DE3700465C1 - Schweissverbindung von Kunststoffteilen - Google Patents

Schweissverbindung von Kunststoffteilen

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DE3700465C1
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Rainer Dr-Ing Renz
Karl-Heinz Dipl-Ing Ilzhoefer
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Daimler Benz AG
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Daimler Benz AG
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißverbindung von Kunst­ stoffteilen, wie sie aus der kunststoffverarbeitenden In­ dustrie für Artikel aus thermoplastischen Kunststoffen allgemein bekannt sind.
Häufig ist es bei hochbelasteten Schweißverbindungen wünschens­ wert, diese auf ihre Festigkeit zu überprüfen. Mechanische Verfahren zur Überprüfung von Schweißverbindungen arbeiten zerstörend, was bei einer im statistischen Mittel annähernd gleichmäßigen Probenahme zu einer Zerstörung vieler, teil­ weise recht teuerer Werkstücke führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schweißverbindung von Kunststoffteilen dahingehend auszugestalten, daß sie zuver­ lässig und zerstörungsfrei auf einwandfreie Schweißaus­ führung überprüfbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Einbringung eines Röntgenkontrastmittels in die Schweißfuge vor dem Zu­ sammenfügen der Teile mit einer scharfen Umrißkontur kann nach dem Herstellen der Schweißverbindung festgestellt wer­ den, ob die Umrißkontur des Röntgenkontrastmittels inner­ halb des Schweißgutes verlaufen ist, was auf eine gute Schweißqualität hindeutet, oder ob sich die Randkontur des Belages aus Röntgenkontrastmittel nach wie vor mehr oder weniger scharf abzeichnet; letzteres würde auf ein schlech­ tes Verlaufen des Werkstoffes innerhalb der Schweißfuge und somit auf eine schlechte Schweißqualität hindeuten.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unter­ ansprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Aus­ führungsbeispiele nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt
Fig. 1 eine Ansicht auf eine Schweißnaht zur Verbin­ dung zweier Kunststoffteile,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schweißnaht nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II,
Fig. 3 ein vergrößertes Röntgenbild durch die Schweiß­ naht nach Fig. 1 an der Stelle III, wobei in der rechten und linken Hälfte unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten dargestellt sind, allerdings im Zustand von Anbringen der Ver­ schweißung und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Röntgen­ bildes, wobei der Belag mit dem Röntgenkontrast­ mittel als kleines Rechteck eingebracht ist, in der oberen Bildhälfte für gute Schweißqualität und in der unteren Bildhälfte für schlechte Schweißqualität.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ausschnittsweise ein erstes Kunststoffteil 1 und ein zweites Kunststoffteil 2, die über eine linearte Schweißnaht 3 miteinander verschweißt sind. Die beiden Kunststoffteile stehen mit den einander zugewandten Oberflächen 4 bzw. 4′ in gegenseitigem Kontakt und bilden eine Schweißfuge 5. Bei den zu verschweißenden Kunststoffteilen 1 und 2 kann es sich um faserverstärktes Polypropylen, insbesondere um glasfaserverstärktes Polypro­ pylen mit z. B. 40% Glasfaseranteil handeln. Die Schweiß­ naht 3 zwischen den beiden Kunststoffteilen 1 und 2 kommt dadurch zustande, daß der Kunststoff im Schweißnahtbereich durch geeignete Verfahren unter Anpressen der beiden Kunst­ stoffteile bis an oder über die Schmelztemperatur des Kunststof­ fes erwärmt wird. Hierfür sind unterschiedliche Verfahren der Temperatureinbringung bekannt, worauf in diesem Zusam­ menhang nicht näher eingegangen zu werden braucht. Es sei unter anderem lediglich Ultraschallerwärmung oder eine Er­ hitzung im elektrostatischen Wechselfeld oder auch eine Er­ wärmung durch normale Wärmeleitung genannt.
Nachdem die Erwärmung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen soll, wird nicht in jedem Fall die erforderliche Schweiß­ temperatur erreicht, weil hierfür entweder die Zeit nicht ausreichte oder weil Störungen in den Schweißeinrichtungen und/oder im Schweißgut vorhanden sind. Bei wichtigen Schwei­ ßungen möchte man deren Güte zerstörungsfrei kontrollieren. Um dies zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Belag eines Röntgenkontrastmittels in die Schweißfuge vor dem Schweißen eingebracht, wobei der Belag eine scharf abgesetzte Um­ rißkontur mit definiertem Umrißverlauf aufweist. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Belag mit dem Röntgenkontrastmittel auf einer in die Schweißfuge eingebrachten mitverschweißbaren Hilfsfolie in Form eines Folienstreifens 6 enthalten. Das Röntgenkontrast­ mittel könnte statt dessen auch unmittelbar auf eines der zu verschweißenden Kunststoffteile als entsprechende Linie oder als ein entsprechendes linienförmiges Muster aufge­ druckt sein. Auch bei der Einbringung des Röntgenkontrast­ mittels in Form einer Hilfsfolie kann dieser auf die Hilfs­ folie aufgedruckt sein; meist wird man jedoch der Einfachheit halber einen in der Masse mit Röntgenkontrastmittel versehen­ en Hilfsfolienstreifen verwenden. Der Folienstreifen bzw. - im Falle des Bedruckens des Werkstückes oder des Folien­ streifens mit Röntgenkontrastmittel - das aufgedruckte Muster weisen in unverschweißtem Zustand einen scharf abgesetzten Umriß mit definiertem Verlauf auf. Fig. 3 zeigt hierfür verschiedene Ausführungsbeispiele: beispielsweise kann in unverschweißten Zustand der Rand des Belages geradlinig be­ grenzt sein - Randbegrenzung 7; stattdessen ist auch bei­ spielsweise eine gezahnte Randbegrenzung 8 oder ein Loch­ muster 9 aus runden oder auch aus anders geformten, beispiels­ weise quadratischen oder sternförmigen Löchern möglich oder denkbar. In jedem Fall muß sichergestellt sein, daß die Musterbreite - Maß b - des Röntgenkontrastmittels vor dem Einbringen in die Schweißnaht schmaler ist als die Schweiß­ breite B der Schweißnaht 3. Die Musterbreite kann z. B. der Abstand der beiden gegenüberliegenden Begrenzungskanten des Folienabstandes oder der Abstand zweier paralleler Loch­ reihen auf dem Folienstreifen sein.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Röntgenkontrastmit­ tel darzustellen. Grundsätzlich kann gesagt werden, daß Partikel, die eine höhere Dichte als der Grundwerkstoff aufweisen, bei der Bestrahlung mit weichen Röntgenstrahlen gegenüber dem Grundwerkstoff, nämlich thermoplastischen Kunststoffen, kontrastieren. Je höher die Dichte der einzelnen Partikel des Röntgenkontrastmittels ist, um so stärker ist der Kontrast. Beispielsweise weisen Farbpigmente auf der Basis von Schwermetallen bereits eine höhere spezifische Dichte als Kunststoff auf, so daß diese als Röntgenkontrast­ mittel geeignet wären. Man kann also einen in der Masse ein­ gefärbten schmalen Folienstreifen verwenden, zu dessen Ein­ färbung Farben mit Farbpigmenten auf der Basis von Schwer­ metallen verwendet wurden. Derartige Farben sind sehr weit verbreitet und preisgünstig erhältlich und werden auch zum Einfärben von Kunststoffen benutzt. Eine andere Möglichkeit der Darstellung des Röntgenkontrastmittels liegt in der Ver­ wendung von Gesteinsmehl, Glas- oder Keramikpulver. Diese Möglichkeit ist selbstverständlich auch zusätzlich zu der Verwendung von Farbpigmenten auf der Basis von Schwermetallen möglich. Eine weitere alternativ oder zusätzlich anwendbare Möglichkeit zur Darstellung des Röntgenkontrastmittels be­ steht in der Verwendung von feinem Metallpulver, insbeson­ dere Eisenpulver.
In der Fig. 3 sind - wie gesagt - lediglich Ausführungs­ beispiele von Belagkonturen in noch unverschweißtem Zustand dargestellt, wobei im wesentlichen ein streifenförmiger Be­ lag an Röntgenkontrastmittel entsprechend einer linienförmi­ gen Schweißnaht eingebracht wurde. In Fig. 4 ist am Bei­ spiel eines einzelnen Schweißpunktes und dementsprechend eines eingebrachten kleinen rechteckigen Stanzlinges 10 einer das Röntgenkontrastmittel enthaltenden Folie in der oberen Bildhälfte das Aussehen der Kontur des Röntgenkon­ trastmittels nach dem Anbringen einer einwandfreien Schwei­ ßung und in der unteren Bildhälfte das Aussehen der Rand­ kontur des Röntgenkontrastmittels nach einer schlechten Schweißung dargestellt. Es sei auch an dieser Stelle noch einmal erwähnt, daß der Stanzlingsdurchmesser d kleiner ist als die Breite B der Schweißnaht. Selbstverständlich können auch bei einer linearen durchgehenden Schweißnaht einzelne Stanzlinge 10 in dichter Folge konfettiartig auf die Schweiß­ naht aufgestreut werden.
Wie die obere Hälfte von Fig. 4 zeigt, ist das Röntgenkon­ trastmittel sehr stark und unregelmäßig gegenüber der ur­ sprünglichen strichpunktiert angedeuteten Kontur des Stanz­ linges deformiert, was darauf hindeutet, daß der Grundwerk­ stoff im Bereich der Schweißung sehr stark verlaufen und in­ einander geschmolzen ist. Dies deutet auf einen innigen Werk­ stoffverbund innerhalb der Schweißung, also auf eine gute Schweißverbindung hin. Anders ist es bei dem Aussehen der Randkontur, wie sie in der unteren Bildhälfte von Fig. 4 dargestellt ist. Die ursprüngliche Kontur des Stanzlinges 10 ist im Röntgenbild noch weitgehend erhalten; lediglich an zwei kleinen Umfangsstellen ist die Kontur des Röntgenkon­ trastmittels etwas verlaufen, was auf nur sehr kleine nicht belastbare Punkte eines Werkstoffverbundes hindeutet. Schweißungen, die ein solches oder ein ähnliches Bild des Röntgenkontrastmittels zeigen, lassen eine schlechte Schwei­ ßung erkennen.
Es soll an dieser Stelle nicht verschwiegen werden, daß es neuerdings auch Verfahren zur elektromagnetischen Er­ wärmung des zu verschweißenden Kunststoffes gibt, wobei ein Eisenpulver enthaltender Kunststoffstreifen entlang dem Schweißnahtverlauf vor der Schweißung eingebracht wird. Durch dem Schweißnahtverlauf folgende Induktionsspulen werden die Eisenteilchen auf induktivem Wege erhitzt und erwärmen so nicht nur den eingebrachten Folienstreifen, sondern auch das angrenzende Grundmaterial. Zugleich oder danach werden die Tei­ le zusammengepreßt, wobei sie sich miteinander verbinden. Zwar ist es bei diesem Erwärmungsverfahren für eine Kunst­ stoffschweißung verfahrensbedingte Voraussetzung, daß ein auch als Röntgenkontrastmittel taugliches Mittel, nämlich Eisenpulver vor der Schweißung in die Schweißfuge eingebracht wird. Aber auch bei einem sol­ chen Schweißverfahren liegt eine sinnvolle technische Lehre zum zerstörungsfreien Überprüfen einer Schweißnaht vor, indem ein definiertes Lochmuster oder eine definierte Randkontur an dem einzubringenden Eisenpulverbelag angebracht wird, der sich innerhalb der zu verschweißenden Breite B hält, damit in jedem Fall im Röntgenbild kontrollierbar bleibt, ob ein inniges Verfließen des eingebrachten Beleges stattgefunden hat oder nicht. Selbstverständlich kann das Überprüfen der Schweißnaht auch unabhängig von einer elektromagnetischen Erwärmung der Schweißfuge angewandt werden, eine entsprechende Ein­ bringung eines Röntgenkontrastmittels bei anderen Er­ wärmungsarten zum Durchführen einer Kunststoffschweißung ist im Hinblick auf ihre zerstörungsfreie Überprüfung sinnvoll.

Claims (12)

1. Schweißverbindung von Kunststoffteilen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der zu verschweißenden Kunststoffteile (1, 2) im Bereich der an der Schweißverbindung (3) mit dem Ge­ gen-Kunststoffteil (2, 1) in Kontakt stehenden Oberfläche (4, 4′) mit einem in der Umrißkontur (7, 8, 9) scharf abge­ setzten und im Umrißverlauf definiertem, mitverschweißba­ ren Belag eines Röntgenkontrastmittels versehen ist.
2. Schweißverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag unmittelbar auf eines der zu verschweißenden Kunststoffteile (1, 2) aufgedruckt ist.
3. Schweißverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag auf einer in die Schweißfuge (5) eingebrachten, mitverschweißbaren Hilfsfolie (6, 10) enthalten ist.
4. Schweißverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag auf die Hilfsfolie aufgedruckt ist.
5. Schweißverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag durch die in der Masse mit Röntgenkontrast­ mittel versehene Hilfsfolie (6, 10) und deren Berandung (7, 8, 9) gebildet ist.
6. Schweißverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfolie in Form eines dem Schweißnahtverlauf folgenden Folienstreifens (6) ausgebildet ist.
7. Schweißverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienstreifen (6) mit einer definiert geformten Randkontur (7, 8) und/oder mit einem definiert geformten Lochmuster (9) versehen ist.
8. Schweißverbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfolie in Form wenigstens eines im Durchmesser (d) kleiner als die Schweißbreite (B) bemessenen Stanzlinges (10) oder Streifenabschnittes ausgebildet ist.
9. Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgenkontrastmittel Farbpingmente auf der Basis von Schwermetallen enthält.
10. Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgenkontrastmittel Gesteinsmehl, Glas- oder Kera­ mikpulver enthält.
11. Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgenkontrastmittel Metallpulver, insbesondere Eisenpulver enthält.
12. Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Kunststoffteile (1, 2) aus faser­ verstärktem Polypropylen bestehen.
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