DE8816287U1 - Vorrichtung zum Heizkeilschweißen - Google Patents

Vorrichtung zum Heizkeilschweißen

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Description

Vorrichtung zum Heizkeil schweißen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizkeil schweißen von zwei an den Rändern miteinander zu verbindenden Kunststoffbahnen, wobei anstell bare Andruckrollen und/oder ein anstellbarer Heizkeil vorgesehen ist.
Nach DIN 1910 Blatt 3 ist Kunstoffschweißen das VerbiLixden von thermoplastischen Kunststoffen unter Anwendung von Wärme und Druck.
Die Schweißverfahren sind in DIN 16960 genormt. Eines der dort genormten Verfahren ist das Heizkeilschweißen.
Das Heizkeilschweißen findet seit Jahrzehnten Anwendung für das Verschweißen von Planenstoffen zur Herstellung von z.B. LKW-Planen und Zelten. Bevorzugter Werkstoff, bei dem dieses Verfahren seit Jahren eingesetzt wird, ist Gewebe mit ein- oder beidseitiger PVC-weich-Beschichtung. Erst in den letzten Jahren gewinnt das Verfahren auch Bedeutung bei anderen Werkstoffen und hier insbesondere bei der Verarbeitung von Dichtungsbahnen.
Manuelles und maschinelles Heizkeilschweißen sind schematisch im Bild 1, das der Lehrbildsammlung "Kunststofftechnik" von Hennig und Zöhren, erschienen 1963 im Carl Hanser-Verlag, entnommen wurde, dargestellt. Die Fügeflächen werden durch Kontakt mit dem erwärmten Heizelement auf Schweißtemperatur erwärmt und anschließend unter Druck verschweißt. Naturgemäß entsteht die höchste Temperatur im zu schweißenden
Kunststoff an der Kontaktfläche des Kunststoffes mit dem Heizelement. Dies führt zu einer Temperaturverteilung, wie sie ebenfalls in Abb. 1 dargestellt ist und die günstig erscheint, weil die höchste Temperatur in der Fügeebene selbst liegt.
Der Schweißdruck wird beim manuellen Heizkeilschweißen in der Regel über eine Druckrolle aufgebracht. Hierzu ist es erforderlich, daß die zu schweißenden Teile auf einer festen Unterlage, die den Gegendruck aufbringen kann, lieger. Beim maschinellen Heizkeilschweißen arbeitet man in der Regel mit Rollenpaaren, die einerseits den Schweißdruck aufbringen und andererseits, da sie motorisch angetrieben sind, für den Weitertransport der zu schweißenden Teile bzw. des Schweißgerätes sorgen.
Bei Schweißungen im Dichtungsbahnenbereich wird nahezu ausschließlich mit Geräten gearbeitet, bei denen die zuvor ausgelegte Dichtungsbahn an ihrem Platz verbleibt, das Schweißgerät durchführt die Fügezone und stellt die Schweißnaht her.
Bei der für diesen Zweck handelsüblichen Geräten ist der Anpreßdruck der Transport- und Druckrollen werksmäßig vorgegeben und eingestellt. Die Heizelemente werden in eine exakte, durch die Mechanik der Maschinen fest vorgegebene geometrische Position zu den Transport- und Druckrollan gebracht. Diese Zuordnung des Heizelementes und der Druckrollen ist unproblematisch, wenn Halbzeuge verarbeitet wtrden, deren Dicken sehr eng toleriert sind und Werkstoffe zum Einsatz kommen, deren Schmelzviskosität über relativ große Temperaturbereiche nahezu konstant
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bleibt. Letzteres ist der Fall bei mit PVC-weich beschichteten Geweben, wie sie für LKW-Planen und Zelten verarbeitet werden und bei Dichtungsbahnen, beispielsweise aus Ethylen-Copolymereri mit Bitumen oder Polymerisationsgemischen mit Ethylen-Copolymoren und Bitumen. Probleme treten in der Heizkeilschweißtechnik erst dann auf, wenn die Viskosität der Schmelze deutliche Temperaturabhängigkeit zeigt. Dies ist bei ninhtungsbahnen aus Polyethylen bzw. bei solchen mit hohem Polyethylen-Gehalt der Fall.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das derartigen Problemen gerecht wird. Dabei geht die Erfindung von einer besonderen Betrachtung der Einflußfaktoren der einzelnen Schweißparameter aus. Im Gegensatz zu Metallen oder sonstigen niedermolekularen Werkstoffen werden thermoplastische Kunststoffe beim Erwärmen nicht flüssig. Der mehr oder weniger zäh plastischen Phase schließt sich bei zu langer Erwärmung oder bei weiterer Temperatursteigerung die Zersetzung an. Aus dieser Erkenntnis lassen sich die Einflußfaktoren auf das Schweißen thermoplastischer Kunststoffe allgemein &ngr; ie folgt ableiten:
Die Temperatur muß so hoch sein, daß eine möglichst gleichmäßige und gut plastifizierte Schmelze in der Fügezone vorliegt. Eine Materialschädigung durch Überhitzung muß vermieden werden. Damit v?ird die Schweißtemperatur zu einem maßgeblichen Schweißparameter.
Da zu lange Einwirkzeiten einer Temperatur, wie oben erwähnt, zur Molekularschädigung des Kunststoffes führen können, ist dem zweiten Schweißparameter der Schweißzeit und hier insbesondere der Anwärmzeit gleichermaßen Beachtung zu schenken.
Da der Kunststoff nicht flüssig, sondern nur mehr oder weniger zäh-plastisch wird und sich plastische Massen nur unter Druck vereinigen lassen, ist als dritter Schweißparameter der Schweißdruck zu beachten.
Die logische Konsequenz ist:
Schweißtemperatur, Schweißgeschwindigkeit und Schweißdruck sollten bei Schweißgeräten regelbar sein. Handelsübliche Heizkeilschweißgerate besitzen in der Regel lediglich eine Regelung der Heizkeiltemperatur und eine Steuerung der Schweißgeschwindigkeit.
Über die drei obigen Grundvoraussetzungen hinaus bedarf es einer weiteren Differenzierung: Hinsichtlich des Schweißdruckes ist zu unterscheiden zwischen Druck der Fügeflächen an das Heizelement - nachfolgend Anwärmdruck genannt - und dem Druck zum Verbinden der Fügeflächen untereinander - nachfolgend Schweißdruck genannt -.
wird bei einer vorgewählten Heizelement-Temperatur der Anwärmdruck zu hoch, so wird das durch den Heizkeil plastifizierte Schweißgut bereits am Heizelement zur Seite herausgedrückt, und es steht kein Material für den eigentlichen Fügeprozeß zur Verfügung. Aus diesem Grunde ist für den Anwärmvorgang nahezu druckloser Kontakt an das Heizelement erfodrderlich. Lediglich
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Unebenheiten in der Oberfläche sollten durch einen gewissen Anfangsdruck egalisiert warden.
Zu hoher Schweißdruck bewirkt zum Fügezeitpunkt einen analogen Effekt. Die plastische Masse wird als Schweißraupe seitlich aus der Fügezone herausgedrückt; nicht ausreichend plastifiziertes Material im eigentlichen Fügebereich sorgt lediglich dafür, daß ein gewisser mehr oder weniger guter Hafteffekt in der Fügezone vorliegt. Andererseits darf nicht vergessen werden, daß ein ausreichend hoher Fügedruck zum Vereinigen plastischer Massen erforderlich ist. D.h. der Schweißdruck sollte definiert und für eine bestimmte Werkstofftype auf eine bestimmte Höhe einregelbar sein. Diese Forderung ist bei den meisten handelsüblichen Schweißgeräten nicht und bei einigen Schweißgerättypen nur zum Teil erfüllt, weil der Schweißdruck nur bei konstantem Druckrollenabstand gleich bleibt. Das Uberschweißen eines T-Stoßes einerseits oder das Schweißen bei wechselnden Bahnendicken andererseits führt zu unterschiedlichem Schweißdruck und damit zu unkontrollierter Schweißnahtqualität. Es ist somit die Forderung nach gleichem Druck bei schwankender Materialdicke als Verfahrensforderung zu stellen.
Die Forderung nach Wirtschaftlichkeit einerseits und die Feststellung, daß zu lange Temperatureinwirkung andererseits zu einer Materialschädigung führt, verlangt ausreichend hohe Schweißgeschwindigkeiten. Mit zunehmender Vorwärmgeschwindigkeit sinkt aber andereseits die Eindringtiefe der Temperatur in die zu verschweißenden Bahnen. Ein steiler Temperaturabfall über den Bahnenquerschnitt bewirkt einerseits hohe Schweißrestspannungen, das sind Spannungen, die in der Fügezone ohne Einwirkung äußerer Kräfte oder Momente
vorliegen, andererseits rührt ein Steilabfall der Temperatur in der Fügezone insbesondere bei Werkstoffen mit großer Abhängigkeit der Schmelzviskosität von der Temperatur dazu, daß nur mikroskopisch dünne Zonen gleicher Schmelzviskosität vorliegen. Das die Viskosität an der Oberfläche des einen Fügeteils gleich der Viskosität an der Oberfläche des zweiten Fügeteils ist, kann somit nicht sichergestellt weiden. Es ist möglicherweise mehr oder weniger zufällig gegeben.
Logisch und aus der Praxis des Heizelementstumpfschweißens von Platten und Rohren längjährig bekannt, ist deshalb die Forderung nach einer ausreichend dicken, möglichst gleichmäßig plastifizierten Zone, wobei darüber hinaus festzuhalten bleibt, daß die bekannt schiechte Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe die Erfüllung dieser Forderung negativ beeinflußt.
Nach der Erfindung wird ein im Sinne obiger Forderungen optimales Heizkeil schweißen mit einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und möglich.
Vorzugsweise wird ein handelsübliches Heizkeil schweißgerät mit regelbarer Heizkeil temperatur und steuerbarer Schweißgeschwindigkeit verwendet und wie folgt erweitert bzw. umgebaut. Dem Schweißgerät wird eine Vorwärmstation für das Vorwärmen der zu fügenden Teile, bestehend aus einem Heißluftfön und einer der Nahtgeometrie entsprechenden Luftverteilungsdüse vorgeschaltet. Durch diese Vorwärmstation können die Dichtungsbahnen auf eine Temperatur, die kurz unterhalb des Kristallit-Schmelzbereiches liegt, vorgewärmt werden. Dies hat zur Folge, daß die Eigensteifigkeit minimiert wird. Die Konsequenz daraus ist ein optimaleres und gleichmäßigeres Vorbeiführen der Dichtungsbahn am Heizelement.
Die eigentliche Erwärmung auf Schweißtemperatur übernimmt nach wie vor der Heizkeil, der von dem ersten Andruckrollenpaar mit geringem Druck an die Dichtungsbahnen im Bereich der Fügezonen gedrückt wird.
Der eigentliche FQgedruck wird mit Hilfe des zweiten Andruckrollenpaares erreicht, welches in Bewegungsrichtung hinter dem ersten Andruckrollenpaar und im Abstand vom Heizkeil angeordnet ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Nach Abbildung 2 besitzt eine erfindungsgensäße Vorrichtung eine Vorwärmzone, eine Anwärmzone sowie eine Ausgleichszone. In der Vorwärmzone wird mittels einer Heißluftdüse 6 Warmluft zwischen die miteinander zu verbindenden Ränder zweier Abdichtungsbahnen 7 und 8 geblasen. Die beiden Ränder der Abdichtungsbahnen 7 und 8 laufen dann über einen Heizkeil 1 zwischen Führungsrollen 4 in den Spalt zweier Anpreßrollen 2.
Der Heizkeil 1 wird mit einem Pneumatikzylinder 5 in seiner Stellung geregelt; die Anpreßrollen 2 durch einen Pneumatikzylinder 3.
Die vom Heizkeil in die Schweißzone eingebrachte Temperatur zeigt gemäß Abbildung 1 in Heizkeilnähe einen Steilabfall und die Viskosität entsprechend der gestrichelt in Abbildung 1 eingezeichneten Linie, einen Steilanstieg. Das Verweilen ohne Heizelementeinfluß in der Ausgleichszone zwischen den Rollenpaaren 2 und 4 bewirkt einerseits, daß die Temperatur an der Stelle, die Kontakt zum Heizelement hatte, abfällt und die Durchwärmungszone innerhalb der Abdichtungsbahnen entsprechend breiter wird, wie es in Abbildung 3 angedeutet ist. Analog dazu wird die Schmelze an der Grenzfläche zähflüssiger und das Viskositätsgefälle im Schweißbereich kleiner. So wird die Gefahr, daß dünnflüssige Schmelze der einen Fügefläche auf zähflüssige Masse der zweiten Fugefläche stößt, minimiert. Darüber hinaus wird erreicht, daß geringfügige Schwankungen in der Höhe des Schweißdruck ns untergeordnete Bedeutung auf die Güte der Fügev^rbindung bekommen.
Der Schweißdruck selbst wird nach Durchlaufen der Ausgleichszone durch das Rollenpaar 2 definiert aufgebracht. Darüber hinaus bleibt der Schweißdruck auch bei variablen Materialdicken oder beim Überschweißen von T-Stößen konstant, weil der Anpreßdruck nicht mehr wegabhängig, sondern ausschließlich abhängig ist von der Höhe des Luftdruckes im Zylinder.

Claims (2)

Schutzansprüche
1. Vorrichtung zum Heizkeil schweißen von zwei an den Rändern miteinander zu verbindenden Kunststoffbahnen, wobei anstell Dare Andruckrollen und/oder ein anstell barer Heizkeil vorgesehen ist, gekennzeichnet durch mindestens zwei Andruckrollenpaare, von denen ein Rollenpaar in Überlappung mit dem Heizkeil (1) und das andere RoUenpaar in Bewegungsrichtung der Vorrichtung hinter dem ersten Rollenpaar angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorwärmstation
DE8816287U 1988-06-22 1988-06-22 Vorrichtung zum Heizkeilschweißen Expired DE8816287U1 (de)

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