DE3880716T2

DE3880716T2 - Verbinden von thermoplastischen Schichten.

Info

Publication number: DE3880716T2
Application number: DE88301739T
Authority: DE
Inventors: Michael Charles Felix; Colin Charles Hardy; Nicola Suzanne Taylor
Original assignee: Welding Institute England
Current assignee: Welding Institute England
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2008-03-01
Also published as: EP0281347A3; GB8704852D0; US4871412A; DE3880716D1; EP0281347A2; EP0281347B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden oder Verschweißen einer thermoplastischen Schicht mit einem Substrat und insbesondere auf das Verbinden der sogenannten modernen Thermoplaste, die durch leitende Fasern verstärkt sind.
Ein Beispiel geeigneter Thermoplaste ist unter der Bezeichnung APC-2 bekannt, bei der es sich um eine aromatische polymere Zusammensetzung handelt, die Schichten aus unidirektionalen Kohlefasern mit einem Überzug aus Polyetheretherketon (PEEK), einem thermoplastischen Material, aufweist. Derartige Materialien können durch Erwärmung ihrer aneinandergrenzenden Flächen durch ein Heizelement und eine Heizplatte verbunden werden, so daß die Temperatur des Materials örtlich auf mehr als 350ºC erhöht wird und die beiden Komponenten unmittelbar nach dem Entfernen der Heizplatte zusammengedrückt werden können. In ähnlicher Weise können Grenzflächen durch Bestrahlung erwärmt werden, und typische Erwärmungsdichten werden mit 75 Kw pro m² angegeben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es erhebliche Zeit (z.B. eine Minute) erfordert, bis hinreichend Wärme in das Material eingedrungen ist, und hat ein erhebliches Setzen zur Folge, wenn die Komponenten zusammengedrückt werden.
Alternative Erwärmungsverfahren umfassen die Anwendung von Ultraschall mit hoher Frequenz (von mehr als 15 Khz) oder das in Vibrationenversetzen der einen Komponente relativ zur anderen mit niedriger Frequenz (gewöhnlich weniger als 200 Hz). Jenes Verfahren ist zwar für kleine Bauteile geeignet, jedoch zum Verbinden großer Flächen unpraktisch, während Vibrationsverfahren zwar bei Thermoplasten angewandt werden, jedoch bei modernen thermoplastischen Zusammensetzungen ungeeignet sind und eine geringe Verbindungsfestigkeit erreichen.
Ein drittes Verfahren, das in der GB-A-2200590 (die nicht vorveröffentlicht ist) beschrieben ist, beruht auf der Erwärmung eines Grenzflächenleiters, z.B. eines dünnen Metallbandes oder -gitters, durch direkte Widerstandserwärmung. Dieses Verfahren, obwohl weitgehend zufriedenstellend, hat den Nachteil, daß ein Fremdmaterial in die thermoplastische Verbindung eingeführt wird. Insbesondere in feuchter Umgebung kann eine Korrosion und ein Durchsickern in Verbindung mit dem metallischen Material zu einer Zerstörung der thermoplastischen Verbindung führen.
In der US-A-4020837, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs offenbart, ist ein Verfahren zum Verbinden von Schichten durch ein zwischen den Schichten angeordnetes Metallgitter beschrieben, wobei durch ein magnetisches Wechselfeld Ströme in dem Metallgitter induziert werden, um Wärme zu erzeugen und die Verbindung zu ermöglichen. Dies führt jedoch zur Einführung eines inkompatiblen Materials (des Drahtgitters), das unerwünscht ist. Ein Verfahren wird vorgeschlagen, bei dem die Einführung inkompatibler Materialien vermieden wird und das rasch durchführbar und sowohl für Punktschweißungen als auch für lange Schweißnähte geeignet ist, wie bei der Überlappungsverbindung großer Flächenmaterialen oder dem Zusetzen von Versteifungen oder Rippen bei einem Flächenmaterial.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Verbinden einer thermoplastichen Schicht mit einem Substrat das Anordnen der thermoplastichen Schicht in Kontakt mit dem Substrat und das Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes, so daß elektrische Ströme in elektrischen Leitern induziert werden, die mit der Schicht und dem Substrat verbunden sind, und die Wärme, die durch die Leiter fließenden Ströme erzeugt wird, bewirkt, daß das thermoplastische Material die Schicht mit dem Substrat verbindet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die thermoplastische Schicht und das Substrat jeweils wenigstens eine Schicht aus im wesentlichen unidirektionalen elektrischen Leitern aufweisen, die in thermoplastischem Material eingebettet und individuell mit diesem überzogen sind.
Vorzugsweise enthält das Substrat eine weitere thermoplastische Schicht oder Zusammensetzung, wobei das thermoplastische Material jeder Schicht weitgehend das gleiche ist. In diesem Fall haben die elektrischen Leiter sowohl des Substrats als auch der thermoplastischen Schicht vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung und enthalten typischerweise Kohlefasern.
Bei dieser Lösung wird der Strom durch Induktion in den Leitern erzeugt. Dies sollte bei dem verfestigten thermoplastischen zusammengesetzten Flächenmaterial angewandt werden, z.B. bei APC-2, um die Materialien und mithin ihre gemeinsame Grenzfläche hinreichend zu erwärmen, um eine Verbindung zu erzielen, und zwar mit oder vorzugsweise ohne ein vorimprägniertes Band als Zwischenschicht. Ein vorimprägniertes Band ist ein geeignetes Implantierungsmaterial für thermoplastische Zusammensetzungen, die Kohlefasern enthalten, z.B. APC- 2, und enthält unidirektionale kontinuierliche Kohlefasern, die in PEEK eingesetzt sind.
Da die leitenden Fasern mit einer thermoplastischen Schicht überzogen und in einem ähnlichen Material eingesetzt sind, z.B. in PEEK, besteht kein Grund, davon auszugehen, daß die Induktionserwärmung ebenso wirkt wie bei leitenden Metallen. So haben Versuche mit derartigen thermoplastischen Zusammensetzungen gezeigt, daß eine Erwärmung mit 100 Khz und sogar mit Frequenzen bis zu 400 Khz nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis führt. Andererseits hat sich eine Erwärmung mit sehr hohen Frequenzen (dielektrische Erwärmung), z.B. mit 100 Mhz oder sogar bis herunter zu 27 Mhz ebenfalls als ungeeignet erwiesen, da sie schwierig zu regeln ist.
Überraschenderweise hat sich eine Induktionserwärmung der ausgehärteten thermoplastischen Zusammensetzung durch Erzeugen eine elektromagnetischen Wechselfeldes in dem bevorzugten Bereich von 1 bis 10 Mhz als geeignet erwiesen, um einen Leitungsstrom in den Leitern zu induzieren, der ausreichend ist, um eine örtliche Erwärmung und Verschweißung zu bewirken. Es wird angenommen, daß Frequenzen im Bereich von 2 bis 4 Mhz besonders geeignet sind für das Material APC-2, das mehrere Schichten des sogenannten vorimpränierten Bandes enthält, die in verschiedenen Richtungen liegen, z.B. 0º, +45º, +90º, -45º usw. Man nimmt an, daß bei diesen Frequenzen eine hinreichend hohe Spannung in den Kohlefasern induziert wird, um einen Durchbruch zwischen den Fasern, zwischen benachbarten Schichten und möglicherweise innerhalb einer Schicht zu bewirken, so daß Kreisströme über die Kohlefasern fließen, die eine Widerstandserwärmung der Kohlefasern bewirken. Diese örtliche Erwärmung erhöht die Temperatur des thermoplastischen Materials bis zum Erweichungs- oder Schmelzpunkt, so daß eine vollständige Verbindung zwischen den Bauteilen, z.B. zwischen Folien aus APC-2, erzielt wird.
Herkömmliche Induktionsheizspulen sind im allgemeinen nicht für dieses Verfahren geeignet, und zwar aufgrund ihrer sperrigen Form. Wir haben daher eine neue Form einer Induktionsheizspule entwickelt, wobei ein Metallblock so bearbeitet wird, daß sich eine Induktionsspule in Form einer rechteckigen oder quadratischen Spirale ergibt. Dies wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Ein Beispiel unserer neuen Induktionsheizspule und einige Beispiele der Wirkungen einer erfindungsgemäßen Induktionserwärmung des Materials APC-2 werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A und 1B zwei Formen von Induktionsheizspulen in einer Zwischenphase ihrer Herstellung,
Fig. 1C bis 1E schematische Seitenansichten eines Beispiels einer Induktionsheizspule in aufeinanderfolgenden Stufen während ihrer Herstellung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Verbinden von Materialien und die
Fig. 3 bis 5 Fotografien, die die Wirkung der Induktionserwärmung verschieden breiter Streifen aus APC-2 veranschaulichen.
Wir haben eine kompakte Induktionsheizspule entwickelt, die aus einem festen Block 3 aus Metall hergestellt ist. In diesen wird ein Wasserkanal 1 geschnitten, vorzugsweise in Form einer rechteckigen (Fig. 1B) oder quadratischen (Fig. 1A) Spirale, zusammen mit einem benachbarten, aber tieferen Kanal 2, der den Luftspalt zwischen den Windungen (Fig. 1C) bildet. Die eingeschnittenen Bahnen werden dann auf ihrer oberen Oberfläche mit einer aus Metall (z.B. Messing) hergestellten Platte 4 (Fig. 1D) abgedeckt, die durch Löten oder Hartlöten mit dem Block verbunden wird, so daß sich zwei nominell rechteckige Kanäle in der gesamten Spirale ergeben. Diese Anordnung wird dann von dem Hauptblock getrennt (Fig. 1E), so daß der tiefere Luftspaltpfad 2 frei liegt, aber der Wasserkanal 1 geschlossen (unversehrt) bleibt, so daß während des Betriebs Kühlwasser durch die Spule geleitet werden kann. Dann wird in die Abdeckplatte ein mit dem Kanal 2 fluchtender kontinuierlicher Spalt geschnitten, um einen Luftspalt oder Abstand zwischen den leitenden Seiten des Kanals zu bilden, der die kompakte rechteckige Spirale bildet. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung einer Spule mit mehreren Windungen (z.B. zwei oder mehr) in einem so kleinen Raum wie 30 x 30 mm. Diese Spule wird mit einer herkömmlichen HF-Stromversorgungsquelle verbunden und kann bei zu verbindenden Materialien angewandt werden, um eine einzige, verhältnismäßig große Grenzflächen-Punktschweißung zu bewirken, oder kann längs einer Überlappungsnaht geführt werden, um eine kontinuierliche Verbindung herzustellen. In allen Fällen wird die Spule in einem kleinen Abstand von den Materialien (z.B. 2 mm) angeordnet, indem z.B. eine Glasplatte dazwischen angeordnet wird. Wie schon gesagt, können Verstärkungsflicken und Versteifungsrippen an einem bestimmten Flächenmaterial angeschweißt werden, indem eine derartige Spule in der erforderlichen Weise längs der Oberfläche des Flächenmaterials (Folie) oder Flickens geführt wird.
Ein Beispiel einer Vorrichtung, in der eine Induktionsheizspule mit der in Fig. 1B dargestellten Form benutzt wird, ist in Fig. 2 dargestellt. Die fertige Induktionsspule (Fig. 1E) ist in einer (nicht dargestellten) Vertiefung eines Pyrophillit-Blocks 10 angeordnet, wobei die Oberseite der Spule mit einer Glasplatte abgedeckt ist, deren Oberseite mit der Oberseite 11 des Blocks 10 fluchtet. Der Block 10 ist auf einer Bodenplatte 12 montiert und zwischen zwei Führungsblöcken 13, 14 (z.B. aus einer Aluminiumlegierung) angeordnet, deren Oberseiten im wesentlichen mit der Oberseite 11 des Blocks 10 fluchten.
Auf der Bodenplatte 12 ist ein im wesentlichen U-förmiges Gestell 15 montiert, das eine mittlere Öffnung 16 aufweist, durch die eine Stange 17 hindurchgeführt ist. Das untere Ende der Stange 17 ist an einem U-förmigen Halter 18 befestigt, an dem zwei Zusammendrückwalzen 19, 20 oberhalb der Oberseite 11 des Blocks 10 montiert sind.
Weitere Andruck- und/oder Führungswalzen können im Bereich der Erstreckung der Stützblöcke 13, 14 vorgesehen sein.
An die Spule wird eine HF-Spannung über wassergekühlte Leitungen 23, 24, die schematisch in Fig. 2 dargestellt sind, aus einer (nicht dargestellten) Betriebsspannungsquelle angelegt. Um zwei zusammengesetzte thermoplastische Flächenmaterialien oder Folien 21, 22 aus beispielsweise APC-2 sich überlappend zu verschweißen, werden die beiden Folien einander überlappend angeordnet und beispielsweise von Hand durch das Gestell 15 so hindurchgeführt, daß der Überlappungsbereich 25 unter den Zusammendrückwalzen 19, 20 hindurchläuft.
Die an die Induktionsspule in dem Block 10 angelegte HF-Spannung erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von 2 bis 4 Mhz, und dadurch werden elektrische Spannungen in den Kohlefasern in den Schichten 21, 22 des Überlappungsbereichs 25 induziert, so daß die Kohlefasern durch Widerstandserwärmung erwärmt werden und infolgedessen das thermoplastische Material oder PEEK, in dem die Kohlefasern eingebettet sind, erweicht oder geschmolzen wird. Das erweichte oder geschmolzene Material wird durch die Walzen 19, 20 zusammengedrückt oder verdichtet, um die thermoplastischen Folien 21, 22 miteinander zu verbinden oder zu verschweißen. Auf das obere Ende der Stange 12 wird durch einen herkömmlichen (nicht dargestellten) Druckkolben oder dergleichen eine Zusammendrück- oder Verfestigungskraft ausgeübt.
In einem weiteren (nicht dargestellten) Verfahren könnte ein vorimprägniertes Band zwischen den Folien 21, 22 in dem Überlappungsbereich 25 eingefügt werden.
Um die Ausgangsleistung der Spule zu eichen und eine Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, kann der Erwärmungseffekt der Spule an einem Flußeisenblech, das über der Spule aufgehängt wird, unter Verwendung von Flüssigkristallen beobachtet werden.
Auf einer Flußstahlplatte (z.B. 150 mm x 250 mm x 1 mm) wird eine Flüssigkristallfarbe (z.B. BDH Thermodynamics Flüssigkristallfarbe, die 34,2ºC anzeigt) aufgetragen und ein Kreis mit einem Durchmesser von 45 mm auf der Oberfläche markiert. Die Platte wird, zur Erzielung der besten Ergebnisse, 16 mm oberhalb der Spule aufgehängt. Bei voller Ausgangsleistung des verwendeten 1 Kw-Generators stieg die Temperatur in dem markierten Kreis innerhalb von 15 Sekunden auf wenigstens 34,2ºC an.
Dieses Verfahren liefert zwar kein absolutes Maß für die durch die Spule übertragene Leistung, hat sich jedoch als ein reproduzierbares Verfahren zum Einstellen der Einrichtung herausgestellt.
In dem zusammengedrückten bzw. verdichteten Material APC-2 gibt es einen ausgeprägten Erwärmungseffekt, der an seinem Rand noch gesteigert wird, wo - wahrscheinlich - eine weitere Möglichkeit für einen Durchbruch und einen Stromdurchfluß zwischen Fasern und Faserschichten besteht. Beim Erwärmen eines schmalen Streifens (dessen Breite gleich oder kleiner als die der entsprechenden Spule ist) werden daher die Ränder bevorzugt erwärmt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Ein ähnlicher Effekt wird bei einer Überlappungsverbindung zwischen Folien erzielt, bei denen die freiliegenden Ränder des Überlappungsbereichs ebenfalls bevorzugt erwärmt werden. Dies ist vorteilhaft, weil es sicherstellt, daß eine gute Verbindung erzielt wird, während außen freiliegende Risse vermieden werden. Das Bestreben des zusammengesetzten Materials zu delaminieren, und/oder der Faserschichten sich zu verzerren, wenn eine übermäßige Erwärmung erfolgt, wird auf einfache Weise durch Ausübung eines Drucks auf die freiliegenden Oberflächen, entweder während und/oder unmittelbar nach dem Schweißvorgang, vermieden. Derartige Andruckstempel oder -walzen (z.B. die Walzen 19, 20) müssen in der Nähe der Spule aus nichtmetallischem Material bestehen und vorzugsweise eine feinbearbeitete glatte Oberfläche haben. Wenn notwendig, kann ein Entformungsmittel auf der Oberfläche derartiger Druckstempel oder -walzen aufgetragen werden, um das Ankleben der erwärmten thermoplastischen Zusammensetzung zu vermeiden.
Wenn die Überlappung oder Breite des Materials zwischen den Rändern wesentlich kleiner als die entsprechende Breite der Spule ist, herrscht der Randeffekt vor, doch wird er hinreichend schnell weitergeleitet, so daß die mittleren Bereiche angemessen erwärmt werden, siehe Fig. 4. Wenn dagegen die Breite der Überlappung oder des Streifens erheblich größer als die der Induktionsspule ist, ergeben sich erwärmte Zonen, die den Spulenabmessungen entsprechen, aber nicht an den freiliegenden Rändern, die entfernt vom Magnetfeld liegen, siehe Fig. 5.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung örtlicher oder Punktschweißungen, aber auch kontinuierlicher Schweißnähte. Eine Flicken-Schweißung oder -verbindung kann ebenso leicht mittels der Induktionsspule ausgeführt werden, und zwar entweder mit den gleichen Abmessungen wie die der Flicken, so daß der Randeffekt unmittelbar gesteigert wird, oder - bei einem größeren Flicken - um die vier Ränder in der Nähe der Spule der Reihe nach zu durchlaufen. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn die Spule auf der gleichen Seite wie der Flicken liegt, letzterer bevorzugt erwärmt wird. Wenn die Spule dagegen auf der dem Flicken abgekehrten Seite liegt (d.h. in der Nähe des Haupt-Flächenmaterials), dann wird letzteres stärker erwärmt. Doch wird der Flicken angeschweißt, wenn eine hinreichende Temperatur an der Grenzfläche, bei Verfestigung unter Anwendung von Druck, erreicht worden ist.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden einer thermoplastischen Schicht (22) mit einem Substrat (21), bei dem die thermoplastische Schicht mit dem Substrat in Kontakt gebracht und ein elektromagnetisches Wechselfeld angelegt wird, so daß in elektrischen Leitern, die mit der Schicht und dem Substrat verbunden sind, elektrische Ströme induziert werden und die Wärme, die durch die durch die Leiter hindurchfließenden Ströme erzeugt wird, bewirkt, daß das thermoplastische Material die Schicht mit dem Substrat verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Schicht und das Substrat jeweils wenigstens eine Schicht aus im wesentlichen unidirektionalen elektrischen Leitern aufweist, die in thermoplastischem Material eingebettet und individuell mit diesem überzogen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrischen Leiter in dem Substrat (21) und in der thermoplastischen Schicht (22), die mit dem Substrat verbunden werden soll, die gleiche Zusammensetzung aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die elektrischen Leiter Kohlefasern aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Induktionsvorgang das Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 10 Mhz umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Frequenz des elektromagnetischen Feldes im Bereich von 2 bis 4 MHz liegt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die thermoplastische Schicht APC-2 aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die thermoplastische Schickt eine aromatische polymere Zusammensetzung aufweist, die Schichten aus unidirektionalen Kohlefasern, die mit Polyetherketon überzogen sind, umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ferner eine weitere thermoplastische Schicht auf der einen thermoplastischen Schicht aufgebracht wird, bei dem die eine thermoplastische Schicht zwischen dem Substrat und der weiteren thermoplastischen Schicht angeordnet wird und bei dem das Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes das Verbinden der weiteren thermoplastischen Schicht mit dem Substrat über die eine Schicht bewirkt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Leiter in der thermoplastischen Schicht sich quer zu den Leitern in dem Substrat erstrekken.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das elektromagnetische Feld durch eine Induktionsspule mit wenigstens zwei seitlich auseinanderliegenden Windungen erzeugt wird,

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Windungen in einem Bereich von 30 mm x 30 mm angeordnet sind.