfe Grenze besteht Wie in Fig.i angedeutet ist die Schweißzone 21 mit kleiner geschlossenzelligen Hohlräumen durchsetzt die in einei Schnittstelle aber meist nur mit dem Mikroskop erkennbar sind. Größe und Verteilung der Hohlraum« 25 sind in F i g. 2 nur schematisch angedeutet

Durch entsprechende Wahl der Verfahrensparametei können Verteilung und Größe der geschlossenzelligei Hohlräume gut kontrolliert werden. Zweckmäßig win das Treibmittel erst aktiviert nachdem eine gewiss« Plastifizierung bzw. Verflüssigung der Thermoplast masse durch die Schweißwärme eingetreten ist, so dal das in der plastifizierten Masse enthaltene Treibmitte eine Vielzahl verteilter kleiner Gasblasen bilden kam und die Masse entsprechend gegen das noch nich aufgeschmolzene Material druckt bzw. anfällige Zwi schenriume ausfüllt Da die Schweißzone seitlid praktisch völlig abgedeckt ist, bleibt die durch da Treibmittel erzeugte Druckwirkung praktisch auf di< Schweißzone beschränkt was auch die Größe de Hohlräume in Grenzen hält Ein aUfUfiges geringe Austreten der plastifizierten Masse bzw. Schweiß

schmelze an den Muffenausgängen gestattet die visuelle Kontrolle des Schweißvorgangs.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß F i g. 1 erhaltene Schweißverbindungen wurden mit analogen, jedoch ohne Treibmittelzusatz hergestellten Schweißverbindungen verglichen. Beide Gruppen von Schweißverbindungen waren bei Prüfdruck bis zu den iv>rmalen Standzeiten und darüber flüssigkeitsdicht. Im z.crrcißtest zeigten die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Schweif ingen eine signifikante-Verbesserung gegenüber den v'ergleichsschweißungen. Man kann annehmen, daß der Treibmittelzusatz eine verbesserte Wechselwirkung der mindestens plastifizierten Thermoplastmassen der an der Schweißstelle beteiligten Komponenten bewirkt, wahrscheinlich durch Drückentwicklung des aus dem Treibmitte! bei der Schweißtemperatur entstehenden Treibmittelgases. Dieser Druck wird im wesentlichen von den angrenzenden starren Wandungsteilen 12, 14 aufgenommen. Die unter der Wirkung der lokalen Treibgaseinschlüsse expandierende Schmelzmasse füllt den zur Verfugung stehenden Raum einschließlich aller, durch ungenaue Passung bedingten Leerstellen und erfährt eine intensivere Durchmischung als eine Schmelzmasse ohne Treibmittel. Beide Wirkungen können zur verbesserten Qualität der Schweißung beitragen.

In F i g. 3 ist eine z. B. aus der CH-PS 3 49 404 an sich bekannte hülsen- oder ringförmige Heizeinlage teilweise geschnitten dargestellt. Sie besitzt einen zweiadrig gewickelten Heizleiter 31 mit Windungen in gleichmäßigen Absländen und ist mit Thermoplastmasse 32 zu einem ring- oder hülsenförmigen Körper vereinigt i-.nd besitzt Anschlußenden 33, 34 zur Versorgung mit Heizstrom. Solche Hülsen oder Ringe sind als Schweiß- bzw. Verbindungselemente für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, wenn die Schweißstelle bzw. die Hülse oder der Ring in der oben beschriebener. Weise :nit Treibmittel versehen wird. In analoger Weise sind auch die an sich bekannten mattenförmigen Schweißeinlagen verwendbar.

Das in Fig.4 dargestellte Schema eines an sich z.B. aus der DT-AS 10 99 i 57 bekannten Thermoplast-Reibschweißverfahrens zeigt zwei Rohrenden 41, 42 aus Thermoplast, von denen eines konisch zu einer Muffe 44 erweitert ist. In dem durch das Zusammenstecken gebildeten konischen Spalt ist ein keilförmiger Ring 43 eingeführt, der mit dem breiten Teil aus dem Muffenspalt herausragt und z. B. über eine am Ring 43 vorgesehene Zahnung 45 in Rotation versetzt werden kann. Der Ring 43 wird zur Erzeugung von für das Verschweißen ausreichender Reibungswärme rotiert. Auch bei dieser bekannten Thermoplastschweißmethode kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gearbeitet werden, z. B. indem das Materia! des Ringes 43 mindestens im Reibungsbereich mit Treibmittel beschichtet oder durchsetzt wird.

In den Fig.5a, 5b, 5c ist eine Ausführungsform der aus der CH-PS 3 36 980 bekannten Thermoplastschweißmethode mit Schweißhülsen zur elektrischen Widerstandsheizung dargestellt. Der Fitting 523 besitzt an den Verbindungsenden 517 eine Eindrehung, die dem Innendurchmesser eines zylindrischen Verbindungselements 518 entspricht Die Außendurchmesser von Fitting 523 und Element 518 sind gleich wie die Außendurchmesser der zu verbindenden Rohre 519 und 520, die ihrerseits wieder mit in die Elemente 518 passenden Eindrehungen 524 versehen sind.

Die zu verschweißenden Rohrleitungselemente wer

den mit Verbindungselemcnten 518 zusammengeschoben, wie dies in Fig. 5a /wischen den Rohren 520 und dem Fitting 523 dargestellt ist. Dann werden die Heizelemente über die zugehörigen Verbindungsieitungen 522 zur Verschweißung beheizt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dieser Methode kann das Treibmittel wiederum wie oben beschrieben als Komponente der Verbindungselemente und/oder der Rohre und Fittings

ίο und/oder als Auflage auf den einander beim Verschweißen überdeckenden Teilen der Formkörper in die Schweißzone gebracht werden.

In Fig.6 ist das Schema einer erfindungsgemäßen Thcrrnoplastschweißung mit Hochfrequenzheizung dargestellt, !n das muffenartig erweiterte Ende 62 des Thermnplastrohres 63 ist das Rohrende 61 mit eingelegter Hülse 64 eingeschoben. Die Hülse 64 enthält in nur schematisch angedeuteter Weise Metallteilchen und Treibmittel in Thermoplastmasse eingebettet. Der

ίο die Schweißstelle umgebende Hochfrequenzgenerator 66 erzeugt die Schweißtemperatur durch Erhitzen der Metalleinlagerung, wobei das Treibmittel aktiviert werden und eine Schweißzone der oben beschriebenen Struktur bilden kann.

Die Einbettung des Treibmittels im Thermoplast kann durch die oben beschriebenen anderen Verteilungsarten ergänzt oder ersetzt werden. Ferner kann auch nach kapazitiven HF-Beheizungsmethoden gearbeitet werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden erläutert, wobei Angaben in Prozent auf das Gewicht bezogen sind.

Beispiel 1

Zur Durchführung einer Muffenschweißung gemäß F i g. 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine hohlzylindrische Doppelmuffe 14 (Wandstärke 6 mm, Länge 65 mm, Nominal-Innendurchmesser 50 mm, effektiver Innendurchmesser 52-53 mm) aus technischer, schwarz-pigmentierter Polyäthylenmasse mit einem Gehalt von 2,5% Ruß verwendet. Die pigmentierte Polyäthylenmasse hatte eine Dichte von 0,950 (bestimmt nach ISO 1872-1972), einen Schmelzindex (2,16 kg, gemessen nach ASTM D 1238-73) von 0,20 g/10 min und ein Molekulargewicht im Bereich von etwa 200 000. In die Doppelmuffe wurden die Enden 11, 12 von zwei Rohren (Außendurchmesser 50 mm, Wandstärke 4,6 mm) aus Polyäthylen gleicher Beschaffenheit wie die Muffe 14 eingeführt. Zwischen der Muffe und den Rohrenden wurden zwei Schweißringe (Aufbau entsprechend F i g. 3) eingeschoben, die wie folgt hergestellt worden waren: üblicher Keizwiderstandsdraht (»Neusilber«, eine technische Cu-Ni-Zn-Legierung) mit einem Durchmesser von 0,51 mm wurde in einem für die Herstellung von Isoiierdraht geeigneten Einschnecken-Extruder mit Thermoplastmasse ummantelt Der Extruder hatte zwei Düsen mit rechteckigem Querschnitt (Querschnittslänge 3 mm, Querschnittshöhe 1 mm), wobei jeweils zwei Drähte im Abstand von 1,5 mm voneinander durch eine Düse geführt wurden.

Der Extruder wurde mit einer Mischung von Pellets aus Polyäthylenmasse der oben für die Muffe angegebenen Zusammensetzung und Art mit 0,2% (bezogen auf das Gewicht der Mischung) pulverförmigem Azodicarbonamid gespeist Die Extrudertemperatur wurde im Bereich der höchsten Extrudertemperatur auf maximal 190⁰C geregelt und die Mischung mit möglichst kurzer Aufenthaitszeit im Extruder zur Bildung eines Paares von zweiadrigen Manteldrähten mit Querschnitten

entsprechend dem Querschnitt der Düsen ausgepreßt. Aus dem erhaltenen Manteldrahi winden in an sich bekannter Weise durch Wickeln um einen Dorn Schweißelemente in Form von Schweißringen geformt (Lunge 23 min. Innendurchmesser i(),j mm Außendurchmesser 52,5 mm). Die aus der Doppelmuffe 14, den Rohrenden 11, 12 und den Schweißringen 16, 18 i'esiehende Λ η -irdnung wurde durch 100 see SchweiU-stromzuführung (7 A, 16 V) verschweißt. Der Draht erreichte dabei Temperaturen im Bereich von 300⁰C, die Temperatur in der Thermoplastmasse nahe am Draht ca. 220 C.

Die so erhaltene Muffenschweißung ergab beim Langzeit-Test in heißem Wasser (80⁰C innen und außen) bei einem Innendruck von 6 bar Standzeiten von '5 mehr ais 170 St(J.

Beispiel 2

Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch :nit Rohren 11, 12 aus einer anderen Polyäthylcnmsise mil *o 2,0% Ruß, einer ISO-Dichte (mit Ruß) von 0,956, einem ASTM-Schmelzindex (5 kg) von 0,2 g/10 min und einem Molekulargewicht im Bereich von 200 000. Es wurden ähnliche Ergebnisse wie in Beispiel 1 erzielt.

Beispiel 3

Es wurde wie in Beispiel 1, jedoch mit einer Wandstärke der Rohre 11, 12 von 2,9 mm gearbeitet. Mit normaler Fusionsschwcißung, d. h. ohne Treibmittelzusatz, sind derart dünne Rohre nicht verschweißbar. Dagegen ergab das erfindungsgemäße Verfahren eine gute Verschweißung, die im Langzeit-Standtest die geforderten Mindestwerte übertraf.

Die Untersuchung der gemäß den Beispielen erhaltenen Schweißnähte zeigte die oben beschriebene Struktur mit einer Vielzahl kleiner, die Schweißzone durchsetzender geschlossenzelliger Hohlräume und eine völlige Ausfüllung aller durch ungenügende Passung (0,1mm Spiel; 1.2 rnm Spalt) bedingten makroskopischen Leerstellen. Größe und Verteilung der durch das Treibmittel erzeugten mikroskopischen geschlossenzelligen Hohlräume zeigten eine gewisse Abhängigkeit von der Spaltbreite.

Es versteht sich, daß die oben erläuterten Ausführungsformen nur beispielhaft sind und daß das erfindungsgemäße Verfahren auch .nit anderen bekannten Thermoplastschweißmethoden angewendet werden kann, bei denen eine lokalisierte Schweißzone mit kontrollierter Aktivierung des Treibmittels in dieser möglich ist. Überraschenderweise ermöglicht die an sich einfache aber den bisherigen Vorstellungen von der Notwendigkeit homogener .Schweißzonen widersprechende Maßnahme der Verwendung von Treibmittel beachtliche Vereinfachungen bzw. Einsparungen beim Thermoplastschweißen, und sie ermöglicht eine Intensivierung der Wechselwirkung im Bereich von miteinander zu verschweißenden Thermoplastflächen, sei es durch zusätzliche Druckerzeugung oder/und durch kontrollierte Materialexpansion im Schweißzonenbereich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zum Verschweißen von einander überdeckenden Teilen schweißbarer Thermoplastkörper durch lokale Erwärmung zur Bildung einer mindestens plastischen Schweißzone im Bereich der einander überdeckenden Teile, insbesondere zum Verschweißen von ineinandergreifenden Rohrleitungselementen aus verschweißbaren Thermoplastmassen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schweißzone ein Treibmittel vorhanden ist, das bei der Temperatur der mindestens plastischen Schweißzone einen in dieser wirksamen Gasdruck erzeugt

2 Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein unter Normalbedingungen festes chemisches Treibmittel verwendet wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Treibmittel zusammen mit einem Zusatzmaterial in die Schweißzone eingebracht wird oder in mindestens einem der zu verschweißenden Thermoplastteile vorgesehen ist

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Widerstandsheizung mit einem elektrischen Leiter im Bereich der Schweißzone erfolgt z. B. mit einer in der Schweißzone vorgesehenen und darin verbleibenden Heizwicklung.

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das Treibmittel in einer an die Heizwicklung angrenzenden Schicht vorgesehen ist.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch induktive Hochfrequenzheizung erfolgt, z. B. mit im Bereich der Schweißzone verteiltem oder eingelegtem Metall.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel in Mischung mit thermoplastischem Kunststoff auf die Oberfläche der zu verbindenden Thermoplastkörper aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Reibung erfolgt und das Treibmittel in der Reibungszone vorhanden ist

9. Verfahren nach Patentanspruch 4 oder 6 zum Verbinden von Rohren durch Muffenschweißung, wobei die lokale Erwärmung mit in der Schweißzone verbleibenden metallischen Teilen erfolgt dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel nahe den metallischen Teilen vorgesehen wird.

10. Verfahren nach Patentanspruch 8 zum Verbinden von Rohren nach dem Reibschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibmittel im Oberflächenbereich mindestens eines der reibenden Teile vorgesehen wird.

II. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Treibmittel in der Schweißzone eine Vielzahl von im Verhältnis zur Dicke der Schweißzone kleinen, praktisch geschlossenzelligen Hohlräumen vorzugsweise mit maximalen Hohlraumdurchmessern von weniger als 0,1 mm erzeugt wird.

12. Schweißelement zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1, wobei das Element bestimmt ist in der oder um die Schweißzone angeordnet zu werden und mindestens teilweise aus Thermoplast besteht dadurch gekennzeichnet daQ das Schweißelement mindestens eine, das Treibmittel enthaltende Zone aufweist

13. Schweißelement nach Patentanspruch 12 in Form einer ring-, hülsen- oder mattenförmigen Schweißeinlage mit einem elektrischen Heizleiter, der mindestens teilweise von Thermoplast umgeben ist dadurch gekennzeichnet daß das Treibmittel zwischen dem Heizleiter und dem Thermoplast oder/und im Thermoplast vorhanden ist

14. Schweißelement nach Patentanspruch 12 in Form einer Thermoplastschweißmuffe mit einem nahe der Innenfläche der Muffe angeordneten elektrischen Heizleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil der Muffe mindestens stellenweise mit Treibmittel durchsetzt ist

15. Schweißelement nach Patentanspruch 12 in Form einer Schweißeinlage aus Thermoplast dadurch gekennzeichnet daß das Treibmittel im Thermoplast verteilt ist

16. Schweißelement nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß die Schweißeinlage eine induktiv heizbare Komponente enthält

17. Schweißelement nach Patentanspruch 12 in Form eines für die Reibschweißung geeigneten Reibringes mit keilförmigem Profil zur Verschweißung mit einer Reibschweißmuffe, dadurch gekennzeichnet daß das Treibmittel in der Reibungszone des Reibringes verteilt ist.