DE69921017T2 - Verbinden durch Aufschmelzen von Bauteilen aus thermoplastischem Harz - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus thermoplastischem Kunststoff unter Anwendung von Wärme und Kraft sowie ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein elektrisches Widerstandsheizelement zwischen zwei durch Verschmelzen zu verbindenden thermoplastischen Formteilen liegt und die Wärmeenergiezufuhr durch Strom erfolgt, sodass die Fügeteile lokal plastifiziert und miteinander verbunden werden.
  • Ein solches Verfahren ist in EP 0823 321 A1 offenbart.
  • Dieses Verfahren ist in der Praxis äußert effizient beim Schweißen von Fügeteilen, weil die Einrichtung hierfür einfach ist und abträgliche Auswirkungen auf die innenliegenden Teile und auf das Aussehen des Produktes fehlen, da das Verfahren aus einer kurzzeitigen Wärmeeinwirkung besteht.
  • Bei der vorstehenden Veröffentlichung sind Elektroden in eine Öffnung eingesetzt, die den Kontakt zu dem Widerstandsheizelement herstellen und den Schweißstrom liefern. Bei diesem Verfahren ist das Widerstandsheizelement von außen nicht sichtbar.
  • Nach GB 800820 liegt ein Heizdraht zwischen zwei Elektroden und Kühlluft wird von außen zugeführt. In DE 43 36 293 liegt der Heizdraht zwischen zwei Elektroden, durch die Luft strömt. Weder in dem einen noch in dem anderen Fall besteht ein Kontakt zwischen Stabelektroden, die gegen den Heizdraht gepresst werden.
  • Guten elektrischen Kontakt erreicht man nur, wenn auf die Elektroden ausreichend starker Druck ausgeübt wird. Beispielsweise ein Druck von etwa 3 × 106 N/M2 (3 N/(mm2) auf die Elektrode. Problematisch kann es werden, wenn sich das Widerstandsheizelement erwärmt und der Kunststoff unmittelbar am Punkt des Elektrodenkontakts in den plastischen Zustand gelangt, so dass die Elektrode in den Kunststoff eintaucht oder sich das Formteil verformt. Dies führt zu schlechtem Elektrodenkontakt.
  • Abhilfe für dieses Problem kann darin bestehen, die Wandstärke zu erhöhen, um Deformation zu vermeiden. In vielen Fällen ist dies jedoch wegen der Art des Formteils nicht möglich, insbesondere wenn dieses dünn ist.
  • Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren und ein Gerät zu schaffen, mit denen die Elektrode unter ausreichendem Anpressdruck gegen das Widerstandsheizelement angelegt werden kann, ohne dass am Fügeteil lokaler Verzug entsteht. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein Schweißverfahren zu schaffen, das von der jeweiligen Konstruktion des Fügeteils oder des Widerstandsheizelementes unabhängig ist und außerdem sicherstellt, dass die Energiezufuhr durch Strom ohne komplizierte Justierungen bezüglich Heizzeit und Elektrodenanpressdruck auskommt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Anspruch 1 definiert.
  • Das erfindungsgemäße Gerät ergibt sich aus dem Anspruch 3.
  • Die Erfindung wird außerdem beschrieben und dargestellt anhand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen.
  • 1A zeigt perspektivisch eine den Schweißstrom anlegenden Elektrode,
  • 1B ist eine Querschnitt der Elektrode aus 1A,
  • 1C zeigt eine Endansicht der Elektrode aus 1A;
  • 2 zeigt eine zusammengebaute Elektrode;
  • 3 zeigt das Verschweißen an einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 4 ist eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach 3;
  • 5 zeigt eine Einzelheit im Schnitt der Schweißelektrode im Kontakt mit dem Widerstandsheizelement und
  • 6 zeigt das Verschweißen eines zweiten Ausführungsbeispiels.
  • Das erste Ausführungsbeispiel nach 1A ist eine Gesamtansicht der Schweißelektrode 10 und 1B zeigt diese im Schnitt und 1C zeigt eine Endansicht auf die Kontaktfläche 12 der Schweißelektrode 10. Die Schweißelektrode 10 besteht bei dieser Ausführungsform aus einem Kupferstab von 3 mm Durchmesser, der im Zentrum von einem Kanal 11 von 1 mm Durchmesser durchsetzt ist. Die Schweißelektrode 10 kann auch aus anderem Material als Kupfer bestehen, sofern dieses eine hohe Leitfähigkeit und Abriebfestigkeit aufweist.
  • Eine Nut 14 zur Ableitung des Kühlgases nach außen, das über eine Öffnung 13 im Kanal 11 zuströmt, ist in der Kontaktfläche 12 zwischen Schweißelektrode 10 und Widerstandsheizelement 20, 21 (vgl. 3) vorgesehen. Insbesondere bei einem Widerstandsheizelement 20 in Form eines flachen Bandes wird durch die Nut 14 die Kühlwirkung erhöht. Einen verbesserten Kontakt erhält man, wenn die Kontaktfläche 12 konkav und mit dem Widerstandsheizelement 20 korrespondierend ausgeformt ist.
  • 2 zeigt das Elektrodengerät 1 mit der Schweißelektrode 10, die auf einer aus Isoliermaterial bestehenden Befestigungsplatte 30 angeordnet ist. Die feste Anbringung auf der Befestigungsplatte 30 ist über ein als Schelle 31 ausgebildetes Anschlussteil, das die Schweißelektrode 10 umgreift, und mittels Schrauben 32 sichergestellt. Das metallische Anschlussteil 31 und die Schweißelektrode 10 sind elektrisch verbunden. Die Stromzuführung an die Schweißelektrode erfolgt über ein Elektrokabel 33, das über eine oder mehrere der Schrauben 32 befestigt ist.
  • Über ein am anderen Ende der Schweißelektrode 10 angeschlossenes Rohr 34 wird Kühlgas in den Kanal 11 geleitet. Das andere Ende dieses Rohres 34 ist mit der Kühlgasquelle über ein elektromagnetisches Ventil verbunden, das die Gaszufuhr ein- und abschaltet und über ein nicht dargestelltes den Durchfluss des Kühlgases regelndes Drosselventil.
  • Bei einem in den 3 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel nutzt das Verfahren die erfindungsgemäße Schweißelektrode 10, die in einem Bereich 21 des Widerstandsheizelementes 20, der über die zu verschweißenden Fügeteile hinausgeführt ist, aufsetzt und benutzt hierfür das für die erste Ausführungsform beschriebene Elektrodengerät 1.
  • 3 zeigt die Anordnung einer Abdeckung 42 auf einer Leiterplatte 41 und bildet eine durch Verschweißen hergestellte Schutzhülle über die zuvor in einem Gehäuse 40 eingesetzte Leiterplatte 41. Das Gehäuse ist ein Formteil aus einem Polycarbonat (PC), einem plastifizierbaren Kunststoff. Eine periphere am Gehäuse 40 angeformte Seitenwand 43 umschließt die Außenflächen der Leiterplatte 41 vollständig. Eine periphere Nut 44, in die das Widerstandsheizelement 20 eingelegt ist, ist in der Fügefläche, nämlich der Oberseite der Seitenwand 43 vorgesehen. An einem Teil der Wand 43 ist eine Ansatz 45 angeordnet, der den überstehenden Bereich 21 des Widerstandsheizelementes 20 abstützt.
  • Für das Verschweißen ist das Widerstandsheizelement 20 in die Nut 44 eingelegt und der Strom wird an die Kontaktbereiche 21 angelegt, die jeweils das Ende des Widerstandsheizelementes 20 bilden. Diese Kontaktbereiche sind so angeordnet, dass sie über die äußere Abdeckung 42 über die Oberseite des Ansatzes 45 vorstehen. Eine in der Figur nicht gezeigte periphere Rippe ist an der Verbindungsfläche der Abdeckung 42 in der peripheren Nut 44 angeordnet. 4 zeigt eine Draufsicht der Abdeckung 42 von oben.
  • Die Schweißelektroden 10 der beiden Elektrodengeräte 1 aus 1 und 2 stehen jeweils mit den Kontaktbereichen 21 des Widerstandsheizelementes 20 in Verbindung, auf das ein Druck von etwa 3 × 106 N/m2 (3 N/mm2) aufgebracht wird, um die Verbindung zwischen dem Widerstandsheizelement und der Schweißelektrode herzustellen. Die erforderliche Schweißkraft wird getrennt vermittels einer Drucklatte aufgebracht, so dass die Verbindungsflächen der Abdeckung und der Rippe 43 verschweißt und fest mit dem Boden des Gehäuses 40 verbunden werden.
  • Gleichzeitig wird ein 12 V Wechselstrom über das Elektrokabel 33, das an die beiden Elektrodengeräte 1 angeschlossen ist, angelegt unter Beibehaltung des Druckes. Das elektromagnetische Ventil öffnet und Kühlgas strömt in das Rohr über das Drosselventil, das den Durchfluss auf dem angemessenen Niveau hält. Das Gas überströmt das Widerstandsheizelement 20, 21 aus der Öffnung 13 durch den Kanal 11 der Schweißelektrode. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Durchflussmenge auf 30 Liter (m3) pro Sekunde festgelegt.
  • 5A zeigt eine Einzelheit im Schnitt der Kontaktfläche zwischen der Schweißelektrode 10 und dem Widerstandsheizelement 20, während 5B eine Ansicht ist. Das Kühlgas, das aus der Öffnung 13 des Kanals 11 austritt, verlässt den Spalt zwischen der Nut 14 und der Kontaktfläche 12 und zwischen dem darauf angeordneten und zu kühlenden Widerstandsheizelement 20.
  • Nach Ablauf der Temperatureinwirkzeit, standardmäßig 4,0 Sekunden, wird der Strom abgeschaltet und gleichzeitig der Kühlgasstrom über das elektromagnetische Ventil.
  • Auf diese Weise wird die Temperatur des Ansatzes 45 und des aufliegenden Widerstandsheizelements durch den Kühlgasstrom unter 100°C gehalten. Diese Temperatur sollte unter 140°C, d. h. dem Schmelzindex von PC Kunststoffen, gehalten werden. Dadurch verzieht sich der Ansatz 45 nicht und der Kontakt zwischen der Schweißelektrode und dem Widerstandsheizelement 20 ist gesichert.
  • Zum Vergleich wurde das Verschweißen mit dem gleichen schon beschriebenen Elektrodengerät 1 und mit dem gleichen Gehäuse 40 aus dem spezifizierten thermoplastischen Kunststoff vorgenommen. Beim Vergleichstest wurde allerdings kein Kühlgas während der Wärmeenergiezufuhr angewendet. Die Wärme hatte zur Folge, dass sich das Anschlussteil verformte und sich das Widerstandsheiz element 20 infolge des Drucks auf das Elektrodengerät 1 verbog. Dies wiederum führte dazu, dass sich die Schweißelektrode 10 vom Widerstandsheizelement löste und kein Strom floss. Der Schweißvorgang konnte also nicht abgeschlossen werden und die geforderte Schweißfestigkeit wurde nicht erreicht.
  • Eine andere Ausführungsform vermeidet, dass durch die Erwärmung des Formteils thermische das Aussehen des verschweißten Produktes beeinträchtigende Schäden entstehen.
  • Formteile werden mehr und mehr wegen ihres geringeren Gewichts bei Karosserien von Automobilen eingesetzt. 6 erläutert die Anwendung des Heizelementschweißens mit dem Widerstandsheizelement 20 bei einer Verstärkerplatte 60 aus Polypropylen mit einem angeformten Zapfen 61 zur Anbringung der auf einem äußeren Formteil 50 aus Polypropylen angeordneten Verstärkerplatte an einer Karosserie. Zur Verbesserung des Aussehens wurde die Außenfläche 51 des Formteils 50 mit einem glänzenden Überzug versehen.
  • Sollte die Temperatur an der Rückseite des Produktes während des oben genannten Schweißvorganges höher werden als erforderlich, wölbt sich das Produkt. Dies wird dann besonders auffällig, wenn die Außenfläche 51 des Produktes mit dem glänzenden Überzug versehen ist.
  • Diesem Problem kann durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Schweißelektrode 10 abgeholfen werden.
  • Erläuterung des Schweißverfahrens: Die Öffnung 62, an der die Schweißelektrode 10 in die Verstärkerplatte 60 eintritt, befindet sich im Bereich beider Enden des Widerstandsheizelementes 20. Die Größe dieser Öffnung 62 sollte vorzugsweise so bemessen sein, dass das Kühlgas aus der Schweißelektrode 10 austreten und nach außen abströmen kann.
  • Nach Einlegen des Widerstandsheizelementes 20 zwischen die Oberseite 50 des Formteils und der Verstärkerplatte 60, wird der Kontakt der Schweißelektrode 10 des erfindungsgemäßen Elektrodengeräts 1 mit jedem Ende des Widerstandsheizelementes 10 hergestellt, während gleichzeitig die erforderliche Schweißkraft auf die Verstärkerplatte 60 einwirkt. Anschließend wird über das Elektrokabel 33 Strom zugeführt und Kühlgas strömt über das Rohr 34 in die Schweißelektrode 10 und auf den Abschnitt 21 des Widerstandsheizelementes 20.
  • Nach Ablauf der vorbestimmten Temperatureinwirkzeit werden Strom und Kühlgaszufuhr abgeschaltet.
  • Am Ende des vorerwähnten Schweißvorganges zeigten sich an der Rückseite 51 des Formteils keinerlei Veränderungen als Folge der Wärmeeinwirkung.
  • Neben den zuvor erwähnten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Schweißelektrode wahlweise auch zu Steuerung des Temperaturanstiegs in den erwärmten Enden des Widerstandsheizelementes herangezogen werden, indem die Kühlgasmenge aus dem Kanal reguliert wird. Außerdem können bei dieser Ausführungsform auch etwaige Verunreinigungen im Bereich der Wärmeenergiezufuhr beseitigt werden. Dieser Effekt lässt sich mit der Ausführungsform 2 verstärken, wenn die Kühlgaszufuhr nicht zusammen mit der Wärmeenergiezufuhr, wie bei der ersten Ausführungsform abgeschaltet wird, sondern noch kurzzeitig aufrechterhalten wird.
  • Hingewiesen sei darauf, dass hier als Kühlgas Luft eingesetzt wurde, wenngleich es auch ein Edelgas, beispielsweise Stickstoff, sein kann oder ein auf unter Raumtemperatur abgekühltes Gas. Im Bereich der Schweißelektrode kann eine externe Einspritzdüse für das Kühlgas angeordnet werden.
  • Wenn das Thermoschweißverfahren und die Elektrode gemäß der Erfindung wie oben beschrieben eingesetzt werden, kann im Bereich der Wärmeenergiezufuhr, wo die Temperatur am höchsten ist, auf einen Wert abgesenkt werden, der unter dem des Schmelzindex des Kunststoffs liegt. Hierdurch erreicht man:
    • 1. Da der Abschnitt des Widerstandsheizelementes, der außerhalb des Fügebereichs liegt, gekühlt wird, kann er sich nicht verformen und stellt dadurch einen einwandfreien Kontakt zur Schweißelektrode sicher.
    • 2. Da der Kunststoff im Bereich der Wärmeenergiezufuhr an das Widerstandsheizelement nicht plastifiziert wird, erleichtert dies die konstruktive Gestaltung.
    • 3. An der Außenseite des Formteils entstehen keine thermischen Schäden und es wird eine sehr gute Schweißqualität erreicht.
    • 4. Die Temperatur im Bereich der Wärmeenergiezufuhr kann durch Regulierung des Durchflusses und der Temperatur des Kühlgases geregelt werden.
    • 5. Verunreinigungen im Bereich der Wärmeenergiezufuhr des Widerstandsheizelementes werden durch das Kühlgas beseitigt und mangelhafter Kontakt der Elektroden wird vermieden.
    • 6. Da das Kühlgas die Schweißelektrode innen durchströmt, kann diese ebenfalls gekühlt werden, so dass ein gleichmäßiges Verschmelzen erreicht wird, weil sich die Schweißelektrode auch unter schnellen Fertigungszyklen nicht erhitzt.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Vereinigen von zwei Teilen (42, 43) aus thermoplastischem Kunststoff unter Anwendung von Wärme und Kraft, bei dem ein elektrisches Widerstandsheizelement (20, 21) zwischen den unter Druck zusammengefügten Teilen angeordnet ist, wonach ein elektrischer Strom das Element durchströmt und Endkontaktflächen (12) von Stabelektroden (10) mit Druck an die Enden (21) des Heizelementes gelegt werden zwecks Erwärmung des Heizelementes, um dadurch die Teile an ihren Fügeflächen in plastifiziertem Zustand zusammenzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlgas (11) auf die Kontaktflächen (12) der Stabelektroden (10) aus einem sich durch die Elektrodenstäbe (10) hindurch erstreckenden Kanal (11) ausgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas seitlich durch eine Nut (14) in den Kontaktflächen der Stäbe (10) austritt.
  3. Gerät zum Vereinigen von zwei Teilen (42, 43) aus thermoplastischem Kunststoff unter Anwendung von Wärme und Kraft, in dem ein elektrisches Widerstandsheizelement (20, 21) zwischen den Teilen an geordnet ist, und Mittel zum Zusammenfügen der Teile unter Druck vorgesehen sind sowie Mittel, mit denen die äußersten Enden der Kontaktflächen (12) der Stabelektroden (10) die Enden des Heizelementes (21) unter Druck berühren, wonach die Stabelektroden (10) von einem elektrischen Strom durchflossen werden, um das Heizelement zu erwärmen, so dass die Teile an ihren Fügeflächen in plastifiziertem Zustand zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelektroden (10) einen Kanal (34, 11, 13, 14) aufweisen, durch den ein Kühlgasstrom über eine Austrittsöffnung (13) an der Endkontaktfläche (12) der Elektrode (10) ausgebracht wird.
  4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelektroden (10) einen elektrischen leitenden Stab mit einer den Kanal bildenden axialen Bohrung aufweisen.
  5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bohrung an einem Ende mit einer Gasquelle über ein Stromventil verbunden ist und das andere Ausbringende der Bohrung (13) eine einen Diffuser bildende Nut (14) aufweist, über den das Gas auf den Berührungsbereich zwischen den Endkontaktflächen der Elektrode (10) und dem Ende des Heizelementes (21) geleitet wird.
  6. Gerät nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (18) der Elektrode (10) in ihrer Form an das Profil des Heizelementes (20, 21) angepasst ist.
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