DE4131442A1 - Verfahren zum verschweissen von kunststoffprofilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein bekanntes Verfahren zum Verschweißen von Kunststoff­ profilen ist das Preßstumpf-Schweißverfahren. Dies wird bei der Herstellung von Rahmen für Fenster und Türen aus Kunststoffprofilen überwiegend angewendet.

Bei diesem bekannten Preßstumpf-Schweißverfahren werden die Kunststoffprofile zunächst an ihren Stirnseiten durch Andrücken gegen einen Schweißspiegel erwärmt und nach einem Entfernen des Schweißspiegels unter Druck zusammen­ gepreßt und damit verschweißt. Die in den Randzonenbe­ reichen der Kopfenden befindliche Materialmasse wird dabei durch den Fügedruck des Anpressens in Form einer Schweiß­ nahtausbildung aus der Fügeebene herausgepreßt. Nach dem Abkühlen im Schweißzonenbereich kann die geschweißte Pro­ filecke aus der Schweißmaschine entnommen werden. Nach weiterem Abkühlen bis auf Raumtemperatur erreicht die Schweißnahtverbindung ihre maximale Festigkeit.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist mit diesem vor­ stehend beschriebenen Preßstumpf-Schweißverfahren, welches eine ungehinderte Ausbildung der Schweißnaht erlaubt, die gegenwärtig höchste Festigkeit der Schweißverbindung er­ zielbar. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen erheb­ lichen Arbeitszeitaufwand für das saubere Verputzen der Schweißnaht an den Sichtflächen. Der Arbeitszeitaufwand ist dabei abhängig von der Menge des ausgewulsteten Materials.

Eine Reduzierung der Schweißnahtauswulstung ist gegenwär­ tig nach dem Stand der Technik dadurch möglich (DE-OS 23 12 362), daß man Preßstumpf-Schweißmaschinen mit zusätz­ lichen Einrichtungen zur Begrenzung der Schweißnahtwurzel versieht. Diese Einrichtungen sind messerförmig ausge­ bildet und werden beim Preßstumpfschweißen gemeinsam mit den Spannvorrichtungen in Fügerichtung vorgeschoben. Die entstehende Schweißraupe wird damit in ihrer freien Aus­ bildung behindert und bei einigen Verfahren bis auf wenige Zehntel Millimeter im Schweißnahtwurzelbereich eingeengt.

Bei einem Begrenzen der Schweißnahtwurzeldicke auf wenige Zehntel Millimeter mit Hilfe einer entsprechenden Einrich­ tung sinkt die Schweißnahtfestigkeit gegenüber dem unbe­ hinderten Preßstumpf-Schweißverfahren und gegenüber einer Spaltweite von ca. 2 mm drastisch ab. Es kommt zu Festig­ keitsreduzierungen um 50% und mehr. Wenn man diesem Nach­ teil dadurch entgegenwirkt, daß man den Begrenzungsspalt erheblich größer ausbildet, wachsen zwar die Schweißnaht­ festigkeitswerte, gleichzeitig entsteht aber auch die un­ erwünschte Verdickung der Schweißnahtwurzel, welche eine intensive Nacharbeit erfordert.

Es ist auch bereits ein Verfahren bekannt (DE-GM 74 18 207), bei dem unmittelbar nach Beendigung des Schweißvor­ gangs das über die ursprüngliche Außenkontur vorragende Material der Schweißnaht mit Hilfe von Messern abgeschert wird, die bis zum Zusammentreffen ihrer Schneiden zusam­ mengefahren werden. Ein derartiges Verfahren hat den Nach­ teil, daß zwar die Ausbildung der Schweißnahtwurzel wie bei der einfachsten Ausführung des Preßstumpf-Verfahrens zunächst unbedingt erfolgen kann, daß aber die so erzeugte Schweißnaht in ihrer Festigkeit dadurch deutlich reduziert wird, daß durch das Abscheren des störenden, über die ur­ sprüngliche Außenkontur vorstehenden Materials die Struk­ tur der Schweißnaht erheblich verändert wird mit der Folge, daß zwar in einfacher Weise eine Schweißverbindung hergestellt wird, welche optisch ansprechend ist und prak­ tisch keine Nacharbeit erfordert, welche jedoch technisch wegen ihrer geringen Festigkeit unzureichend ist.

Es bilden sich Einfallstellen, das heißt Saugstellen zu beiden Seiten der Schweißnaht aus.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche eine Erhöhung der Schweißnahtfestigkeit gegenüber den bekannten Verfahren erzielen, den Aufwand für eine Nachbearbeitung der Schweißnaht jedoch gleichwohl niedrig halten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren laufen die Prozesse des unbehinderten Preßstumpfschweißens und der Schweiß­ nahtwurzeldickenbegrenzung zeitlich nacheinander ab. Es erfolgt dabei zunächst eine freie unbehinderte Ausbildung der Schweißnaht wie bei der einfachsten Form des Preß­ stumpf-Schweißverfahrens. Erst nachdem die Schweißnaht sich unbehindert ausgebildet hat, werden über getrennt steuerbare Vorschubeinheiten die Einrichtungen zur Begren­ zung der Schweißnahtwurzeln an den Außenflächen der Profile in Fügerichtung eng zusammengefahren. Bei diesem Zusammenfahren wird das über die ursprüngliche Außen­ flächenkontur vorragende Material im plastischen Zustand bis zur ursprünglichen Außenkontur zurückgedrückt. Dieses Zurückdrücken erfolgt außerhalb des verbleibenden Spalt­ bereichs, der dem Restabstand der zusammengefahrenen Be­ grenzungseinrichtungen erfolgt. Das Zurückdrücken erfolgt dabei innerhalb einer Zeit, in der die Viskosität des Schweißnahtzentrums immer noch niedriger ist als die Vis­ kosität des zur Innenfläche weisenden Schweißnahtbereichs. Dabei bildet der zur Innenfläche weisende Schweißnaht­ bereich ein Widerlager für den beim Vorfahren der Begren­ zungseinrichtungen zu verdrängenden Kunststoff. Es ent­ steht bei diesem Verfahren eine Verbesserung des Material­ gefüges, die zu einer erheblichen Steigerung der Schweiß­ nahtverbindung gegenüber allen bekannten Schweißverfahren für Kunststoffprofile führt. Die Oberfläche des Kunst­ stoffprofils auf der Außenseite oder Sichtfläche wird nicht durch einen Materialabtrag beeinträchtigt. Der Arbeitsaufwand für die Nachbearbeitung der Schweißnaht kann ebenso gering gehalten werden, wie bei dem bekannten Preßstumpf-Verfahren, bei dem Begrenzungseinrichtungen zu­ sammen mit den Klemmbacken vorgefahren werden. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der Festigkeit der Schweißnaht gegenüber allen bekannten Ver­ fahren. Dabei werden gleichzeitig die Vorteile der unter­ schiedlichen Verfahren erreicht, ohne jeweils deren Nach­ teile in Kauf nehmen zu müssen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Schweißverfahrens in der Erwärmungsphase der Stirnfläche mit einem Schweißspiegel,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 bei ausgetauchtem Schweißspiegel und zusammengepreßten Stirn- und Schweißflächen,

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 2 bei bis auf einen engen Spalt zusammengefahrenen Einrich­ tungen zur Begrenzung der Schweißnahtwurzel,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Schweißnaht bzw. Schweißnahtwurzel entsprechend IV in Fig. 3,

Fig. 5 ein schematisches Schnittbild mit Material­ fließlinien bei einer Schweißnahtausbildung ohne jede Begrenzung (RAL-Verschweißung),

Fig. 6 eine zu Fig. 5 analoge Darstellung, welche eine mechanische Nachverdichtung mit einer ersten Art von Verdichtungseinrichtung zeigt,

Fig. 7 eine Darstellung analog zu Fig. 5, die eine mechanische Nachverdichtung mit einer zweiten Art von Nachverdichtungseinrichtung zeigt.

Zwei Kunststoffprofile 1 und 2 sind in Fig. 1 in Anlage an einen Schweißspiegel 15 gezeigt. In dieser Position werden die Stirnbereiche der beiden Kunststoffprofile 1 und 2 bis auf Schweißtemperatur erwärmt. Danach wird der Schweißspiegel 15 quer zur Fügerichtung, welche durch die Pfeile 3 und 4 symbolisiert ist, gemäß Fig. 1 nach oben zurückgezogen. Das Kunststoffprofil 1 ist im Spannelement 5 fixiert, das Kunststoffprofil 2 im Spannelement 6.

Das Spannelement 5 besitzt zwei das Profil 1 von unter­ schiedlichen Seiten erfassende Klemmbacken, die mit den Spannflächen 5a und 5b an den Außenflächen 1a und 1b des Kunststoffprofils 1 anliegen. Das Betätigen der Klemmbacken erfolgt über eine Kolben-Zylinder-Einheit 5c.

In analoger Weise wird das Kunststoffprofil 2 von dem Spannelement 6 fixiert. Dessen Spannbacken liegen mit den Spannflächen 6a und 6b an den Außenflächen 2a und 2b des Kunststoffprofils 2 an. Das Betätigen der Spannbacken erfolgt mittels der Kolben-Zylinder-Einheit 6c.

Auf den Außenflächen 1a und 1b des Kunststoffprofils 1 liegen zwei Einrichtungen zur Begrenzung der Schweißnaht­ wurzel an, die mit 7 und 8 bezeichnet sind. Die Ein­ richtung 7 kann mit Hilfe der Kolben-Zylinder-Einheit 11 in Richtung des Pfeils 3 und entgegengesetzt verfahren werden. Dabei liegt sie ständig eng an der Außenfläche 1a an. Die Einrichtung 9 bewegt sich in gleicher Weise und zu gleicher Zeit auf der Außenfläche 1b und wird mit Hilfe der Kolben-Zylinder-Einheit 13 betätigt.

In analoger Weise erfolgt die Betätigung der Einrichtungen 8 und 10 über die Kolben-Zylinder-Einheiten 12 und 14. Auch die an den Außenflächen 2a und 2b anliegenden Ein­ richtungen zur Begrenzung der Schweißnahtwurzeln mit den Bezugszeichen 8 und 10 gleiten an den Außenflächen 2a und 2b des Kunststoffprofils 2 entlang.

Sobald der Schweißspiegel 15 gemäß Fig. 1 nach oben ent­ fernt worden ist, werden die beiden Kunststoffprofile 3 und 4 in Fügerichtung gemäß Pfeilen 3 und 4 zusammen­ gefahren. Es ist möglich, daß ein Kunststoffprofil fest­ steht und sich lediglich das gegenüberliegende Kunst­ stoffprofil bis zur Bildung der Preßstumpf-Schweißnaht bewegt, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.

Das Verschieben erfolgt durch eine entsprechende Bewegung mindestens eines Spannelements in Fügerichtung. Das Spann­ element kann dabei auf einem in Fügerichtung beweglichen Maschinentischbereich befestigt sein.

Nach der ungestörten Ausbildung der Schweißnaht werden die vier Einrichtungen zur Begrenzung der Schweißnahtwurzel in Richtung auf die Schweißnaht bis zur Bildung eines engen Spalts vorgefahren. Dabei schnüren die im vorderen Bereich messerartig, jedoch nicht scharf, ausgebildeten Einrich­ tungen (vgl. Fig. 4) das über die Außenflächen 2a bzw. 1a vorstehende Material der Schweißnaht ein. Der Bereich 2d ist nach dem Zurückziehen der Einrichtungen über einen dünnen Steg mit dem Material der beiden verschweißten Kunststoffprofile 1 und 2 verbunden. Dieses überstehende Material 2d kann leicht mit einer Klinge von der Ober­ fläche entfernt werden. Der nach innen ausgewulstete Be­ reich 2c (vgl. Fig. 4) der Schweißnaht bleibt unver­ ändert. In Fig. 4 ist mit a der gesamte Bereich be­ zeichnet, der durch die Erwärmung und das Zusammenpressen während des Schweißvorgangs verändert wird.

Fig. 5 zeigt in größerem Detail ein Schnittbild mit Mate­ rialfließlinien durch eine Schweißstelle, wie sie beim un­ gehinderten Preß-Stumpf-Schweißen entsteht, das als "RAL- Schweißen" bezeichnet wird. Mit 21 ist die Kernzone be­ zeichnet, welche die höchste Schweißnahtfestigkeit auf­ weist. Daran schließt sich beidseitig nach außen jeweils eine Übergangszone 22 mit verminderter Schweißnahtfestig­ keit an, an die sich wiederum ganz außen Rollzonen ohne Schweißnahtfestigkeiten anschließen. Mit a, b und c sind Materialfließlinien bezeichnet. d ist die Dicke der ver­ schweißten Materialprobe.

Zu beiden Seiten der zentralen, quer zur Profilerstreckung verlaufenden Mittelebene schließen sich auf der Innenseite jeweils Zonen g und h der Erwärmung an und auf der Außen­ seite mit k und l bezeichnete Zonen der Erwärmung. Mit e ist die äußere Zone der ungehinderten Aufstauchung und mit f die innere Zone der ungehinderten Aufstauchung bezeich­ net, welche jeweils von der äußeren bzw. inneren Ober­ fläche der Materialwand bis zur Einschnürung gemessen wird.

Bei einer Materialstärke d von 3 mm ergeben sich folgende Werte:

Die Zonen g, h, k und 1 erstrecken sich über ca. 4 mm. Die Zonen f und e der ungehinderten Aufstauchung betragen ca. 0,3 mm.

Fig. 6 zeigt die Ausbildung nach dem Zusammenfahren von zwei speziellen Einrichtungen zur Begrenzung der äußeren Schweißnahtwurzel. Die Einrichtung besitzt zwei zum Zen­ trum gegeneinander verschiebbare Walzen 31, welche einen Radius r aufweisen. Die Walzen 31 sind an Haltern 30 be­ festigt. Die Walzen 31 liegen an der Außenfläche 1a bzw. 2a an und fahren mit einer zeitlichen Verzögerung gegen­ über dem Vorfahren der beiden Kunststoffprofile nach der freien unbehinderten Ausbildung der Schweißnaht zusammen. Das Zusammenfahren erfolgt bis auf einen Restabstand m. Bei diesem Vorfahren drücken die Walzen 31 das über die ursprüngliche Außenflächenkontur 1a bzw. 2a vorstehende, um die Beträge e und f aufgestauchte Material im plasti­ schen Zustand im wesentlichen außenhalb des verbleibenden Spaltbereichs bis zur ursprünglichen Außenkontur zurück.

Dabei erfolgt das Zurückdrücken innerhalb einer Zeit, in der die Viskosität des Kunststoffs im Schweißnahtzentrum immer noch niedriger ist als die Viskosität des zur Innen­ fläche weisenden Schweißnahtbereichs. Auf diese Weise bildet der zur Innenfläche weisende Schweißnahtbereich beim Vorfahren der Einrichtungen ein Widerlager für den zu verdrängenden Kunststoff und es entsteht eine Nachver­ dichtung.

Der Restspalt mit einer Breite m beträgt vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm. Der Radius r beträgt vorzugsweise 0,25 bis 1 mm.

Fig. 7 zeigt Einrichtungen 40 zur Begrenzung der Schweiß­ nahtwurzel, welche um eine schräg gestellte Drehachse 41 drehbar sind. Auch diese Einrichtungen besitzen einen Radius r, der die Kontur im Bereich des Restspalts m bestimmt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffprofilen, bei dem beide miteinander zu verschweißenden Kunststoffprofile an ihren Stirnflächen bis auf Schweißtemperatur erwärmt und nach dem Erwärmen bis zur Anlage der Stirn­ flächen aneinander zusammengefügt werden, wobei beim Zusammenfügen Aufwulstungen des erwärmten Materials sowohl an den Außenflächen als auch an den gegenüber­ liegenden Innenflächen entstehen und wobei an den Außenflächen der Profile anliegende Einrichtungen zur Begrenzung der äußeren Schweißnahtwurzel vor dem Aus­ härten der äußeren Aufwulstung zusammengefahren werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfahren der an den Außenflächen anlie­ genden, die Schweißnahtwurzel begrenzenden Einrichtun­ gen mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem Vor­ fahren der Kunststoffprofile und nach der freien, unbe­ hinderten Ausbildung der Schweißnaht erfolgt, und zwar bis zu einem Restabstand, wobei die Einrichtungen das erwärmte, über die ursprüngliche Außenflächenkontur vorragende Material im plastischen Zustand im wesentli­ chen außerhalb des verbleibenden Spaltbereichs bis zur ursprünglichen Außenkontur zurückdrücken, wobei das Zu­ rückdrücken innerhalb einer Zeit erfolgt, in der die Viskosität des Kunststoffs im Schweißnahtzentrum immer noch niedriger ist als die Viskosität des zur Innen­ fläche weisenden Schweißnahtbereichs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Innenfläche weisende Schweißnahtbereich beim Vorfahren der Einrichtungen ein Widerlager für den zu verdrängenden Kunststoff bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Begrenzung der äußeren Schweißnahtwurzel bis auf einen Restspalt von 0,2 bis 0,5 mm zusammengefahren werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Begrenzung der äußeren Schweißnahtwurzel mit einer zeitlichen Verzögerung von mehr als 3 Sekunden zusammengefahren werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (7, 8, 9, 10; 30, 31; 40) an der den Restspalt (m) bildenden Stirnseite einen Radius (r) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r) 0,25 bis 1 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Begrenzung der äußeren Schweißnahtwurzeln schneidenartig mit Radius (r) ausge­ bildet sind, wobei eine Fläche der Schneide entlang der neu zu bildenden Außenkontur des Kunststoffprofils verschiebbar ist.