DE69728426T2

DE69728426T2 - Heissschweissen von kunststoffen mittels strahlung

Info

Publication number: DE69728426T2
Application number: DE69728426T
Authority: DE
Inventors: John Wood
Original assignee: Wood John Raunds
Current assignee: Wood John Raunds
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: ES2214629T3; AU3551097A; GB9614659D0; EP0958128A2; EP0958128B1; US6270599B1; CA2260958A1; DE69728426D1; DK0958128T3; WO1998002294A2; WO1998002294A3; ATE263017T1; PT958128E

Description

Feld der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für das Heissschweißen eines Teils über einem Saum in einem anderen Teil, wie die Anbringung einer Plastikfolie oder eines Plastikstreifens als eine Versiegelung über einen Saum von Plastik oder von mit Plastik beschichtetem Material.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung wurde angestoßen insbesondere relativ zu der so genannten Insituform(Registriertes Warenzeichen)-Röhre, die in einem herstellerspezifischen Prozess oder Verfahren der "no-dig"-Auskleidung von typisch unterirdisch verlegten Versorgungsrohren für Dienste und Nützlichkeiten verwendet werden. Eine flexible Röhre aus beschichtetem, gewebtem oder filzartigem Folienmaterial mit einem genähten Saum wird leicht installiert z. B. durch Inversion unter Nutzung eines Wasserstoßes in ein existierendes Rohr, und gewöhnlich vor einer Imprägnierung mit einem unter Wärme aushärtendem Plastikmaterial, wie Polyester oder Epoxid-Kunststoff. Wasserdruck von geeigneter Größe innerhalb solcher Röhre kann sie ausdehnen und eng an die Innenfläche des Gastgeberrohrs drücken; und nachfolgendes Erhitzen des Wassers typisch mittels Zirkulation eines oberirdischen Heizers kann helfen, den Kunststoff zu einer festen, haltbaren Auskleidung oder erneuten Auskleidung existierender Gastgeberrohre auszuhärten, welche typisch Durchmesser von etwa 100 mm oder weniger bis zu 3 m oder mehr haben.
Typisch wird eine solche Insituform-Röhre hergestellt auf einem Produktionsband durch Zusammennähen der langen Ränder eines gefalteten, mit Plastik beschichteten Filzmaterialstreifens angemessener Breite, um eine flach liegende Röhre der gewünschten Größe zu bilden. Die Beschichtung des Filzmaterials wird gewöhnlich durch den Filzhersteller/Filzlieferanten vor dem Versand zu der Produktionsfabrik der Insituform-Röhre vorgenommen und besteht gewöhnlich aus thermoplastischem Material, insbesondere Polyurethan (PU) oder Polyethylen (PE) mit einer Dicke von gewöhnlich bis zu 0,5 mm. Es ist wichtig, dass die Insituform-Röhre eine vollständig versiegelte Rohrauskleidung nach der Installation ab gibt; und jedes Vorkommen von Lecks oder Aussickern von imprägnierendem Kunststoff während der Installation ist problematisch, d. h. muss vermieden werden. Die Versiegelung des Saums der flach liegenden Röhre im Lieferzustand zu den Einbauplätzen für die Installation ist somit erforderlich und muss in guter Qualität und zuverlässig durchgeführt werden. Zwei Verfahren der Saumversiegelung sind bekannt oder sind vorgeschlagen worden.
Ein solches Verfahren beruht auf Verbinden eines Plastikbands über dem Saum mittels Lösungsmittel, wobei das PU-Band typisch eine Breite von etwa 65 mm und eine Dicke etwa 0,3 mm hat und Tetrahydrafuran (THF) als Lösungsmittel verwendet wird. Während die benötigten Geräte leicht in die Produktionsbänder für PU-beschichtete, flach liegende Röhren mit genähtem Saum eingefügt werden können, sind praktische Lösungsmittel nicht verfügbar, die ähnliche Möglichkeiten für PE-beschichtete Filze leisten. Darüber hinaus kann die Verwendung von THF bei PU-beschichteten Röhren Bedenken von Gesundheit und Sicherheit auslösen.
Das andere solcher Verfahren beruht auf der Extrudierung eines Wulstes von geschmolzenem Plastik auf die genähten Säume und dann dem flachen Ausrollen des immer noch weichen, extrudierten Wulstes und dem Bedecken/Versiegeln des Saums einschließlich dem Verschweißen mit der Beschichtung. Während dieses Verfahren im Prinzip sowohl auf PU-Beschichtungen als auch PE-Beschichtungen angewendet werden kann, gibt es praktische Probleme. Wegen der Heizungserfordernisse und der Steuerung relativ zu den Fließkennwerten, die erreicht und dann erhalten bleiben müssen, ist die Wulstproduktion nicht leicht willkürlich zu beginnen und zu beenden. Das ergibt Konflikte mit Normen für Produktionsbänder für Insituform-Röhren mit genähtem Saum, bei denen der Betrieb der Nähmaschine und der Filzführung tendenziell häufig unterbrochen wird, also stoppt. Tatsächlich erscheinen zwei getrennte Produktionsstufen erforderlich zu sein, was unvermeidlich zu Duplikation von Materialstapelung und Zuführungssystemen und zu zusätzlichem Personalbedarf führt. Auch ist die Geschwindigkeit der Verarbeitung des Wulsts durch die Abkühlrate des verwendeten Plastikmaterials begrenzt, was besonders für PE langsam ist und somit zu der Anforderung führt für beträchtliche Auslaufräume u. s. w. vor weiterer Handhabung und/oder für Kühlgeräte, deren Installation kostspielig sein würde. Extrusion sieht daher wie eine kostspielige Option aus hinsichtlich ausgeklügeltem Kapitaleinsatz für die Extrusion und möglicher Weise auch für die Kühlung.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel dieser Erfindung ist, ein alternatives Verfahren und/oder alternative Einrichtungen vorzusehen, die solche Probleme mindestens in Anwendungen für die Herstellung von Insituform-Röhren abschwächen können.
Nach einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird ein Heissschweißen eines Teils über einem Saum in einem anderen Teil herbeigeführt durch Anwendung von Strahlung durch das eine Teil zu einer oder mehreren Schichten zwischen dem einen Teil und den anderen Teilen und durch das Vorhandensein von Einschlüssen über deren Dicke hinweg, wobei die Einschlüsse auf die Strahlung reagieren und die Temperatur der Schicht(en) über ihre Dicke hinweg anheben und Verbindungen an den Schnittstellen der Teile fördern; und durch Anwenden von verbindungsförderndem Druck, der über die Dicke der Schicht(en) gerichtet ist, die verformbar durch die Hitze gemacht wurden, die durch die Einschlüsse absorbiert wurde, wobei der Druck durch Mittel herbeigeführt wird, die einen frei rollenden oder gleitenden Kontakt mit dem Teil herstellen.
Vorzugsweise macht die durch die Einschlüsse absorbierte Hitze die Schicht(en) verformbar, und der Druck, der quer zu den Schichten angelegt wird, um die Teile zusammen zu bringen, verformt die Schichten, um Unregelmäßigkeiten der Schnittstellen aufzunehmen; und wobei das eine Teil eine niedrige thermische Leitfähigkeit und ausreichende Dicke hat, um an seiner anderen Oberfläche kühl genug zu sein, um an ihr einen freien Rollkontakt oder Gleitkontakt zu ermöglichen, wobei der Druck angelegt wird mittels solch eines Rollkontakts oder Gleitkontakts.
Die Strahlung kann nur durch das eine Teil eingebracht werden und wird vorzugsweise teilweise (typisch weniger als 50%) in die Schicht(en) durch die anderen der Teile zurück reflektiert; wobei die Strahlung in das eine Teil eingebracht werden kann durch eine oder die Einrichtung, die damit Rollkontakt oder Gleitkontakt herstellt; und die Reflexion durch das andere Teil kann stattfinden nach der Übertragung von der Schicht durch die Schnittstelle zu der strahlungsdurchlässigen Beschichtung auf dem anderen Teil.
Das erste und das zweite überlagerte Komponententeil der Schicht(en) kann Einschlüsse haben, die bei sequentiellem Zusammentreffen mit der Strahlung wie oben angegeben in geringerem bzw. größerem Maß reagieren.
Die Strahlung kann infrarote Strahlung (vorzugsweise in der Nähe des sichtbaren Lichts) sein, für die das eine Teil im Wesentlichen transparent ist, wobei die Schicht(en) sowohl durchlässig als auch in die Einschlüsse absorbierend sind.
Die Schicht(en) und das eine Teil können einen Versiegelungsstreifen darstellen, der auf das andere Teil aufzubringen ist, gewöhnlich über einem genähten Saum des anderen Teils; und solch ein Versiegelungsstreifen stellt einen zweiten Aspekt der Erfindung einschließlich der Ausführung als Schichten von thermoplastischem Material dar, das im Wesentlichen dasselbe oder ein ähnliches Material sein kann für alle die Schichten außer für die Einschlüsse im Inneren oder in einer oder mehrerer tieferen Schichten, oder kann mindestens verträglich für das Zusammenschweißen sein. Äußere der Schichten wie das eine Teil sind vorzugsweise im Wesentlichen vollständig durchlässig für die infrarote Strahlung.
Ein geeigneter Schweißapparat kann eine strahlungserzeugende Einrichtung umfassen, einschließlich der Quelle der infraroten Strahlung und öffnungsdefinierenden Einrichtungen innerhalb eines hohlen Rohrs, das im Wesentlichen für die Strahlung transparent ist, um einen Rollkontakt mit einer Einrichtung herzustellen, mit der oder durch die der erzeugte Strahl der infraroten Strahlung eingebracht wird.
Nach einem dritten Aspekt dieser Erfindung wird ein Apparat vorgesehen für das Heissschweißen eines Teils über einem Saum in einem anderen Teil unter Verwendung einer oder mehrerer erhitzter Schichten, die zwischen dem einen Teil und dem anderen Teil zwischengelegt sind und Einschlüsse über die Dicke hinweg haben und auf Strahlung reagieren, um die Temperatur der Schicht(en) über ihre Dicke hinweg zu erhöhen für die Förderung von Schweißverbindungen an den Schnittstellen mit Oberflächen der Teile, wobei der Apparat umfasst: eine Einrichtung für das Zwischenlegen der Schicht(en) zwischen die Teile, eine Einrichtung für das Einbringen der Strahlung in die Teile mit der/den zwischengelegten Schicht(en), eine Einrichtung zum Herstellen eine Rollkontakts oder Gleitkontakts mit einem der Teile bei dem Anlegen von verbindungsförderndem Druck über die Dicke der Schicht(en) hinweg, und eine Einrichtung für das Bewegen der bestrahlten Teile weg von der Einrichtung für das Einbringen der Strahlung.
Zwei frühere Patentspezifikationen nehmen unterschiedlichen, spezifischen Nutzen von einem Material, das spezifisch infrarote Strahlung absorbiert, zwischen anderen thermoplastischen Stücken, die transparent/durchlässig für infrarote Strahlung sind, um sie miteinander zu verbinden, nämlich Rohrenden an eingepassten, überlappenden Beziehungen (WO-A-95/21737) und überlagerten, verlängerten Riemenabschnitten (EP-A-0 337 776). Das erste zieht eine vorbereitende, zwangsweise Verjüngung eines Rohrendes vor, um innerhalb des anderen Rohrendes hineinzupassen, und Wärmewiedergewinnung bei interner infraroter Heizung mit externer Ringbeschränkung. Das letzte verlangt ein Halten der Riemenabschnitte über eine konkav gebogene Oberfläche und unbehindertem Zugang für eine Infrarotquelle zu der Position eines zwischengelegten, Infrarot absorbierenden Fleckens. Keine der beiden Anwendungen weisen auf die Anwendung von wesentlichem verbindungsförderndem Druck mittels eines Rollkontakts oder Gleitkontakts hin.
In einigen Umsetzungen der Aspekte des Verfahrens und des Apparats dieser Erfindung ist eine Bewertung für die Schweißung(en) vorgesehen, die durch eine oder mehrere strahlungserhitzte Schichten unter einer für Strahlung durchlässigen Schicht hergestellt sind, wobei die Bewertung die Verwendung einer Wärmebildkamera einschließt, um durch die durchlässige Schicht hindurch Strahlung von der/den erhitzten Schichten zu erkennen, die unterschiedlich ist von der Strahlung, die Erhitzung für Schweißzwecke verursacht.
Allgemein kann in Umsetzungen des Systems und Apparats dieser Erfindung die Herstellung von Teilen, die durch Schweißen verbunden werden, eine oder mehrere erhitzte Schichten betroffen sein, welche zwischen zwei der Teile zwischengelegt sind, wobei die Schicht(en) Einschlüsse über die Dicke hinweg haben und auf Strahlung reagieren, um die Temperatur der Schicht(en) über die Dicke hinweg für die Förderung von Schweißverbindungen an Schnittstellen mit den Oberflächen der Teile zu erhöhen, und wobei die Herstellung vorsieht: das Zwischenlegen der Schicht(en) zwischen die Teile, das Einbringen der Strahlung in die Teile mit einer oder mehrerer zwischengelegten Schicht(en) und das Wegbewegen so bestrahlter Teile von der Einrichtung für das Einbringen.
Die Einrichtung für das Zwischenlegen kann dazu dienen, eines der Teile zusammen mit der/den Schicht(en) zuzuführen; und es kann weiter vorgesehen sein, das Schweißen der bestrahlten Teile zu bewerten, z. B. unter Verwendung einer Wärmebildkamera, wie oben angeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine spezifische beispielhafte Verwirklichung dieser Erfindung wird nun veranschaulicht und beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine Umrissdarstellung ist, die ein Produktionsband für flach liegende Insituform-Röhren zeigt, einschließlich der Stufen der Saumherstellung, der Versiegelung und der Bewertung;
2A und 2B Schnittdarstellungen von Schweißbändern mit einer bzw. zwei Heissschweißschichten sind, wobei jede Schicht mit begleitender Anzeige der Wärmeabsorption/-emission gezeigt wird;
3A und 3B Umrissschnittdarstellung und Seitenrißdarstellung eines Saumversiegelungsschweißkopfes sind;
4A und 4B Umrissschnittdarstellung und Seitenrißdarstellung eines anderen Saumversiegelungsschweißkopfes sind; und
5 eine axiale Umrissdarstellung ist, die eine Wärmebildkamera für Schweißungsinspektion zeigt.
Beschreibung spezifischer Ausführungsformen
In 1 wird ein mit Plastik beschichtetes Filztuch 10 von einer Versorgungsspule 11 gezeigt, wie es durch eine Führungs- und Faltstation 12 durchläuft, die dazu dient, seine langen Ränder zusammenzubringen für das Bilden eines Saums in einer flach liegenden Röhrenform 10T unter Verwendung der Nähmaschine 13, die in bevorzugter Zuordnung gezeigt wird mit einer Saumnahtinspektions-/-verifizierungseinrichtung, welche gezeigt wird, dass sie eine geeignete optische Kamera 14 umfasst. Ein Schweißkopf 15 für das Abdecken und Versiegeln des Saums wie bei 13, 14 genäht und verifiziert ist angezeigt in Zuordnung mit einer Wärmebildkamera 16 für die Inspektion und das Verifizieren der geschweißten, den Saum abdeckenden Versiegelung, die unter dem Kopf 15 produziert wurde, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Der Schweißkopf 15 wird im Betrieb gezeigt mit zwei Bändern 17 und 18, die von den Versorgungsspulen 17R und 18R als oberes (oder äußeres) bzw. als unteres (oder inneres) Band zwischen dem Schweißkopf 15 und dem verifizierten, genähten Saum der flach liegenden Röhre 10T zugeführt werden, und spezifisch auf die äußere Plastikbeschichtung 20 auf der inneren Filzschicht 19 gedrückt werden, siehe Pfeil 15P, für vorteilhafte Druckanwendung und -übertragung z. B. durch/von Gewichten oder einer unter Druck stehenden Flüssigkeitseinrichtung über den Schweißkopf 15 selbst.
1 zeigt auch den Steuerungskasten 21 für elektrische/elektronische, typisch rechnergestützte Steuerung des Betriebs und der Datensammlung von den optischen und thermischen Kameras 14, 16 und dem Tachometer 22; und des Betriebs der Nähmaschine 13, des Schweißkopfs 15 und der Zuführungswalzen 23 für das beschichtete Filzmaterial 10 und die Röhre 10T nach Faltung, Säumung und Versiegelung. Auf Wunsch könnte natürlich ein zusätzlicher oder alternativer, gesteuerter Antrieb einer der Spulen 11, 17R und 18R erfolgen.
Wie gezeigt, läuft das beschichtete Filzmaterial im Betrieb von rechts nach links in 1, gezogen durch die Walzen 23 mit einer geeigneten Produktionsgeschwindigkeit, z. B. etwa 12 m/min. Der flache Streifen 10, der von der Spule 11 abgewickelt wird, wird in Führungen u. s. w. 12 gefaltet und durch die Nähmaschine 13 am Rand genäht, und es werden irgendwelche Nähfehler über die Kamera 14 erkannt. Unter Steuerung durch den Rechner über eine Schnittstelle sind Kameras vom Bandüberwachungstyp für die Inspektion des Nähergebnisses bekannt, zusammen mit Software mit Algorithmen für die Erkennung von Fehlern, z. B. fallengelassene Stiche, unterbrochene oder zerfaserte Fäden, Ungleichmäßigkeiten, u. s. w. Die Erkennung eines solchen Fehlers führt normaler Weise automatisch zu einem Produktionsstop der Insituform-Röhre und angemessener Richtigstellung, wodurch die Versiegelung schlechter Nähergebnisse verhindert wird. Der Schweißkopf 15 sollte somit ar beiten, um nur in Beziehung zu einer Röhre 10T abzudecken und zu versiegeln, die korrekt genäht wurde.
Perfektes Schweißen beruht effektiv auf einer durch das Band 17 repräsentierten, äußeren Schicht, die im Wesentlichen für die für Schweißzwecke verwendete Strahlung transparent ist, um somit keine oder nur wenig Wärme und gewiß nur Wärme in keinem signifikanten Ausmaß zu absorbieren; und auf einer inneren und unteren, durch das Band 18 repräsentierten Schicht zwischen der äußeren Schicht (Band 17) und der äußeren Beschichtung 20 der Filzmaterialröhre 10T mit solcher Wärmeabsorption für die Strahlung, dass seine Temperatur erhöht sein wird, um eine Schweißung zwischen der aufgebrachten äußeren Schicht (Band 17) und der äußeren Beschichtung 20 des Filzes 10/der Röhre 10T zu erreichen. Einschlüsse, die eine teilweise Übertragung ermöglichen, sind wichtig, um solche Wärmeabsorption sicherzustellen und passend Aufweichung oder teilweises Schmelzen, vorzugsweise im Wesentlichen vollständiges Schmelzen, einen Zustand für vorteilhaftes, praktisches Schmelzen zu erreichen. Die dem vorgesehenen thermoplastischen Material eigene thermische Leitfähigkeit ist sehr niedrig, und die bevorzugten Dicken der inneren und unteren Schicht 18 (mit ihren vorbestimmten absorbierenden Einschlüssen) und der äußeren Schicht 17 (mindestens normaler Weise frei von solchen Einschlüssen) sind leicht in solcher Beziehung, dass selbst ein oberflächliches Schmelzen der letzten Schicht (17) an der Kontaktschnittstelle mit der ersten geschmolzenen Schicht (18) und unter angelegtem Druck sich nur wenig in ihre Dicke erstreckt, und nicht zu einer starken Erhöhung der Temperatur ihrer äußeren Oberfläche führt, was nicht ausreichend ist, um signifikante Probleme abzugeben. Tatsächlich ist für eine innere oder untere Schicht 18 von viel geringerer Dicke als die äußere Schicht 17 und bei Bestrahlung mit ausreichender Intensität, um eine Schweißungsaufweichung der inneren oder unteren Schicht 18 bei vorgesehener Produktionsbandgeschwindigkeiten (z. B. 12 m/min) zu erreichen, die Diffusion der Wärme nach außen so gering und langsam, dass Temperaturen der am weitesten außen liegenden Oberfläche deutlich unter 100°C und typisch vielleicht nicht mehr als etwa 50°C praktikabel sind und nicht signifikant entlang dem Produktionsband erhalten bleiben, wahrscheinlich weniger als einen Meter, mindestens für praktische Plastikmaterialien, wie etwa Polyethylen niedriger Dichte für beide Schichten (17, 18), für welche die Schmelztemperatur der inneren Schicht 150°C bis 200°C betragen kann. Offensichtlich gelten nicht unähnliche Betrachtungen für die äußere Plastikbeschichtung 20, an die eine Schweißung erforderlich ist, und die ge wöhnlich auch transparent sein wird, einschließlich optischer Transparenz für den wichtigen Zweck der visuellen Bewertung des Fortschreitens und des Ausmaßes der Imprägnierung und nachfolgender Aushärtung mit flüssigem, wärmehärtendem Kunststoff während der Installation in einem gastgebenden Rohr.
Das Erreichen des Schmelzzustands der inneren Schicht(en) 18 oder mindestens eine ausreichende Aufweichung für eine Verformung unter dem bevorzugten Anlegen von Druck während des Schweißens ist selbst für dünne Schichten in starkem Maß wünschenswert hinsichtlich der intensiven Aufnahme von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche, gleich ob solche Vertiefungen von dem darunter liegenden Filz oder von den Saumnähten die Beschichtung durchdringen. Die Dicken der unteren oder inneren Schicht von etwa 0,2 mm bis 0,5 mm können einen Ausgleich der Nahtstiche fördern.
Die Vermeidung hoher Pigmentierung unterer oder innerer Schichten (18) ist ebenfalls insbesondere dann vorteilhaft, wenn es möglich bleiben soll, den Fortschritt und das Ausmaß der Imprägnierung, der nachfolgenden Aushärtung des thermisch aushärtenden Kunststoff u. s. w. am Einsatzort visuell zu beobachten, was bevorzugt wird. Es ist wichtig, in der Lage zu sein, Bereiche mangelhafter Imprägnierung und/oder Aushärtung, offenkundig den Saum einschließend, zu erkennen und dann zu berichtigen, denn sonst kann ein Fehler im Betrieb ernste Konsequenzen haben und nur teuer zu reparieren sein. Darüber hinaus würde eine hohe Pigmentierung solcher Schicht 18, welche die oben angegebene Übertragung der Heizstrahlung zulässt, das Erreichen der erwünschten, die gesamte Dicke erfassende Aufweichung/Schmelzung zugunsten eines unnützen Schmelzens nahe der Oberfläche nur an der Schnittstelle zu Schicht 17 unmöglich machen.
Es ist besonders vorteilhaft, in der Lage zu sein, solche leicht verfügbaren Einschlüsse wie Kohlschwarz zu verwenden, um die obigen Vorzüge für eine ausreichende Heizung einschließlich einer im Wesentlichen die gesamte Dicke erfassenden Schmelzung/Aufweichung und eine sich daraus ergebende Pigmentierung zu erreichen, die leicht genug ist, die oben angegebene spätere Beobachtung der thermisch aushärtenden Kunststoffimprägnierung u. s. w. zu ermöglichen, d. h. ohne nach Einschlüssen mit unterschiedlicher Transparenz/Absorptionsfähigkeit für infrarotes und sichtbares Licht zu suchen.
Praktischer Weise sind Einschlüsse von Kohlschwarz für innere oder untere Schichtmaterialien abhängig von der gewünschten Anwendung der Ausführungsformen dieser Erfindung zu verändern. Für die Abdeckung und Versiegelung von genähten Säumen von Insituform-Röhren unter Verwendung solcher Schichten von etwa 0,25 mm bis 0,6 mm Dicke aus Polyethylen niedriger Dichte hat sich jedoch als praktisch herausgestellt, Kohlschwarz (Vulcan P) einer Partikelgröße von etwa 2 nm in einem Gehalt von etwa 0,11% bis 0,47% nach Gewicht zu verwenden. Dies Beispiel wird natürlich auf einer nicht begrenzenden Basis angegeben. Zu berücksichtigende Faktoren für jede spezifische Verwirklichung dieser Erfindung kann eine Extrapolation von einer solchen spezifischen Implementierung in einem Verhältnis von etwa 2 : 1 für die Übertragung/Absorption des angewendeten Infrarotlichts (typisch grundsätzlich im nahen Infrarotspektrum) umfassen. Eine Durchlassrate von etwa 30% hat sich als besonders wirksam mindestens dort erwiesen, wo ein Reflexionsgrad von etwa 75% für die Heizstrahlung durch das normalerweise weiße Filzmaterial 19 unter der Beschichtung 20 mit klarem Polyethylen vorliegt. Solch ein Reflexionsgrad kann von signifikanter Hilfe sein in Beziehung zum Erreichen ausreichend gleichmäßiger Schmelzung/Aufweichung der inneren oder äußeren Schicht 18 über ihre Dicke hinweg im Kontext mit unvermeidbarer exponentiell verringerter Intensität der Strahlung und somit der Absorptionsrate (durch die Einschlüsse) mit der Eindringtiefe ausgehend von der Oberfläche des Einfalls. Ferner kann es als hilfreich gefunden werden, die gewünschte Aktion hiervon so zu sehen, dass die (mit der Dicke) fortschreitende Natur der Aufnahme von Energie von der Heizstrahlung hinsichtlich irgendeines Abschnitts der Tiefe der Schmelz-/Aufweichschicht einbezogen ist, welche gedanklich ihre eigene lokale Quelle der Hitze hat und sich nicht auf thermische Leitfähigkeit verläßt.
Ein Gehalt an Einschlüssen, der über die Dicke nicht konstant und idealer Weise ansteigend ist, würde nützlich sein und den Fall einschließen, in dem nur wenig oder im Wesentlichen kein Reflexionsgrad von dem Filz (oder seiner Beschichtung) wie oben dargestellt vorliegt; und die Verwendung wird ins Auge gefasst von zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlichen, fortschreitend stärker absorbierendem Gehalt an Einschlüssen, selbst von Einschlüssen als solchen, mindestens jedoch für Parameter wie Größe u. s. w. Es kann natürlich hilfreich sein, einen Reflexionsgrad vorzusehen durch solche Mittel, wie die Spezifizierung reflektierender Einschlüsse, wie Bariumsulfat oder Titanoxid in der Beschichtung 20 und/oder solches in oder auf den untersten Schichten oder der untersten Oberfläche des Schweißmaterials 18 vorzusehen.
2A und 2B zeigen einzelne und doppelte, innere oder untere Schichten 18 und 18A, 18B zwischen einer klaren, aufgelegten äußeren Schicht 17 und der Beschichtung 20 auf Filzkernmaterial 19; zusammen mit idealisierter Umrissbezeichnung 25A, 25B der Absorption pro Einheitstiefe für die eingebrachte infrarote Heizstrahlung auf und durch die äußere klare Schicht 17. Solche Absorptionsrate, die in den klaren Schichten 17 und 18 minimal ist und nur zu einer Heizung nahe der Oberfläche eines hoch pigmentierten Filzes 19 führt, ist fortschreitend, allgemein exponential reduziert beim Durchlaufen der einzelnen Schicht 18 oder durch jede der Schichten 18A und 18B mit unterschiedlich vielen (weniger bzw. mehr), die Absorptionsrate für infrarotes Licht bestimmenden Einschlüssen. Ein wünschenswerter Vorteil davon, dass einiges der die Schicht 18 oder die Schichten 18A und 18B durchlaufenden Heizstrahlung wieder in solche Schicht(en) zurück reflektiert wird, ist in den Darstellungen 23A und 23B impliziert, könnte aber geringer ausfallen durch einen Entwurf vielfacher Absorptionsschichten und geringerem, von dem Filzmaterial 19 vorgesehenen Reflexionsgrad, oder sonstiges, um eine gleichmäßigere Erhitzung der Schicht 18 oder der Schichten 18A und 18B zu fördern. Jedoch kann die zusätzliche oder sogar alternative Nutzung oder teilweise Nutzung solcher durchgereichten, anfangs nicht absorbierter Strahlung mittels Einschlüssen in der oder die Beschichtung 20 überlagernd erfolgen, um dazu zu dienen, einige Maßnahmen der zusätzlichen Heizung mindestens an der Schnittstelle mit der/den Schicht(en) 18 vorzusehen. Die Anzeigen 25A, 25B werden für die Schicht(en) 18 und 18A, 18B auf reflektierte Strahlung natürlich umgekehrt verlaufen (d. h. auf den Kopf gestellt).
Insgesamt ist natürlich das Ziel, die Erhitzung der Schicht(en) 18 in einer möglichst gleichmäßigen Weise über ihre Dicke hinweg zu maximieren, wobei letztendlich das Kriterium ist, dass eine befriedigende Verschweißung erreicht wird. Die Einbringung intensiver infraroter Strahlung über eine kurze Strecke, z. B. aber nicht begrenzend auf etwa 50 mm, produziert weich verformbare Zustände bis Schmelzzustände durchgängig in der/den Schicht(en) 18, d. h. genügend hohe Temperaturen für ziemlich geringe Eingabeenergien; und der ausgeübte Druck, z. B. durch Gewicht oder Druckflüssigkeitseinrichtungen auf den Schweißkopf 15 ist wirksam, um ein Fließen des Materials der Schicht(en) 18 zu erreichen.
Andere nützliche Optionen umfassen die vorsätzliche Förderung von Streuung und Einfangen der Heizstrahlung mindestens in der Schicht 18, gleich ob durch Einschlüsse für die Verbesserung der Heizwirkung oder durch andere Einschlüsse; und/oder die Förderung wiederholter Reflexionen durch obere oder äußere reflektierende Spiegel, wie leicht am/durch den Schweißkopf 15 erreicht werden kann, oder selbst durch geeignete leichte Beschichtung der äußeren Schicht 17; und/oder Anwendung dieser Erfindung in Fällen, in denen Strahlung von beiden Seiten der erwünschten Schweißung möglich ist, typisch auf und durch angemessen durchlässige, zu verbindende Teile/Folien. Machbare variable/einstellbare Faktoren von Bedeutung ermuntern stark die Entwicklung und Verwendung von Rechnermodellen, um bei der Auswahl der Variablen für eine bestimmte Anwendung der Erfindung zu helfen, einschließlich vieler anderer als Versiegelung von genähten Säumen von Insituform-Röhren.
Unter Hinwendung auf 3A und 3B umfasst ein passender Schweißkopf ein äußeres transparentes walzenförmiges Rohr 31, das frei in einer Lagerung 32 drehen kann und ein intern reflektierendes, allgemein C-förmiges, geschlitztes Teil 33 umschreibt, welches eine reflektierende Innenfläche aufweist, die an einen Hohlraum 34 grenzt, der so gezeigt wird, dass er ein kreisförmig angeordnetes Feld von Heizlampen 35 aufnimmt. Der reflektierende Hohlraum, der das Teil 33 bildet, wird so gezeigt, dass er bei 36 nach unten offen ist, außer für die Bereitstellung eines Filters 37, um unerwünschte Strahlung zu blockieren, aber mindestens die Strahlung der Wellenlänge(n) durchzulassen, die für die Erhitzung und Schweißung über die Schicht 18 erwünscht ist. Mindestens für Anwendungen unter Benutzung von Einschlüssen von Kohlschwarz, wie die oben beschriebenen Anwendungen, liegt die interessierende Strahlung im Bereich zwischen etwa 0,5 μm und etwa 2 μm, und wird gerichtet sein aus der Öffnung 36 und dem Filter 37 heraus, welche in der Produktionsrichtung eine Abmessung von etwa 50 mm haben. Solche in der Schicht zu absorbierende Strahlung, die sogar zu ihrem Schmelzen führen soll, wird nicht dazu führen, dass die Außenfläche der Schicht 17 aufgeheizt wird, um an dem walzenförmigen Rohr 31 ohne die Schicht anzuhaften, aber jede die Transparenz beeinflussende Aufnahme von Fremdmaterial kann beobachtet werden über eine passende, längliche, optische Einrichtung 38. Die Lampen 35 können von jedem geeigneten Typ sein, z. B. Glühlampen oder Gasentladungslampen oder pulsierendes Blitzlicht und eine Kühlung mit Ventilatoren wird normaler Weise vorgesehen werden, siehe 39. Das transparente walzenförmige Rohr 31 kann typisch aus Silika- oder Quarzantschmelze sein, und das Filter 36 kann aus vielfachen Schichten bestehen, vorzugsweise aus demselben Plastikmaterial wie die Schichten 17, 18, um so fundamentale Absorptionsbänder zu entfernen, die organischen Polymeren eigen sind, und somit das Risiko von Oberflächenheizeffekten zu reduzieren, welche zu einem Anhaften an der Walze 31 und/oder zu unerwünschten Hintergrundbildkomponenten über die thermische Kamera 16 führen könnten.
4A und 4B zeigen einen alternativen Schweißkopf, der einen unterschiedlichen Reflektorblock 43 aufweist, welcher die Lampen 45 in individuell reflektierenden (vorzugsweise die Strahlkomponenten ausrichtenden) Rücksprüngen 44 in einem gebogenen Feld aufnimmt und zwischen die Seitenplatten 44A und 44B geschraubt ist und auch Lager 42 für das Walzenrohr trägt.
Es kann vorteilhaft sein, einen Schweißkopf vorzusehen, der generell ähnlich sein kann wie jene von 3 und 4, aber nicht maschinenmontiert, sondern geeignet ist für handgehaltenen Betrieb, z. B. um Reparaturen an lokalisierten Fehlern beim Schweißen auszuführen.
Die Wärmebildkamera 16, die an einer passenden Stelle hinter dem Schweißkopf 15 aber vor dem Punkt liegt, an dem thermische Ausgeglichenheit erreicht ist, hat die Aufgabe, Fehler der Schweißung zu erkennen und die Konsistenz auf dem Band zu überwachen. Ein Fehler der Schweißung kann sich ergeben als Folge einer Verschmutzung z. B. durch Fremdkörper, einem Lampenfehler, u. s. w. Temperaturgradienten werden über der Breite der Schweißung auf der Oberfläche 17 überwacht, und somit das tatsächliche Fortschreiten des in der/den Schicht(en) 18 erzeugten Hitzeimpulses bei der Ausbreitung nach außen zur Außenseite der Schicht 17. Information von diesem Bild kann Punkte lokalisieren, an denen ein vollständiger Schweißkontakt versagt hat, z. B. bei einem höheren als normalen/durchschnittlichen Temperaturimpuls auf der Oberfläche, der von einem schlechten oder von gar keinem Kontakt mit der beschichteten Filzschicht 19, 20 während der Schweißung herrührt vielleicht weil die Masse der Beschichtung auf dem Filz so kalt ist, dass es zuviel Wärme von der/den Schicht(en) 18 abgezogen hat; und bei einem niedrigeren als normalen/durchschnittlichen Temperaturimpuls, der schlechten thermischen und somit wahrscheinlich schlechten mechanischen Kontakt zwischen der/den erhitzten Schicht(en) 18 und der äuße ren Schicht 17 anzeigt. Ein in einem Kasten 21 liegender Steuerungscomputer ist leicht dazu programmiert, solche Bedingungen zu erkennen und das Produktionsband anzuhalten, damit Reparaturen bewirkt werden können.
5 zeigt eine praktische Wärmebildkamera 16, die typisch Linien abtastend arbeitet und ein kontinuierliches x-, y-Bild z. B. mit einer x- und y-Auflösung von 0,5 mm der Temperatur quer über den und entlang des versiegelten Saums mit Nähstichen 51 durch den beschichteten Filz 19, 20 unter den Schichten 17, 18 abgibt. Die Kamera 16 hat eine Linse aus Germanium 52, welche die angezeigte Strahlungsstrahlen durch ein Filter 53 auf ein gekühltes Lichtleiterfeld 54 fokussiert, welches auf einer Wärmesenke 55 montiert ist mit Verbindungen 56A, 56B zu einer Platine 57, die digitalisierte Schnittstellenelektronik trägt, und dann zu dem Verbinder 58 für Signale zu und von einem Rechner in dem Kasten 21, der dazu dient, die Signale zu verarbeiten, um heiße Flecken und kalte Flecken, und auch schwarze Flecken und klare Flecken im Schweißband, u. s. w. zu identifizieren.
Die Wärmebildkamera 16 kann in einem zum Schweißkopf 15 unterschiedlichen Strahlungsbereich arbeiten und vorzugsweise arbeitet sie dort auch, insbesondere in einem Bereich mittleren Infrarots mit Wellenlängen von etwa 3 μm bis etwa 8 μm (verglichen mit Infrarot nahe dem sichtbaren Bereich von etwa 0,5 μm bis 2 μm vom Schweißkopf 15). Strahlung bei solch unterschiedlichen Wellenlängen kommt von der Heizwirkung in der/den Schicht(en) 18, und geeignete Erkennungstechnologien umfassen eine Bleiselenid-Platinsilizid-Thermosäule. Die Wärmebildkamera 16 muss mehr die nahezu durchschnittliche Temperatur der geschmolzenen Schicht(en) 18 überwachen als nur die Oberflächentemperatur der äußeren Schicht 17 (die unvermeidbar von einer standardmäßigen, nicht selektiven Wärmebildkamera z. B. unter Verwendung einer Erkennung durch billigeres Siliziumdioxid erfasst würde) oder der Schnittstelle zwischen der transparenten äußeren Schicht 17 und der Schweißschmelzschicht 18 (was vorkommen könnte, falls die Schmelzschicht 18 stärker pigmentiert als hier angegeben ist).
Dementsprechend dient das Filter 53 dazu, Strahlung im nahen Infrarot zurückzuweisen, die in großem Maß von der Schweißwärmequelle stammt. Es ist natürlich zu verstehen, dass die äußere Schicht 17, die notwendiger Weise oder bevorzugt für nahes Infrarot (vom Schweißkopf 15) und optisch (für die Bewertung der thermisch aushärtenden Imprägnie rung) transparent ist, auch transparent sein muss für das interessierende mittlere Infrarot zur Wärmebildkamera 16, das durchzulassen das Filter 53 vorzugsweise eng abgestimmt ist. Auch ist die Schweißschmelzschicht 18 halbwegs abstrahlend (bei ausreichend leichter Pigmentierung), um zuzulassen, dass ausgestrahlte mittlere Infrarot-Wärmestrahlen im mittlere Infrarot von tieferen Stufen durch die Schicht 17 hindurch zu der Kamera 16 gelangen.
Tatsächlich wird/werden die Schweißschicht(en) 18 derart sein, dass sie auch hohe Abstrahlung für die Wellenlänge(n) im mittleren Infrarot hat/haben, auf welche die Wärmebildkamera 16 empfindlich ist. In der Praxis gibt es eine wesentliche Korrespondenz zwischen dem Erreichen der gewünschten Abstrahlungsfähigkeit und dem Erreichen der gewünschten Absorption für die Schweißschicht 18. Die Differenz, die durch die gewünschte Abstrahlungsfähigkeit im mittleren Infrarot und der Absorptionsfähigkeit im nahen Infrarot repräsentiert wird, hat nicht notwendiger Weise zur Folge, dass unterschiedliche Einschlüsse für die zwei Zwecke zu verwenden sind. Tatsächlich ist die Abstrahlungsfähigkeit thermische Strahlung eines heißen Körpers und somit das Umgekehrte der Absorption für Heizzwecke, und ein einziges Rechnermodell kann für die Spezifikation der Einschlüsse verwendet werden, und die oben angeführten spezifischen Partikel von Kohlschwarz haben in zufriedenstellendem Maß für beide Zwecke in der/den inneren/unteren Schweißschmelzschicht(en) 18 gedient.
Praktisch sieht die Wärmebildkamera 16 ein thermisches Signal, das für jeden Punkt in dem Bild der Energie von der Oberseite der Schicht(en) 18 als das stärkste Signal entspricht, aber mit hinzugefügten Signalen von tieferen Stufen (die fortschreitend aufgeweicht wurden, aber mit demselben exponentiellen Abfall wie er für Absorption gilt, d. h. nach dem Gesetz von Beer). Die Abstrahlungsfähigkeit der Schicht(en) 18 kann auch repräsentiert werden wie bei 25A, 25B in 2A, 2B.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Verwendung von sichtbarer Strahlungsenergie und von Strahlungsenergie im nahen Infrarot, die mit teilweise absorbierenden Einschlüssen zusammenwirkt, und der gleichzeitig angelegte mechanische Druck für das Verschweißen eines Versiegelungsstreifens über einem Saum, typisch als ein Laminat von klarem Band und Band mit gesteuerten Zusätzen auf eine Beschichtung, die sich bereits auf einem Material wie Filz befindet, gewöhnlich mit Bändern und Beschichtung von im Wesentlichem demselben thermoplastischen Material, hat besondere Vorteile bei flach liegenden Insituform-Röhren, einschließlich der Freiheit von Begrenzungen und Abhängigkeiten der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Der Prozess der Einbringung der Strahlungshitze ist viel schneller als das Verlassen auf der thermischen Durchdringung durch Plastikmaterial mit der ihm eigenen niedrigen thermischen Leitfähigkeit/Diffusionsfähigkeit und ergibt hohe thermische Gradienten ohne eine Verbrennung zu verursachen oder nicht ausreichende Heizung zu riskieren.
Jedoch werden viel breitere Anwendungen solcher Techniken hiervon vorhergesehen, wo immer es einen Bedarf für das Verbinden von Teilen durch Schweißung unter Verwendung von Hitzeabsorption in einer zwischengelegten Schicht gibt.

Claims

Verfahren zum Hitzeverschweißen eines Elementes (17) über einer Naht in einem anderen Element (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Applizieren von Strahlung durch das eine Element (17) auf (eine) Schicht(en) (18; 18A, B) zwischen dem einen (17) und dem anderen (10) Element und mit Einschlüssen in deren Dicke, wobei diese Einschlüsse auf die genannte Strahlung ansprechen, indem sie die Temperatur der genannten Schicht(en) (18; 18A, B) durch deren Dicke erhöhen und Bindungen an Grenzflächen mit Oberflächen der genannten Elemente (10, 17) fördern; und Aufbringen von Bindungsunterstützungsdruck (15P) durch die Dicke der genannten Schicht(en) (18; 18A, B), die durch von den genannten Einschlüssen absorbierte Hitze verformbar geworden sind, wobei der genannte Druck (15P) mit Mitteln (31) aufgebracht wird, die einen freien Wälz- oder Gleitkontakt mit einem genannten Element (17) herstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Strahlung nur durch das genannte eine Element (17) appliziert wird und durch das genannte andere (10) der genannten Elemente wenigstens teilweise zurück in die genannte(n) Schicht(en) (18; 18A, B) reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die genannte Strahlung auf das genannte eine Element (17) durch die genannten Mittel (31) appliziert wird, das in Wälz- oder Gleitkontakt damit kommt.
Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 3, bei dem die genannte Reflexion durch das genannte andere Element (10) nach der Übertragung von der/den genannten Schicht(en) (18; 18A, B) durch die Grenzfläche auf eine strahlungsdurchlässige Beschichtung (20) auf dem genannten anderen Element (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste und der darauf liegende zweite Bestandteil der genannten Schicht(en) (18A, B) Einschlüsse aufweisen, die, wenn die genannte Strahlung nacheinander auf sie trifft, jeweils zu einem stärkeren oder geringeren Grad wie oben beschrieben reagieren.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die genannte Strahlung infrarot ist, gegenüber der das genannte eine Element (17) transparent ist, wobei die genannte(n) Schicht(en) (18; 18A, B) in die genannten Einschlüsse sowohl durchlässt/durchlassen als auch absorbiert/absorbieren.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zum Schweißen eines Verschlussstreifens (17) über die genannte Naht des genannten anderen Elementes (10), wobei die genannte(n) Schicht(en) (18; 18A, B) und das genannte eine Element (17) den genannten Streifen bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der genannte Verschlussstreifen (17, 18) über eine Stichnaht des genannten anderen Elementes (10) aufgebracht wird.
Verschlussstreifen für den Gebrauch in dem Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, umfassend (eine) Schicht(en) (17), die im Wesentlichen gänzlich durchlässig für Infrarotstrahlung als das genannte eine Element ist, wobei die genannte(n) Schicht(en) (17) eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine ausreichende Dicke haben, um auf ihrer/n anderen Oberfläche(n) kühl genug zu sein, um einen freien Wälz- oder Gleitdruckbeaufschlagungskontakt damit zuzulassen, und wobei (eine) weitere Schicht(en) (18; 18A, B) aus thermoplastischem Material Einschlüsse in deren Dicke aufweist/aufweisen, um einen Teil der einfallenden Infrarotstrahlung beim Erhitzen der genannten Schicht(en) (18; 18A, B) bis zu einem Verschweißzustand in Bezug auf das andere genannte Element (10) zu absorbieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend den Schritt des Beurteilens der genannten Bindung mittels einer Thermobildkamera (16), um durch die genannte durchlässige Schicht (17) Strahlung von der/den genannten erhitzten Schicht(en) (18; 18A, B) zu erkennen, die sich von der Strahlung unterscheidet, die deren Erhitzung für Schweißzwecke bewirkt.
Schweißvorrichtung für den Gebrauch in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend Strahlerzeugungsmittel (33–37) mit einer Infrarotstrahlungsquelle (35) und Blendendefinitionsmittel (33, 36), beide in einer drehbaren Hohlröhre (31), die für die genannte Strahlung im Wesentlichen transparent ist, um einen Wälzkontakt mit einem zu verschweißenden Element (17) herzustellen und Bindungsunterstützungsdruck auf ein solches aufzubringen, und durch die der erzeugte Strahl der genannten Infrarotstrahlung appliziert wird.
Vorrichtung zum Hitzeverschweißen eines Elementes (17) über einer Naht in einem anderen Element (10) unter Verwendung von/einer erhitzten Schicht(en) (18; 18A, B), die sich zwischen dem einen (17) und dem anderen (10) Element befindet/befinden, und mit Einschlüssen in deren Dicke, wobei diese Einschlüsse auf die genannte Strahlung ansprechen, indem sie die Temperatur der genannten Schicht(en) (18; 18A, B) durch die Dicke erhöhen und Schweißbindungen an Grenzflächen mit Oberflächen der genannten Elemente (10, 17) fördern, wobei die Vorrichtung Mittel (18R) zum Einlegen der genannten Schicht(en) (18; 18A, B) zwischen die genannten Elemente (10, 17), Mittel zum Applizieren der genannten Strahlung auf die genannten Elemente (7, 10) mit der/den genannten Zwischenschicht(en) (18; 18A, B), Mittel (31) zum Herstellen eines Wälz- und Gleitkontakts mit einem (17) der genannten Elemente unter Beaufschlagung von Bindungsunterstützungsdruck (15P) durch die Dicke der genannten Schicht(en) (18; 18A, B) und Mittel (23) zum Bewegen der so bestrahlten genannten Elemente (10, 17) von dem genannten Applikationsmittel (15) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das genannte Einlegemittel (18R) dazu dient, eines (17) der genannten Elemente zusammen mit der/den genannten Schicht(en) (18; 18A, B) zuzuführen (17R).
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, ferner umfassend Mittel (16) zum Beurteilen der Verschweißung der genannten bestrahlten Elemente (10, 17).
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das genannte Beurteilungsmittel (16) eine Thermobildkamera (16) beinhaltet, die auf andere Strahlung reagiert, die aufgrund der Erhitzung der genannten eingelegten Schicht(en) (18; 18A, B) entsteht und die durch das genannte eine Element (17) wirkt, das für die genannte Erhitzung und die genannten anderen Strahlungen durchlässig ist.