DE3611133A1 - Verschweissen von thermoplastischen werkstoffen - Google Patents

Verschweissen von thermoplastischen werkstoffen

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DE3611133A1 DE19863611133 DE3611133A DE3611133A1 DE 3611133 A1 DE3611133 A1 DE 3611133A1 DE 19863611133 DE19863611133 DE 19863611133 DE 3611133 A DE3611133 A DE 3611133A DE 3611133 A1 DE3611133 A1 DE 3611133A1
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Werk­ stoffen nach dem Schmelzschweißverfahren.
Es ist bekannt thermoplastische Werkstoffe, wie bei­ spielsweise Polyäthylen, Polypropylen oder Polyvinylchlo­ rid, durch das Einschmelzen von plastifizierten, eben­ falls thermoplastischen Zusatzwerkstoffen in die plastifi­ zierte Fügezone zu verschweißen. Dies geschieht dadurch, daß ein Schweißdraht mit der Wedel- oder Ziehdüse er­ hitzt und gleichzeitig in die Fügezone gedrückt wird, wo er mit den zu verbindenden Werkstoffen zusammenschmilzt und nach dem Erkalten eine Materialverbindung sicher­ stellt. Der Schweißdraht und der Untergrund werden zum Zeitpunkt des Schweißvorganges gleichermaßen an der Schweiß­ stelle erhitzt.
Ein anderes Schmelzschweißverfahren ist das sogenannte Ex­ trusionsschweißen. Pulverförmiges oder drahtförmiges Schweißzusatzmaterial wird in einem Extruder durch Er­ hitzen in einen pastösen Zustand übergeführt und in die ebenfalls durch den gleichen Extruder erhitzte Fügezone der zu verbindenden Teile eingedrückt. Das pastöse Zusatz­ material verbindet sich mit dem eingeschmolzenen Unter­ grund und bildet nach dem Erkalten die Schweißnaht.
Die beiden zuvor beschriebenen Schweißverfahren müssen, insbesondere bei Baustellenmontagen, aber auch bei Werk­ stattmontagen immer dann angewandt werden, wenn andere Schweißmethoden, beispielsweise Heizelementschweißen, Ultraschall-, Vibrations- oder Reibschweißen, nicht mög­ lich sind.
Aus der DE-A1 35 18 460 ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum direkten Anschließen aneinanderstoßender Teppichrückenkanten mit einem hitzeschmelzbaren Klebeband bekannt. Bei diesem Verfahren wird der hitzeschmelzbare Kleber bis zum Erreichen des geschmolzenen Zustands er­ hitzt und dann in Form eines Wulstes auf die Seitenkanten der zu verbindenden Teppichrücken gebracht. Dabei verbin­ det sich der Kleber mit den Teppichseitenkanten und bildet nach Erkalten eine stabile Verbindung der Kanten.
Bei den bekannten Heißschmelzverfahren muß das Schweiß­ zusatzmaterial während der Schweißung oder an der Schweiß­ stelle selbst ausgehend vom kalten Zustand bis zur Schweiß­ schmelztemperatur erhitzt werden und zwar bei gleichzei­ tiger Erhitzung der Fügezone selbst. Da Kunststoffe schlechte Wärmeleiter sind, läßt sich die Aufschmelzge­ schwindigkeit des Zusatzschweißwerkstoffes nicht beliebig beschleunigen, bzw. wären zur Leistungserhöhung immer größere und schwerere Vorrichtungen erforderlich. Bei­ spielsweise müßten für das Extrusionsschweißen größere und leistungsfähigere Extruder bereitgestellt werden, welche sich bei der manuellen Ausführung von Montage­ schweißnähten über einen längeren Zeitraum nur schwierig und ermüdend handhaben lassen. Bei dem Schweißverfahren mit Zusatzdraht und Wedel oder Ziehdüse wird der maximal mögliche Drahtquerschnitt ebenfalls begrenzt durch die Schwierigkeit des schnellen Erhitzens des Schweißdrahtes zur Schmelztemperatur aber auch durch den mit zunehmendem Querschnitt erforderlichen zunehmenden Anpreßdruck des angeschmolzenen Schweißdrahtes auf die Fügezone. Für eine große bzw. breite Fügezone ist es daher notwendig, diese mit einer Vielzahl von Einzeldraht-Schweißungen aufzufüllen, was entsprechend zeitaufwendig ist.
Die bekannten Heißschmelzverfahren haben den Nachteil, daß die zum Einpressen des Schweißzusatzwerkstoffes erfor­ derliche Halte- und Abkühlzeit um so länger wird, je höher die Quantität des aufgeschmolzenen Schweißzusatzwerkstoffes ist. Durch die verlängerte Einpreß- und Haltezeit des Schweißzusatzwerkstoffes wird die Schweißgeschwindigkeit vermindert. Sieht man von der Vorerwärmung der Fügezone selbst ab, so wird die Schweißgeschwindigkeit bei den heute üblichen Montageschweißverfahren durch zwei Faktoren bestimmt und zwar die Aufschmelzzeit des Schweißzusatz­ werkstoffes und die Anpreßzeit des eingeschmolzenen Schweißmaterials bis zu dessen Erkalten. Dieser Nachteil ist insbesondere dann sehr gravierend, wenn breitere Fu­ gen oder größere Materialstärken mit einem entsprechend größeren Bedarf an Schweißschmelzwerkstoff verschweißt werden müssen. Die bisher bekannten Montageschweißverfah­ ren sind daher langsam und unwirtschaftlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen nach dem Schmelzschweißverfahren bereitzustellen, mit dem die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden und die Schweißgeschwindigkeit bei einem geringen apparativen Aufwand um ein Vielfaches erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentan­ sprüche.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, den Schweiß­ zusatzwerkstoff, der in Form von Bändern oder sonstiger Schweißprofile auf einer Trommel aufgewickelt ist, ge­ trennt von der Schweißstelle selbst, andernorts in einer dafür bestimmten Erhitzungsvorrichtung vorzuerhitzen.
Erfindungsgemäß wird der Schweißzusatzwerkstoff bis zu einer Temperatur erhitzt, die unterhalb der Schweiß- oder Schmelztemperatur liegt und dem Material noch soviel Eigen­ festigkeit beläßt, daß es von der Trommel kontinuierlich abgezogen und auf die Schweißnaht aufgepreßt werden kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird der Schweißzusatzwerkstoff während des Abziehens von der Trommel vorerhitzt und im vorerhitzten Zustand der Schweißstelle zugeführt.
Erfindungsgemäß ist für das Verschmelzen der Materialien, d.h. der zu verbindenden Werkstoffe und dem Schweißzusatz­ werkstoff nur noch eine geringe Temperaturerhöhung an der Schweißstelle erforderlich. Diese Wärmezufuhr erfolgt vor­ zugsweise mit Hilfe von Heißluft.
Vorteilhafterweise werden die zu verschweißenden Werkstof­ fe vor dem Schweißen ebenfalls vorerhitzt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das An­ drücken des Schweißzusatzwerkstoffes auf die Fügezone durch mechanisch geführte Rollen oder ein Rollenband. Die Rollen dienen neben der Erzielung des erforderlichen Anpreßdruckes auch zur Abkühlung der Schweißzone.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Trennung der Erhitzung des Schweißzusatzwerkstoffes von der Schweißstelle nur noch eine geringe Restenergie an der Fügezone selbst zugeführt werden muß. Dadurch wird die Schweißgeschwindigkeit wesentlich erhöht und die Schweißvorrichtung selbst vereinfacht. Außerdem durch die Erhitzung des in der Trommel aufgewickelten großprofiligen Schweißzusatzwerkstoffes möglich, diesen in dem dann flexiblen Zustand aus der Trommel kontinuier­ lich abzuziehen und auf die Fügezone aufzurollen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den Vorteil, daß die Dosierung der Schweißenergie leichter einstellbar ist und insbesondere eine Beschädigung der zu verbindenden Werk­ stoffe durch eine übermäßige Erhitzung vermieden wird, da im Bereich der Schweißstelle nur eine relativ geringe Energiequelle zugeführt werden nuß.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er­ läutert: Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt der Schweißvorrichtung parallel zur Fügezone und
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A.
Der Schweißzusatzwerkstoff 1, hier in Form eines Rechteck­ bandes ist in der thermisch isolierten Trommel 2 aufge­ wickelt. Diese ist vorzugsweise bereits auf die passende Temperatur knapp unterhalb der Schweißtemperatur vorge­ wärmt. Die Vorwärmung erfolgt beispielsweise durch Einset­ zen eines größeren Vorrates an Trommeln in einen dafür ge­ eigneten Wärmeofen. Zum Schweißen wird das infolge der ho­ hen Temperatur sehr flexible, thermoplastische Schweißpro­ fil 1 aus der Trommel 2 herausgezogen und durch eine Ein­ richtung 7 auf die zu verschweißenden Teile 3 a und 3 b über die Schweißfuge 4 hinweg aufgedrückt. Die Einrichtung 7 dient gleichzeitig zum Abziehen des Schweißprofils und zum Aufpressen auf die Schweißfuge.
Gleichzeitig mit dem Aufrollen des Schweißprofils 1 auf den Untergrund wird an der Fügezone die Temperatur bei­ spielsweise durch eine Heißluftzufuhreinrichtung 5 so er­ höht, daß ein Schmelzwulst 6 entsteht, durch den das Zu­ sammenschmelzen von Schweißzusatzwerkstoff 1 und Unter­ grund 3 a und 3 b sichergestellt wird. Da es sich hierbei nur noch um eine geringfügige Temperaturerhöhung handelt, kann mit einer gegenüber herkömmlichen Methoden wesentlich erhöhten Geschwindigkeit geschweißt werden. Dieser Vorteil wird noch erhöht, wenn der Untergrund 3 a bzw. 3 b durch eine entsprechende Vorwärmvorrichtung 8, beispielsweise ein Heizstrahler ebenfalls vorerhitzt ist.
Da der Anpreß- und Haltedruck insbesondere für einen groß­ profiligen Schweißzusatzwerkstoff 1 nicht mehr von Hand aufgebracht werden kann, ist eine zwangsweise Führung der Rollen 16 bzw.des Laufbandes 15 vorteilhaft. Eine solche Füh­ rung bilden erfindungsgemäß vorzugsweise mehrere Rollen 16, deren Achsen 13 in Schienen 14 laufen. Die Schienen 14 werden entweder direkt auf die zu verschweißenden Teile 3 a und 3 b gedrückt oder in geeigneter Weise fixiert. Vorzugs­ weise weisen die Schienen 14 eine Breitflanschauflage 9 mit einem thermischen Isolator 10 auf, um den Aufpreßdruck der Führungsschienen aus der plastifizierten Zone auf die außen liegende kalte Materialzone abzuleiten. Vorteilhaft ist dabei eine Kante 11 im Winkelbereich der Schienen 14 so ausgebildet, daß das aus der Fügezone austretende Schweißgut eine Abschlußschräge bildet.
Für eine gleichmäßige Schweißnaht wird vorzugsweise ein Rollenband 15 über die Rollen 16 geführt.
Um ein Zusammenkleben des Schweißprofiles 1 innerhalb der Trommel 2 während des Erhitzungsvorganges zu vermeiden, wird erfindungsgemäß eine Trennfolie 12 aus beispiels­ weise PTFE eingelegt. Diese wird beim Abziehen des Schweißprofils von der Trommel vor der Schweißstelle oberhalb der Einrichtung 7 abgezogen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Verschweißen von thermoplastischen Werk­ stoffen nach dem Schmelzschweißverfahren mittels ei­ nem bandförmigen Schweißzusatzwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatz­ werkstoff vor dem Schweißen getrennt von der Schweiß­ stelle vorerhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerhitzung des Schweißzusatzwerkstoffs bis auf eine Temperatur, die knapp unterhalb der Schweiß­ temperatur liegt, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeich­ net, daß der Schweißzusatzwerkstoff in Form von Bän­ dern oder sonstiger Schweißprofile auf einer Trommel aufgewickelt ist und dort getrennt von der Schweißstelle selbst in einer Erhitzungsvorrichtung vorerhitzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schweißzusatzwerkstoff in Form von Bändern oder sonstiger Schweißprofile auf einer Trom­ mel aufgewickelt ist und während des Abziehens von der Trommel vorerhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der vorerhitzte Schweißzusatz­ werkstoff auf eine zwischen zu verschweißenden Werkstoffen liegende Fügezone aufgedrückt und gleichzeitig die zum Verschmelzen der Werkstoffe erforderliche Wärme zuge­ führt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr an der Fügezone durch Heißluft erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Werk­ stoffe vor dem Schweißen erhitzt werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Andrücken des Schweißzu­ satzwerkstoffes auf die Fügezone durch mechanisch ge­ führte Rollen oder ein Rollenband erfolgt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch
  • a) eine Trommel (2) auf dem der bandförmige Schweißzu­ satzwerkstoff (1) aufgewickelt ist und
  • b) eine Erhitzungsvorrichtung, mit dem der Schweißzusatz­ werkstoff (1) vor dem Zuführen zu der Schweißstelle vorerhitzt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Trommel (2) aufgewickelte Schweißzu­ satzwerkstoff (1) getrennt von der Schweißstelle in einem Wärmeofen vorerhitzt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7) zum Abziehen des Schweißzu­ satzwerkstoffes (1) von der Trommel (2) und zum Auf­ drücken des Schweißzusatzwerkstoffes (1) auf die zwi­ schen zu verschweißenden Werkstoffen (3 a, 3 b) liegende Fügezone (4).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Wärmezufuhreinrichtung (5) zur Temperaturerhöhung der Fügezone (4), so daß ein Schmelzwulst (6) ent­ steht und die Werkstoffe (3 a, 3 b) entlang der Fügezone (4) mit dem Schweißzusatzwerkstoff (1) verschmelzen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekenn­ zeichnet durch eine Vorwärmeinrichtung (8), die die Werkstoffe (3 a, 3 b) vor dem Verschweißen erhitzt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (7) Rollen (16) aufweist, deren Achsen (13) in Schienen (14) ge­ führt werden und die über die Fügezone (4) abgerollt werden und dabei gleichzeitig den Schweißzusatzwerk­ stoff (1) von der Trommel (2) abziehen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen (14) Breitflanschauflagen (9) mit einem thermischen Isolator (10) aufweisen, die den Auf­ preßdruck der Führungsschienen (14) auf die zu ver­ schweißenden Werkstoffe (3 a, 3 b) von der plastifi­ zierten Zone auf die außenliegende kalte Zone ablei­ ten.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über die Rollen (16) ein Laufband (15) geführt wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff (1) auf der Trommel (2) zusammen mit einer Trenn­ folie (12) aufgewickelt ist.
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