DE2634139A1 - Verbindungsverfahren - Google Patents

Verbindungsverfahren

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DE2634139A1
DE2634139A1 DE19762634139 DE2634139A DE2634139A1 DE 2634139 A1 DE2634139 A1 DE 2634139A1 DE 19762634139 DE19762634139 DE 19762634139 DE 2634139 A DE2634139 A DE 2634139A DE 2634139 A1 DE2634139 A1 DE 2634139A1
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cross
extruded
thicker
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DE19762634139
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English (en)
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Derek Samuel Brackman
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Imperial Chemical Industries Ltd
Original Assignee
Imperial Chemical Industries Ltd
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Description

Verbindungsverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden von aus thermoplastischem Material hergestellten starren profilierten Werkstücken (einschließlich teilweise und vollständig fertiggestellte Gegenstände samt Einzelteile) mittels Extrusionsschwexßens.
Extrusionsschweißen im weiteren Sinn ist ein bekanntes Verfahren, daß das Nebeneinanderanordnen der Teile der zu verschweißenden Gegenstände und das Extrudieren einer geschmolzenen Wulst aus einem verträglichen thermoplastischen Material auf die benachbarten Oberflächen umfaßt, wobei die Temperatur der Wulst oberhalb der Schmelztemperaturen der Gegenstände liegt, so daß durch die Wulst etwas von dem thermoplastischen Material der beiden Gegenstände geschmolzen wird. Die mit dem Material verträgliche geschmolzene Wulst schmilzt das Material, verbindet sich mit ihm und bildet beim Abkühlen eine Schweißverbindung. Das Extrusionsschweißen kann ein sehr wirkungsvolles Verfahren
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sein, wenn Gegenstände mit ähnlicher Dicke verwendet werden. Wenn selbsttragende dünne starre Abschnitte mit dicken Abschnitten verschweißt werden sollen, können jedoch Probleme dadurch entstehen, daß eine extrudierte Wulst, die genügend Wärme aufweist, um die Oberfläche des dickeren Abschnitts mit seiner höheren Wärmekapazität ausreichend zu schmelzen, auch genügend Wärme besitzt, um den dünneren Abschnitt bis zu einer zu großen Tiefe zu schmelzen und eine Zerstörung zu bewirken.Diese Probleme können beispielsweise bei der Herstellung von Wärmeaustauschern entstehen, wie beispielsweise den in der DT-OS 2 505 .015 beschriebenen Sonnenenergie-Wärmeaustauschern. Darin sind Abbildungsbexspiele beschrieben, die aus profilgezogenen Verpackungstafeln aus Polypropylen hergestellt sind, deren äußere Schichten üblicherweise nur eine Dickte von 0,4 mm oder weniger aufweisen, und deren Sammelrohre viel dicker sind, üblicherweise etwa 6 mm. Während es somit möglich sein kann, diese gemäß vorstehender Beschreibung zufriedenstellend mittels des Extrusionsschwexßens zu verbinden, ist der Toleranzbereich nicht groß; eine zu kalte Extrusionswulst ergibt eine schwache Verbindung mit der Sammelleitung, während eine zu heiße Wulst die Tafel zerstört.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zum Verbinden zweier starrer thermoplastischer Gegenstände, die Abschnitte unterschiedlicher Dicke aufweisen, ein Extrudieren einer geschmolzenen Wulst aus einem verträglichen thermoplastischen Material und gleichzeitiges Inberührungbrxngen mit benachbarten Teilen beider Gegenstände, wobei die Temperatur der geschmolzenen Wulst oberhalb der Erweichungspunkte der thermoplastischen Gegenstände liegt, so daß sich die Wulst mit den sich berührenden Teilen verbindet und beim Abkühlen eine Schweißstelle bildet, wobei der Teil des einen dickeren Querschnitt aufweisenden Gegenstands, der von der extrudierten Wulst berührt werden soll, vor dem Inberührungbrxngen auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die
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höhet, ist als die Temperatur des dünneren Querschnitts.
Vorzugsweise wird der Teil des einen dickeren Querschnitt aufweisenden Gegenstands, der von der extrudierten Wulst berührt werden soll, oberhalb seines Erweichungspunkts vorgewärmt, während der dünnere Querschnitt unterhalb seines Erweichungspunkts gehalten wird, bis er mit der extrudierten Wulst in Berührung gebracht ist. Speziell bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem während des Vorwärmens des dickeren Querschnitts im wesentlichen kein Ansteigen der Temperatur des dünneren Querschnitts stattfindet.
Das erfxndungsgemäße Verfahren ist deshalb nützlich, da dadurch die Wulst bei einer tieferen Temperatur extrudiert werden kann, ohne daß die Festigkeit der Schweißnaht am dickeren Querschnitt verringert wird. Diese geringere Wulsttemperatur ist vorteilhaft, da damit die Wulst weniger leicht den dünneren Abschnitt verziehen kann. Überdies tritt bei einem extrudierten Material geringer thermischer Stabilität eine geringere Degradation ein.
Es gibt mehrere Verfahren zum Durchführen des Vorwärmens, wobei einige für die unterschiedliche Wärmeanwendung leichter verwendbar sind als andere. So kann beispielsweise das Vorwärmen eines Werkstücks durchgeführt werden, indem ein heißes Gas gegen das Werkstück geblasen wird; tatsächlich wurden Extrusxonsschwexßgeräte beschrieben (z.B. GB-PS 1 187 136), bei denen ein Vorwärmen mit heißem Gas durchgeführt wird. Es ist jedoch schwierig, beim Vorwärmen mit heißem Gas einen Gegenstand vorzuwärmen, ohne daß auch der andere vorgewärmt wird. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, daß der dickere Abschnitt durch die Wärme vorgewärmt wird, die mittels eines erwärmten Werkzeugs auf seine Oberfläche aufgebracht wird. Das Werkzeug kann einfach nahe an den dickeren Abschnitt gehalten werden, um Strahlungswärme auf die Teile der zu verschweißenden Oberfläche zu leiten; vorzugsweise sollte das Werkzeug aber tatsächlich in Berührung mit der Oberfläche gebracht werden. Durch diese
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letztere Bevorzugung wird es im allgemeinen möglich, daß die Lage der vorgewärmten Teile genauer definiert ist. Das erwärmte Werkzeug kann zweckmäßigerweise eine erwärmte Spitze der Strangpresse sein, die sich in der Nähe der Düse befinden, durch die die Wulst extrudiert wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Wärmeaustauschers in auseinandergezogener Darstellung,
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teiles des Wärmeaustauschers, in der die Schweißverbindung dargestellt ist, und
Fig. 3 und 4 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer geeigneten Strangpresse.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmeaustauscher weist eine profilgezogene Verpackungstafel 11 aus Polypropylen auf, die an beiden Enden mit einem Sammelrohr 12 bzw. 13 aus Polypropylen verbunden ist. (Diese sind in der Darstellung in Fig. 1 in Abstand voneinander dargestellt.) Die Tafel ist etwa 1 Meter breit, 2 Meter lang und 4 mm dick; sie besitzt .zwei in Abstand stehende Schichten (von jeweils etwa 0,38 mm Dicke), die durch eine Vielzahl von Stegen (gleichfalls ungefähr 0,38 mm dick) verbunden sind, die einen Abstand von ungefähr 5 mm aufweisen. Die Stege teilen den Raum zwischen den beiden Schichten in eine Vielzahl von parallelen geschlossenen Kanälen, die sich von einem Sammelrohr bis zum anderen erstrecken. Die Stege und die beiden Schichten sind als einstückiges Extrudat aus Polypropylen mit einem mittleren Äthylengehalt (d.h., einen relativen Gewichtsanteil von etwa 6% bis 10%) und einem Schmelzflußindex (230°C/2 kg) von 0,6 extrudiert worden.
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Die Sammelrohre sind aus einem Polypropylen-Rohr hergestellt, das einen Außendurchmesser von 25 mm und eine Wandstärke von ungefähr 6,4 mm aufweist; in die Seite des Sammelrohrs ist ein Schlitz 14 gefräst, der gerade ausreicht, ein Ende der Tafel aufzunehmen, wobei die Außenkanten des Schlitzes abgeschrägt sind. Das Zusammenbauen des Wärmeaustauschers erfolgt durch Einsetzen der Enden der Tafel in die entsprechenden Schlitze in den Sammelrohren und durch Aufbringen einer Wulst 15, um die beiden miteinander zu verschweißen, wie es nachstehend beschrieben ist.
Die zum Extrudieren· der Wulst benützte Strangpresse war eine kleine Hand-Strangpresse, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Strangpresse weist eine Grundplatte auf, die mit zwei Handgriffen 32 und 33 versehen ist. Auf der Grundplatte sind zwei Lager 34 und 35 befestigt, wobei aus dem Lager 35 ein Einfüllgefäß 36 und ein Zylinder 37 und einem Außendurchmesser von 25,4 mm herausragen. Zwei Manschettenheizer umgeben den Zylinder,der in einem 45 -Aluminiumkegel 38 endet, der an der Spitze eine Düse für die Extrusion der Wulst aufweist. Innerhalb des Zylinders befindet sich eine einfache Sehraube als Schnecke mit einem Durchmesser von 9,5mm und einer Länge von etwa 152 mm. Die Schraube besitzt eine Welle 39, die durch eine flexible Kupplung 41 mit einer felxiblen Antriebswelle 40 gekuppelt ist, die durch das andere Lager 34 gestützt wird, an dem eine flexible Hohlwelle 42 befestigt ist, die die flexible Antriebswelle umgibt.
Beim Herstellen des Wärmeaustauschers wurde das Einfüllgefäß der Strangpresse mit einem Pulver aus Polypropylen mit einem mittleren Äthylengehalt gefüllt, wobei der Schmelzflußindex (230°C/2 kg) 0,8 betrug; das Pulver wurde gegen eine Degradation durch Hitze und ultraviolette Strahlung stabilisiert und mittels Druckluft kühl gehalten, während es im Einfüllgefäß war. Durch eine Drehung der Schraube durch einen nicht dargestellten Motor über die flexible
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Antriebswelle wurde das Pulver längs des Zylinders befördert, wo es bis auf eine Schmelztemperatur von ungefähr 270 C bis 2900C erwärmt wurde. Die Temperatur des Aluminiumkegels 38 entsprach ungefähr der Temperatur der Schmelze; die Wulst, die extrudiert wurde, hatte einen Durchmesser von ungefähr 5 mm. Die Strangpresse wurde so auf einem Drehbanksupport befestigt, daß sie längs des Drehbankbetts stetig bewegt werden konnte.
Die Sammelrohre waren jeweils mit einem abgeschrägten Schlitz 14 für die Aufnahme der Tafel versehen; ein transversaler V-förmiger Schlitz wurde in jedes Sammelrohr an beiden Enden des Schlitzes 14 angebracht. Die Tafel wurde dann mit jeweils einem Ende in den Schlitz jeweils eines Sammelrohrs eingesetzt; unter Verwendung der V-Schlitze wurden Querschweißungen durchgeführt, wobei die Enden der Schweißstellen mit den Seiten der Tafel liniengleich gemacht wurden.Die aus Sammelrohren und Tafel bestehende Einheit wurde dann so innerhalb einer Einspannvorrichtung befestigt, daß sie parallel zum Drehbankbett lag. Die Strangpresse wurde so angeordnet, daß der Kegel das Sammelrohr aber nicht die Tafel berührte; während des Extrudierens der Wulst wurde der Support längs des Drehbankbetts bewegt, wobei der erwärmte Kegel bei seiner Längsbewegung in Berührung mit dem Sammelrohr blieb. Die Strangpresse war so ausgerichtet, daß das Extrudat beim Austreten aus der Extruderdüse gegen die Oberflächen von Tafel und Sammelrohr in den abgeschrägten Schlitz gedrückt wurde. Die Strangpresse stand unter einem Winkel zu der Tafel, wobei die t Düse nachgezogen wurde, um einen weicheren Fluß der Extrudats in den Schlitz zu bewirken. Die Bewegungsrichtung war so, daß die geschmolzene Wulst unmittelbar hinter der Stelle abgelagert wurde, wo sich der Kegel in Kontakt mit dem Schlitz bewegte und einen Streifen des Sammelrohrs unmittelbar in der Nähe des Schlitzes schmolz,, aber ohne die Tafel zu berühren. Für jeden Schlitz wurde an beiden Seiten der Tafel eine einzige Wulst abgelagert; beim Abkühlen wurde zwischen der Tafel und jedem Sammelrohr eine starke wasser-
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dichte Verbindung hergestellt, ohne daß irgendein merkbares Faltenwerfen der Tafel auftrat.
■ Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf das Schweißen von Polyolefinen erläutert worden, da sie sich im Zusammenhang mit diesen und anderen Materialien als nützlich erwies,für die das Verfahren des Lösungsmittelschweißen keine Alternative darstellt. Dieses Verfahren ist jedoch tatsächlich im allgemeinen für thermoplastische Materialien anwendbar,, die für die Herstellung gegossener Gegenstände geeignet sind, sogar für jene, die hohe Erweichungspunkte aufweisen und deswegen'Schweißwülste erfordern, die bei noch höheren Temperaturen extrudiert■worden sind. Um dies zu verdeutlichen ξ wird jetzt ein Vorgang beschrieben, bei dem eine Versteifungsplatte auf die Oberfläche einer dünnen Tafel geschweißt worden war, wobei beide Gegenstände aus Polysulfon geformt waren, das einen Erweichungspunkt von etwa 174°C aufweist. Die dünne Platte hatte eine Dicke von ungefähr o,38 mm, während die Versteifungsplatte eine Scheibe von ungefähr 5 mm Dicke und 25 mm Durchmesser war.
Die Strangpresse hatte einen Aluminiumkegel mit einem Spitzenwinkel von 60°; dem Einfüllgefäß wurde Polysulfon zugeführt, das die gleiche Zusammensetzung hatte, wie das zum Schmelzen der Gegenstände verwendete Polysulfon. Das Strangpressen wurde mit einer Zylindertemperatur von 3400C begonnen, wobei die Kegeltemperatur 3500C betrug. Eine Wulst aus geschmolzenem Polysulfon wurde um den Umfang der Scheibe extrudiert, wobei die Wulst in Berührung mit der Scheibe und mit der umgebenden Tafel trat, während die Spitze des Kegels unmittelbar vor der Wulst gegen die Scheibe gedrückt wurde, um ein Vorwärmen zu erreichen. Die Spitze des Kegels schien die Scheibe zu schmelzen, während sie leicht in die Oberfläche eintauchte; eine Berührung mit der umgebenden dünnen Platte wurde vermieden.Nachdem eine Wulst extrudiert und um die Scheibe herum gelegt war und sich abkühlen konnte, wurde festgestellt, daß die
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Scheibe fest mit der Platte verschweißt war. Wenn die Scheibe während des Schweißens in geeigneter Weise unterstützt wurde, so daß gleichmäßige Bedingungen sichergestellt waren, konnte eine Schweißnaht mit geringer oder keiner Formänderung der dünnen Platte erreicht werden.
Es wurden mehrere wiederholte und vergleichende Experimente mit und ohne Vorwärmen der Scheiben durchgeführt, wobei die Stärke der Schweißnähte getestet wurde, indem die Teile unter Verwendung von Zangen gehalten und auseinandergezogen wurden ( es wurden zuerst Teile der Platte entfernt oder es wurde'eine Willst nur um einen Teil des Scheibenumfangs vorgesehen, so daß die Scheibe gehalten werden konnte). Die schlechten Schweißnähte ergaben einen glatten Scheibenrand, während die guten Schweißnähte der Scheibe einen gekerbten Rand gaben. Man hat gefunden, daß .unter diesen Extrusionsbedxngungen gute Schweißnähte erreicht wurden, wenn ein Vorwärmen gemäß vorstehender Beschreibung durchgeführt wurde; es wurde aber im allgemeinen eine schlechte Verbindung zwischen der extrudierten Wulst und der Scheibe erreicht, wenn kein Vorwärmen stattfand. Es wurde gefunden, daß-die Schweißnähte zwischen der Wulst und der dünnen Platte im allgemeinen fest sind.
Die Erfindung schafft somit ein Verbindungsverfahren, bei dem starre thermoplastische Gegenstände mit Querschnitten unterschiedlicher Dicke nach dem Extrusionsschweißen miteinander verbunden werden, wobei der Teil mit dem dickeren Querschnitt, der durch die extrudierte Wulst kontaktiert wird, vor dem Kontaktieren auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die höher ist als die Temperatur des dünneren Querschnitts Der dickere Abschnitt kann beispielsweise durch die Spitze der Strangpresse oberhalb seines Erweichungspunkts erwärmt werden,, während der dünnere Abschnitt unterhalb seines Erweichungspunkts bleibt, bis er von der extrudierten Wulst kontaktiert wird. Das Verfahren ist während der Herstellung vom Wärmeaustauschern, wie beispielsweise von Sonnenenergiewärmeaustauschern, zum Anschweißen von strangge-
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preßten Tafeln mit dünnem Querschnittsprofil an Sammelleitungsrohre mit dickeren Querschnitt verwendbar.
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Claims (9)

  1. - 10 - B 7509
    Patentansprüche
    f\
    11.] Verfahren zum Verbinden zweier starrer thermoplastischer Gegenstände, die Querschnitte unterschiedlicher Dicke aufweisen, bei dem in Berührung mit benachbarten Teilen der beiden Gegenstände eine geschmolzene Wulst aus verträglichem thermoplastischem Material bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunkts der thermoplastischen Gegenstände extrudiert wird, so daß sie mit den kontaktierten Teilen verschweißt und beim Abkühlen eine Schweißnaht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil des Gegenstands mit dem dickeren Querschnitt, das· durch die extrudierte Wulst kontaktiert wird, vor dem'Kontaktieren auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die höher ist als die Temperatur des dünneren Querschnitts.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil des Gegenstands mit dem dickeren Querschnitt, das durch die extrudierte Wulst kontaktiert wird, oberhalb seines Erweichungpsunkts vorgewärmt wird, während der dünnere Querschnitt unterhalb seines Erweichungspunkts gehalten wird, bis er durch die extrudierte Wulst kontaktiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vorwärmens des dickeren .Querschnitts kein wesentliches Anwachsen der Temperatur des dünneren Querschnitts stattfindet.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dickere Querschnitt durch die Wärme vorgewärmt wird, die durch ein erwärmtes Werkzeug auf seine Oberfläche aufgebracht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Werkzeug in Berührung mit der Oberfläche des dickeren Querschnitts gebracht wird.
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  6. 6.- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Werkzeug eine erwärmte Spitze der Strangpresse in der Nähe der Düse ist, durch die die.Wulst extrudiert wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit dem dünneren Querschnitt in der Nähe der Schweißnaht eine Dicke von gleich oder weniger als ungefähr 0,4 mm auf-
    ) weist.
  8. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände, die zusammengeschweißt werden, Teile für einen Wärmeaustauscher sind.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände,
    • die zusammengeschweißt Werden, und die zum Bilden der Schweißnaht extrudierte Wulst aus Polyolefin sind.
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