ES2214629T3 - Termosoldadura de plasticos por radiacion. - Google Patents

Termosoldadura de plasticos por radiacion.

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ES2214629T3 ES97931923T ES97931923T ES2214629T3 ES 2214629 T3 ES2214629 T3 ES 2214629T3 ES 97931923 T ES97931923 T ES 97931923T ES 97931923 T ES97931923 T ES 97931923T ES 2214629 T3 ES2214629 T3 ES 2214629T3
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    • B29K2995/0027—Transparent for light outside the visible spectrum

Abstract

PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA APLICAR (15) RADIACION A TRAVES DE UNO DE LOS ELEMENTOS (17,19,20) A UNIR POR TERMOSOLDADURA PARA QUE PENETRE EN LA(S) CAPA(S) (18) INTERPUESTA(S) ENTRE LOS DOS ELEMENTOS (17,19,20). SE BASA EN LAS INCLUSIONES A TRAVES DEL ESPESOR DE LAS CAPAS (18) PARA QUE RESPONDAN A LA RADIACION Y ELEVEN LA TEMPERATURA A TRAVES DEL ESPESOR E INICIEN LAS FIJACIONES EN LAS CONEXIONES CON LAS SUPERFICIES DE LOS CITADOS ELEMENTOS (17,19,20). EL RESULTADO SE VALORA MEDIANTE LA FORMACION DE IMAGENES TERMICAS (16) BASADA EN LA RADIACION DISTINTA DESDE LAS CAPAS (18) DE LA PROCEDENTE DE LA RADIACION DE CALENTAMIENTO, ESPECIFICAMENTE COMPARADA CON LA CASI VISIBLE.

Description

Termosoldadura de plásticos por radiación.
Campo de la invención
Esta invención se refiere al método y medios para soldar térmicamente un miembro sobre una costura en otro miembro tal como cuando se aplica una hoja o banda de plástico como un sello sobre la costura de unión de materiales plásticos o recubiertos de plástico.
Antecedentes de la invención
La invención ha surgido específicamente en relación con el tubo llamado Instituform (Marca Registrada) usado en los procesos de propietario o métodos de nuevo revestimiento "sin excavación" de servicios típicamente subterráneos o de tuberías de abastecimiento de agua, electricidad, etc. Se instala fácilmente un tubo flexible de un material laminar tejido en paño o de tipo fieltro cubierto que tiene un cordón de costura dentro de un tubo existente de los indicados, por ejemplo por inversión, usando una cabeza de agua; y habitualmente antes de ser impregnado con material plástico termoendurecido, tal como el poliéster o la resina epoxi. La presión de agua dentro de un tubo de este tipo de tamaño apropiado puede dilatarlo y forzarlo a un ajuste apretado contra el interior del tubo anfitrión; y el subsiguiente calentamiento de dicha agua, típicamente según se hace circular desde una caldera situada por encima del suelo, puede ayudar a curar la resina para formar un revestimiento sólido duradero o para un nuevo revestimiento de un tubo anfitrión existente, típicamente de diámetros desde unos 100 mm o menos hasta unos 3 metros o más.
El tubo típico Instituform mencionado se hace en una línea de producción cosiendo entre sí largos bordes de banda de material de fieltro cubierto láminas plegadas de anchura apropiada para formar un tubo de "tendido plano" del tamaño deseado. El recubrimiento sobre el material del fieltro se aplica habitualmente por el fabricante o proveedor del fieltro antes del envío a la planta de producción de tubos Instituform, y es típicamente de material termoplástico, específicamente poliuretano (PU) o polietileno (PE), con un espesor habitualmente hasta unos 0,5 mm. Es importante que el tubo Instituform permita un revestimiento totalmente hermético de un tubo después de su instalación; y cualquier incidencia de fugas o de goteo de la resina impregnada durante su instalación son problemáticos, es decir, es preciso evitarlos. Es por tanto necesario el sellado de las mencionadas costuras del tubo de tendido plano tal como se suministra a los emplazamientos en campo para su instalación, y tiene que ser de una naturaleza buena y fiable. Se conocen o se han propuesto dos métodos de sellado de costura.
Uno de dichos métodos se basa en un pegado con disolvente de una cinta sobe el cordón, típicamente una cinta de PU con anchura de unos 65 mm y un espesor de unos 0,3 mm se pega usando como disolvente tetrahidrofurano (THF). Aunque el equipo necesario se incorpora con facilidad a las líneas de producción de tubo de cordón cosido para tendido plano que es recubierto con PU, no se dispone de disolventes en la práctica que permitan posibilidades similares para los fieltros recubiertos de PE. Además, aun en el tubo recubierto de PU, el uso de THF puede dar lugar a preocupaciones en cuanto a salud y seguridad.
El otro de los métodos enunciados se basa en la extrusión de una gota de plástico fundido sobre dichos cordones soldados, y a continuación hacer rodar sobre la gota extruída todavía blanda, por encima del cordón para taparlo y sellarlo, incluyendo su fusión con el cubrimiento. Aunque este método es aplicable en principio tanto a recubrimientos con PU como con PE, existen problemas en la práctica. Esta extrusión de gota no se inicia ni se detiene fácilmente a voluntad debido a las necesidades de calentamiento y de control con respecto a las características de fluencia que se deben lograr y mantener, que entran en conflicto con las normas para las líneas de producción de tubo Instituform de cordón de costura, en las que la máquina de coser y las operaciones de guiado del fieltro tienden a estar sujetas a interrupciones frecuentes, por tanto a paradas. En realidad, aparecería la necesidad de dos etapas separadas en la producción, con el resultado inevitable de duplicación de apilados de materiales y sistemas de alimentación y de requerirse un personal extra. También, la velocidad de procesamiento de gota está limitada por la tasa de enfriamiento del material plástico en cuestión, que tiende a ser particularmente lenta para el PE, lo cual conduce además a la necesidad de una longitud sustancial de espacio de fuga, etc. antes de una manipulación posterior y/o al uso de equipo de enfriamiento que sería caro de instalar. La extrusión por tanto parece una opción cara en términos de bienes de equipo sofisticados para la extrusión y posiblemente también para el enfriamiento.
Resumen de la invención
Un objeto de esta invención es proporcionar un método alternativo y/o medios que pueden mitigar tales problemas, al menos en la aplicación correspondiente a la fabricación de tubo Instituform.
De acuerdo con un primer aspecto del método según esta invención, la soldadura térmica de un miembro sobre una costura en otro miembro se realiza aplicando una radiación a través de un miembro a una(s) capa(s) entre un miembro y el otro y disponiendo inclusiones a través del espesor de las mismas, las cuales inclusiones responden a dicha radiación elevando la temperatura de dicha(s) capa(s) a través del espesor de las mismas y promueven uniones en las interfaces con las superficies de dichos miembros; y aplicando presión que ayuda a la unión a través del espesor de dicha(s) capa(s) que se han hecho deformables mediante el calor absorbido por dichas inclusiones, siendo aplicada dicha presión por medios que hacen libremente un contacto de rodamiento o deslizamiento con dicho miembro.
Preferiblemente, el calor absorbido por dichas inclusiones hace dicha(s) capa(s) deformable(s), y la presión aplicada transversalmente sobre dicha(s) capa(s) para juntar dichos miembros deformará dicha(s) capa(s) para acomodarse a las irregularidades de la interfaz; y donde dicho miembro tiene una conductividad térmica baja y suficiente espesor para estar suficientemente frío en la otra superficie del mismo para permitir el libre contacto por rodadura o deslizamiento con la misma, se aplica dicha presión por medios que logran dicho contacto por rodadura o deslizamiento.
Se puede aplicar dicha radiación sólo a través de un miembro, y es preferiblemente al menos en forma parcial (típicamente menos de un 50%), reflejada con devolución a dicha(s) capa(s) por el otro de dichos miembros; se puede aplicar dicha radiación a uno de dichos miembro a través de unos medios o por dichos medios que hacen contacto de rodadura o deslizante con el mismo; y dicha reflexión por dicho otro miembro puede tener lugar después de la transmisión desde dicha capa a través de la interfaz a un recubrimiento transmisor de la radiación sobre dicho otro miembro.
La primera y la segunda partes componentes superpuestas de dicha(s) capa(s) pueden tener inclusiones que son, según se encuentran secuencialmente por dicha radiación, capaces de responder, tal como se dijo anteriormente, en menor y mayor medida, respectivamente.
Dicha radiación puede ser infrarroja (preferiblemente de un rango casi visible) a la cual uno de dichos miembros es sustancialmente transparente, siendo dicha(s) capa(s) ambas transmisoras y absorbentes en dichas inclusiones.
Dicha(s) capa(s) y uno de dichos miembros pueden constituir una banda de sellado a aplicar al otro de dichos miembros, habitualmente sobre un cordón de costura del otro de dichos miembros; y dicha banda de sellado constituye un segundo aspecto de la invención que incluye realizaciones como capas de material termoplástico, el cual pueden ser sustancialmente el mismo o similar para todas de dichas capas, excepto en cuanto a dichas inclusiones en dicha(s) capa(s) interiores o inferiores, o al menos materiales compatibles para ser soldados entre sí. Dicha capa exterior, como uno de dichos miembros, es preferiblemente en forma sustancial transmisora por entero respecto a dicha radiación infrarroja.
Un aparato de soldadura adecuado puede comprender medios que producen un haz, incluyendo una fuente de radiación infrarroja y unos medios que definen una abertura, ambos dentro de un tubo hueco rotatorio sustancialmente transparente a dicha radiación para hacer un contacto por rodadura con unos medios a los que se aplica el haz producido de dicha radiación infrarroja o través de los cuales ésta se aplica.
De acuerdo con un tercer aspecto de esta invención, se proporciona un aparato para soldar térmicamente un miembro sobre una costura en otro miembro usando capa(s) calentada(s) interpuesta(s) entre un y otro miembros y que tienen inclusiones a través de su espesor y que responden a la radiación para elevar la temperatura de dicha(s) capa(s) a través de su espesor, promoviendo uniones por soldadura en las interfaces con las soldaduras de dichos miembros, comprendiendo el aparato medios para interponer dicha(s) capa(s) entre dichos miembros, medios para aplicar dicha radiación a dichos miembros con dicha(s) capa(s) interpuesta(s), medios para hacer contacto por rodadura o por deslizamiento con uno de dichos miembros, aplicando una presión que ayuda a la unión dirigida a través del espesor de dicha(s) capa(s), y medios para mover dichos miembros irradiados de esta manera desde dichos medios de aplicación.
Dos especificaciones de patentes anteriores hacen usos particulares diferentes de material específicamente absorbente de rayos infrarrojos entre otros elementos termoplásticos transparentes/transmisores de los rayos infrarrojos y para juntarlos, en concreto extremos de tuberías en relación de solape con ajuste mutuo (WO-A- 95/21737) y porciones de banda alargadas superpuestas (EP-A-0 337 776). La primera prefiere la reducción preparatoria por fuerza de un extremo de tubo para ajustar por dentro del otro y recuperación térmica en un calentamiento interior por infrarrojos con limitación de anillo externo. La última requiere mantener las porciones de banda tensadas sobre una superficie arqueada cóncava y un acceso sin obstrucciones para una fuente de infrarrojos a la posición de un parche absorbente de rayos infrarrojos interpuesto. No se prevé en ninguna la aplicación esencial de una presión que ayude a la adhesión por medios de contacto de rodadura o con deslizamiento.
En algunas realizaciones de los aspectos de método y de aparato de esta invención, se proporciona una verificación sobre la(s) soldadura(s) hecha(s) por debajo de una capa transmisora de la radiación, implicando la verificación el uso de una cámara de imagen térmica para detectar a través de dicha capa transmisora radiación procedente de dicha capa calentada que es diferente de la radiación que origina el calentamiento con fines de soldadura.
Generalmente, en realizaciones de sistema y aparato según esta invención, la producción de miembros unidos por soldadura puede implicar una(s) capa(s) calentada(s) interpuestas entre dos miembros mencionados, teniendo la(s) capa(s) inclusiones a través del espesor y que responden a la radiación para elevar la temperatura de dicha(s) capa(s) a través del espesor, promoviendo uniones de soldadura en interfaces con superficies de dichos miembros, proporcionando la producción la interposición de dicha(s) capa(s) entre dichos miembros, la aplicación de dicha radiación a dichos miembros con dicha(s) capa(s) interpuesta(s), y el desplazamiento de dichos miembros así irradiados de dichos medios para la aplicación.
Dichos medios para interposición pueden servir para suministrar uno de dichos miembros junto con dicha(s) capa(s); y puede proporcionarse todavía más en cuanto a la verificación de la soldadura de dichos miembros irradiados, tal como se indicó anteriormente, usando una cámara de imagen térmica.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se ilustrará una realización específica, a título de ejemplo de esta invención y se describirá haciendo referencia a los dibujos anexos en forma de diagrama, en los cuales:
la Figura 1 es un diagrama descriptivo que muestra una línea de fabricación para tubo de tendido plano Instituform, que incluye las etapas de conformación, costura, sellado e inspección;
las Figuras 2A y 2B son diagramas inservibles de cintas de soldadura que tienen una y dos capas de soldadura térmica, respectivamente, cada uno de los cuales con indicaciones de acompañamiento de la absorción/emisión de calor;
las Figuras 3A y 3B son cortes transversales descriptivos y vistas laterales de una cabeza de soldadura para el sellado de costuras;
las Figuras 4A y 4B son cortes transversales descriptivos y vistas en corte axial de otra cabeza de soldadura para el sellado de costuras; y
la Figura 5 es un diagrama axial descriptivo que muestra una cámara de inspección de soldadura de imagen térmica.
Descripción de realizaciones específicas
En la Figura 1, la hoja 10 de fieltro recubierto de plástico procedente de la bobina de abastecimiento 11 se muestra pasando a través de la estación de guiado y plegado 12 que sirve para juntar sus bordes largos a fin de coserlos en un formato 10T de tubo de tendido plano usando una máquina de coser 13 mostrada en asociación preferida con medios de inspección/verificación de la costura indicados como incluyendo una cámara óptica 14. Se indica una cabeza 15 de soldadura para cubrir y sellar la costura conforme se cose y verifica en 13, 14 en asociación con una cámara de imagen térmica 16 para inspección y verificación del sello de cubrimiento de la costura producida en la cabeza 15, como se describirá más adelante. La cabeza 15 de soldadura se muestra en funcionamiento para dos cintas 17 y 18 alimentadas desde las bobinas de abastecimiento 17R y 18R que serán superior (o exterior) e inferior (o interior), respectivamente, entre la cabeza 15 de soldadura y la costura verificada del tubo de tendido plano 10T, prensado específicamente sobre un recubrimiento 20 de plástico exterior sobre la capa de fieltro interior 19, véase la flecha 15P para una aplicación y transferencia ventajosa de presión, sea mediante pesos o sea por medios de fluido presurizado a través de la propia cabeza 15 de soldadura.
La Figura 1 también muestra la caja de control 21 para el control de funcionamiento y recogida de datos eléctrico/electrónico, típicamente informatizado y las cámaras óptica y térmica 14, 16 y el tacómetro 22; y el funcionamiento de la máquina de coser 13, la cabeza de soldadura 15, y los rodillos de alimentación 23 para el material de filtro recubierto 10 y el tubo 10T conforme es plegado, cosido y sellado. Si se desea, por supuesto, podría haber un accionamiento controlado adicional o alternativo de cualquiera de las bobinas 11, 17R, 18R.
En el funcionamiento tal como se muestra, el material de fieltro recubierto 10 va desde la derecha a la izquierda en la Figura 1, conforme tiran de él los rodillos 23 a una velocidad de producción adecuada, de unos 12 metros/minuto. La banda plana 10 extraída de la bobina 11, plegada en guías etc. 12, y cosida en los bordes por la máquina de coser 13 pasa para la detección de cualesquiera fallos de sutura por la cámara 14. Se conocen cámaras de tipo de observación linear con control por ordenador/en interfaz con ordenador para inspección de sutura, así como software con algoritmos para detectar fallos, por ejemplo suturas caídas, hilos rotos o cortados, desigualdades, etc. La detección de tales fallos normalmente lleva automáticamente a la parada de la fabricación de tubo Instituform, y a la rectificación apropiada, con lo cual se evita el encapsulado de sellado de una sutura deficiente. La cabeza de soldadura 15 debería funcionar por tanto para cubrir y sellar sólo en relación al tubo 10T que está correctamente cosido.
Las cabezas (15) de soldadura preferidas usan la radiación infrarroja y se mostrarán y describirán adicionalmente con un rodillo exterior para apretar las dos cintas 17 y 18 contra el material de fieltro recubierto, aunque es factible la disposición alternativa de placas de presión. Las cintas 17, 18 pueden ser, lo son normalmente, de anchuras idénticas, suficientemente grandes para cubrir la sutura del cordón y solapan suficientemente a los lados sobre el fieltro recubierto para dar lugar a la resistencia mecánica de adhesión deseada o requerida por la soldadura como aquí se indica. Se muestra extraídas las bobinas 17R, 18R simplemente por acción de los rodillos de alimentación 23.
La soldadura preferida se basa efectivamente en la capa exterior, representada por la cinta 17, que es sustancialmente transparente a la radiación usada para fines de soldadura, para absorber así poco calor o ninguno, ciertamente no en una cuantía adversamente significativa; y una capa interior o inferior, representada por la cinta 18, entre la capa exterior (cinta 17) y el recubrimiento exterior 20 del tubo 10T de material de fieltro que tiene tal absorbencia de calor para dicha radiación que su temperatura se elevará para lograr una soldadura entre la capa exterior aplicada (cinta 17) y el recubrimiento exterior 20 del fieltro/tubo 10/10T. Son importantes las inclusiones que permitan una transmisión parcial para asegurar tal absorbencia de calor y para lograr un estado adecuadamente ablandado o parcialmente fundido, en forma preferible fundido por completo sustancialmente, para una soldadura práctica, ventajosa, del mismo. La conductividad térmica intrínseca de los materiales termoplásticos contemplados es muy baja, y los espesores preferidos de la capa interior o inferior 18 (con sus inclusiones absorbentes predeterminadas) y la capa exterior 17 (al menos normalmente libre de tales inclusiones comparativamente) se relacionan con tal facilidad que incluso una fusión superficial de la última (17) en la interfaz de contacto con la primera (18) fundida y bajo presión aplicada se extenderá poco en su espesor, y no dará lugar a una elevación de temperatura considerable en su superficie exterior, convenientemente insuficiente para causar problemas significativos. En realidad, la capa interior o inferior 18 mucho más delgada que la capa exterior 17, y una radiación de intensidad suficiente para producir un ablandamiento de soldadura de esta capa interior o inferior 18 a las velocidades de línea de producción contempladas (del orden de 12 metros/minuto), la difusión de calor hacia fuera es tan pequeña y lenta que son prácticas temperaturas de superficie más exterior bien por debajo de los 100ºC, quizá típicamente no más de unos 50ºC y no persisten significativamente a lo largo de la línea de producción, probablemente menos de un metro, al menos para los materiales plásticos usados en la práctica, tales como el polietileno de baja densidad para ambas capas (17, 18), y para el cual las temperaturas de fusión de la capa interior pueden ser de unos 150ºC a 200ºC. Obviamente, consideraciones no diferentes son aplicables al recubrimiento exterior 20 de plástico al cual es necesario efectuar la soldadura, y el cual será también ordinariamente transparente, incluyendo ópticamente transparente para la finalidad importante de verificar visualmente el progreso y la extensión de la impregnación, subsiguientemente del curado, con resina termoendurecida durante la instalación en un tubo anfitrión.
Lograr el estado fundido de la capa o capas interior(es) 18, o al menos un reblandecimiento suficiente para la deformación bajo la aplicación preferida de presión en el curso de la soldadura es ventajoso en gran medida, incluso para capas delgadas de este tipo, en términos de su acomodación íntimamente a las irregularidades de la superficie tales como hoyuelos que se trasladen a través del recubrimiento procedentes del filtro subyacente o de la costura. Espesores desde unos 0,2 a unos 0,5 milímetros en la capa inferior o interior pueden promover la sutura.
También es ventajoso evitar la alta pigmentación de la capa inferior o interior (18), especialmente en los casos en los que, como se prefiere, sigue siendo posible observar visualmente el progreso y la extensión de la impregnación, subsiguiente curado de la resina termoendurecida, etc. in situ. Es importante poder ver y a continuación rectificar las zonas de pobre penetración y/o curado, obviamente incluyendo en la costura, en caso contrario el fallo en servicio puede tener graves consecuencias y ser caro de reparar. Más aún, la alta pigmentación de tal capa 18 que no permite la transmisión arriba indicada de radiación calentadora efectivamente no permitiría el logro del reblandecimiento/la fusión deseada en todo el espesor a favor de una fusión no útil, próxima a la superficie, sólo en la interfaz.
Es particularmente ventajoso poder utilizar tales inclusiones fácilmente disponibles como el negro de humo para conseguir totalmente las preferencias anteriores para un suficiente calentamiento incluyendo una fusión/un reblandecimiento sustancialmente en todo el espesor y para que la pigmentación resultante sea suficientemente ligera para permitir la antes mencionada observación posterior de la impregnación etc. de la resina termoendurecida, es decir, sin necesidad de buscar inclusiones con transparencia/absorbencia diferencial para los rayos infrarrojos y para la luz visible.
Las inclusiones de negro de humo en la práctica para los materiales de la capa interior o inferior probablemente varían con la aplicación deseada de realizaciones de esta invención. Sin embargo, para cubrir y sellar costuras de tubo Instituform usando capas de este tipo de unos 0,25 a 0,6 milímetros de espesor de polietileno de baja densidad, ha demostrado ser práctico usar negro de humo (Vulcan P) de unos 2 nanometros de tamaño de partículas en un contenido de aproximadamente 0,11% a 0,047% (respectivamente) en peso. Se da este ejemplo, por supuesto, sin carácter limitativo. Factores a tener en cuenta para cualquier aplicación específica de esta invención pueden incluir la extrapolación de tal realización específica de una relación de aproximadamente 2:1 para la absorción/transmisión de los infrarrojos aplicados (de forma típica, principalmente en el espectro próximo al infrarrojo). Una transmisión de aproximadamente 30% ha probado ser particularmente efectiva al menos en los casos en los que existe inherentemente aproximadamente un 75% de reflexividad de la radiación de calentamiento por el material 19 de fieltro blanco normal bajo un recubrimiento de polietileno claro 20. Tal reflectividad puede ayudar significativamente en relación al logro de una fusión/un reblandecimiento suficientemente uniforme de la capa interior o exterior 18 a través de su espesor en el contexto de reducir inevitablemente en forma exponencial la intensidad de radiación, por tanto la tasa de absorción (por las inclusiones), con la profundidad a través del espesor desde la superficie de incidencia. Puede resultar útil, por otra parte, para ver la acción deseada de la misma que implica la naturaleza progresiva (con el espesor) de la absorción de energía a partir de la radiación calentadora, en términos de que cualquier sección de profundidad de la capa de fusión/reblandecimiento que tiene conceptualmente su propia fuente local de calor sin que dependa de la conducción térmica.
Un contenido de inclusiones que no sea constante a través del espesor, idealmente progresivo, sería útil, incluyendo los casos en los que existe menos o sustancialmente ninguna reflectividad, como por encima del fieltro 19 (o su recubrimiento 20); y se contempla el uso de dos o más capas con un contenido de inclusiones absorbentes progresivamente diferente, hasta inclusiones como tales, al menos en lo referente a parámetros tales como tamaño, etc. Por supuesto, en este contexto puede ayudar a proporcionar reflectividad la especificación de inclusiones reflectoras, tales como el sulfato de bario o el dióxido de titanio, en el recubrimiento 20 y/o disponer las mismas en capas más bajas o sobre las mismas o en la superficie del material de soldadura 18.
Las Figuras 2A y 2B muestran capas interiores o inferiores sencillas o dobles 18 y 18A, B entre la capa exterior clara 17 aplicada y el recubrimiento 20 sobre el material de núcleo de fieltro 19; junto con indicaciones características idealizadas en 25A, B de absorción por unidad de profundidad para la radiación calentadora infrarroja aplicada a la capa exterior clara 17 y a través de la misma. Tal tasa de absorción, que es mínima en las capas exteriores claras 17 y 18, y da como resultado sólo un calentamiento en la proximidad de la superficie de lo que podría ser fieltro 19 altamente pigmentado, se reduce progresivamente, generalmente de forma exponencial, al pasar a través de la capa única 18, o a través de cada una de las capas 18A y 18B que tienen inclusiones determinantes de la absorción de infrarrojos diferenciales (menor y mayor respectivamente). Una ventaja deseable de que algo de la radiación calentadora pase a través de la capa 18 o de las capas 18A, B y sea devuelta por reflexión a tal(es) capa(s) está implícita en las representaciones 23A, B pero podría ser inferior por el diseño de capas absorbentes diferencialmente plurales y de reflectividad más baja proporcionada por el material de fieltro 19 o para contribuir de otro modo a un calentamiento más uniforme de las capas 18 ó 18A, B. Sin embargo, un uso adicional o incluso alternativo, o un uso parcial de tal radiación pasante inicialmente no absorbida puede mediante inclusiones dentro del recubrimiento 20 o superpuestas al mismo servir para actuar proporcionando cierta medida del calentamiento adicional al menos en la interfaz con la(s) capa(s) 18. Las indicaciones 25A, B, se aplicarán, por supuesto, a la radiación reflejada, aunque sea invertida (girada dando la vuelta hacia abajo) para la(s) capa(s) 18 y 18A, B.
El objetivo general es, por supuesto maximizar el calentamiento de la(s) capa(s) 18 de modo tan uniforme como sea posible a través de su espesor, siendo el criterio final el logro de una soldadura de unión satisfactoria. La aplicación sobre una longitud corta, convenientemente pero de forma no limitativa, de unos 50 milímetros, de una radiación intensa calentadora de infrarrojos produce fácilmente un estado deformable blandamente hasta la fusión a través de todas la(s) capa(s) 18, es decir, temperaturas suficientemente altas para una energía de entrada bastante baja; y la presión ejercida, por ejemplo mediante pesos o por medio de fluido a presión actuando sobre la cabeza 15 de soldadura, es eficaz para proporcionar un flujo de material de la(s) capa(s) 18.
Otras opciones útiles incluyen la de promover deliberadamente la dispersión y captura de la radiación calentadora al menos en la capa 18, sea por medio de inclusiones que contribuyen al calentamiento o sea por otras inclusiones; y/o promover la reflexión repetida por el retorno reflectante superior o exterior que es fácilmente permitido en la cabeza de soldadura 15 o por la misma o incluso por un recubrimiento ligero adecuado de la capa exterior 17; y/o la aplicación de esta invención en los casos en los que es posible la irradiación desde ambos lados de la soldadura deseada, típicamente a miembros/hojas adecuadamente transmisores a unir o a través de los mismos. En forma factible, factores viables/ajustables de relevancia fomentan en gran medida el desarrollo y uso de modelos de ordenador para ayudar en la selección de variables para aplicaciones particulares de la invención, incluyendo muchas distintas del sellado de costuras de tubo Instituform.
Volviendo a las figuras 3A y 3B, una cabeza de soldadura adecuada comprende un tubo de rodillo 31 transparente exterior que puede girar libremente en los cojinetes 32 y que circunscribe a un miembro tubular ranurado 33, internamente reflectante, generalmente de sección en C, que permite la unión de una superficie interior reflectante a una cavidad 34, que se muestra alojando un conjunto anular de lámparas de calentamiento 35. La cavidad reflectante que forma el miembro 33 se muestra abierta hacia abajo en 36 salvo en cuanto a la provisión del filtro 37 a fin de bloquear la radiación no deseada pero dejar pasar al menos la radiación de la(s) longitud(es) de onda necesarias para calentar y soldar a través de la capa 18. Al menos para las aplicaciones que usan inclusiones de negro de humo, tal como se describió anteriormente, la radiación de interés está en el intervalo de unos 0,5 a unos 2 micrometros, y será direccional saliendo de la abertura y del filtro 36 y 37, que pueden tener una dimensión en la dirección de producción de unos 50 milímetros. Tal radiación a ser absorbida en la capa 18, incluso hasta la fusión de la misma, no dará lugar a que la superficie exterior de la capa 17 se caliente hasta que se pegue al tubo de rodillo 31 sin la capa, sino que cualquier recogida de material extraño que afecte a la transparencia puede ser supervisada adecuadamente por los medios ópticos alargados 38. Las lámparas 35 pueden ser de cualquier tipo adecuado, por ejemplo, incandescentes, o de descarga de gas o de flash pulsatorio, y normalmente se proporcionará enfriamiento por ventilador, véase 39. Se podría accionar el tubo de rodillo transparente 31 que puede típicamente ser de sílice fundida o de arena de cuarzo, y el filtro 36 puede ser de múltiples capas, convenientemente del mismo material plástico que las capas 17, 18, para eliminar las bandas de absorción fundamental inherentes a los polímeros orgánicos, reduciendo de esta manera el riesgo de los efectos de calentamiento de la superficie que podrían conducir a que se pegue al rodillo 31 y/o de lugar a componentes de imagen de fondo no deseados a través de la cámara térmica 16.
Las Figuras 4A y 4B muestran una cabeza de soldadura alternativa que presenta un bloque reflector variante 43 que aloja a las lámparas 45 en entrantes 44 reflectantes individuales (preferentemente dirigiendo componentes de haz) en un conjunto arqueado, y atornillado entre las placas laterales 44A, B que también portan los cojinetes 42 para el tubo de rodillo 41.
Puede ser ventajoso proporcionar una cabeza de soldadura que puede ser generalmente similar a las de las Figuras 3 y 4, pero no se encuentra montada en una máquina, y puede ser operada manualmente, por ejemplo para efectuar reparaciones de defectos localizados en la soldadura.
La cámara de imagen térmica 16, se sitúa en un punto conveniente después de la cabeza 15 de soldadura pero antes del punto en el que se alcanza el equilibrio térmico, siendo su finalidad detectar fallos de la soldadura y supervisar la consistencia en línea. Un fallo de soldadura podría surgir como resultado de cualquier contaminación, por ejemplo, materias extrañas, fallos de la lámpara, etc. Los gradientes de temperatura se supervisan a través de la anchura de la soldadura sobre la superficie de 17, por tanto de hecho el progreso del impulso de calor generado en la capa 18 en disipar hacia fuera, al exterior de la capa 17. La información de esta imagen puede localizar puntos en los que ha fallado el pleno contacto de la soldadura, por ejemplo un impulso de temperatura más elevada que la normal/media en la superficie que es debido a un contacto pobre, incluso a la falta de contacto, con la capa de fieltro recubierto 19, 20 durante la soldadura, quizá debida a que la masa del recubrimiento sobre el fieltro está tan fría que ha extraído demasiado calor de la(s) capa(s) 18; y significando un impulso de temperatura inferior a la normal/media un pobre contacto térmico, por tanto probablemente mecánico, entre la(s) capa(s) calentada(s) 18 y la capa exterior 17. Un ordenador de control situado en la caja 21 es programado fácilmente para detectar tales condiciones y para detener la línea de producción a fin de realizar las reparaciones.
La Figura 5 muestra una cámara de imagen térmica 16 práctica, típicamente del género de observación de línea, que da una imagen continua X,Y, por ejemplo de 0,5 mm de resolución X e Y, de la temperatura a través y a lo largo de la costura sellada con sutura 51 a través del fieltro recubierto 19, 20 bajo las capas 17, 18. La cámara 16 tiene una lente de germanio 52 que se enfoca a los rayos de la radiación indicada a través de un filtro 53 sobre un conjunto de fotoconductor 54 lineal enfriado, que se muestra montado en un sumidero de calor 55 con conexiones 56A, B a un cuadro de circuito impreso 57 que incorpora electrónica de digitalización y desde allí al elemento de conexión 58 para las señales de entrada o salida de un ordenador en la caja 21 que sirve para procesar señales a fin de identificar zonas calientes y zonas frías, también zonas negras y zonas claras en la cinta de soldar, etc.
La cámara de imagen térmica 16 puede ser, y preferiblemente es, operativa en una región de radiación diferente de la cabeza 15 de soldadura, específicamente la región infrarroja media, de longitud de onda de unos 3 micrometros a unos 8 micrometros (en comparación con el infrarrojo próximo al espectro visual de unos 0,5 a 2 micrometros de la cabeza 15 de soldadura). La radiación a longitudes de onda diferentes de este tipo procede de la acción de calentamiento en la(s) capa(s) 18, y las tecnologías adecuadas de detección incluyen el selenuro de plomo, el siliciuro de platino, las termopilas. La cámara 16 de imagen térmica necesita supervisar más de cerca la temperatura media de la(s) capa(s) fundida(s) 18 que simplemente la temperatura superficial de la capa exterior 17 (como sería inevitablemente vista por una cámara de imagen térmica no selectiva normal, por ejemplo de las que usan detección más barata por dióxido de silicio) o de la interfaz entre la capa transparente exterior 17 y la capa fundida 18 de soldadura (como ocurriría si la capa fundida 18 estuviera más fuertemente pigmentada de lo aquí indicado).
Por consiguiente, el filtro 53 sirve para rechazar la radiación casi infrarroja que emana en grandes cantidades de la fuente de calor de soldadura. Por supuesto, se agradecería que la capa exterior 17 que se requiere/prefiere que sea transparente a los infrarrojos próximos (de la cabeza 15 de soldadura) y ópticamente (para la verificación de la impregnación de termoendurecimiento) debe ser también transparente a los infrarrojos medios de interés para la cámara de imagen térmica 16 y para dejar pasar los cuales se sintoniza preferiblemente con precisión el filtro 53. También la capa de soldadura/fusión 18 es semiemisiva (pigmentada ligeramente en forma suficiente) para permitir que pasen los "rayos de calor" IR Medios emitidos desde niveles más profundos a través de la capa 17 hasta la cámara 16.
Realmente, en forma preferible la(s) capa(s) de soldadura 18 será(n) tal(es) que tenga(n) también una emisividad elevada a la(s) longitud(es) de onda de los infrarrojos medios a la que es sensible la cámara de imagen térmica 16. En la práctica, existe una correspondencia sustancial entre lograr la emisividad deseada y lograr la absorción deseada para la capa de soldadura 18. La diferencia representada por la emisividad deseada y que la absorbencia esté en los infrarrojos medios y en los infrarrojos próximos, respectivamente, no da lugar necesariamente al uso de inclusiones diferentes para las dos finalidades. Realmente, la emisividad es la radiación térmica por un cuerpo caliente, por tanto la inversa de la absorción con finalidad de calentamiento, y se puede utilizar un modelo de ordenador único para especificar las inclusiones, y las partículas concretas antes mencionadas de negro de humo han servido satisfactoriamente para ambas finalidades en la(s) capa(s) interior(es)/inferior(es) 18 de soldadura/fusión.
Prácticamente, la cámara de imagen térmica 16 ve una señal térmica, que para cualquier punto en la imagen, está hecha de energía procedente de la parte superior de la(s) capa(s) 18 como la señal más fuerte, pero con las señales añadidas de los niveles más profundos (que se deben debilitar progresivamente, pero de acuerdo con el mismo decaimiento exponencial que es aplicable a la absorción, es decir, según la Ley de Beer). La emisividad de la(s) capa(s) 18 puede ser también representada como en 15A, B de las Figuras 2A, B.
Aplicabilidad industrial
El uso de energía radiante visible y de infrarrojos próximos interactuando con inclusiones parcialmente absorbentes, y de presión mecánica aplicada simultáneamente, para soldar una banda de sellado sobre una costura, típicamente como una lámina de cintas aditivas clara y controlada, sobre un recubrimiento ya realizado sobre material de fieltro o análogo, habitualmente con cintas y recubrimientos todos del mismo material termoplástico sustancialmente, tiene beneficios particulares para el tubo Instituform de tendido plano, incluyendo estar libre de limitaciones y de dependencias de la velocidad de proceso. El proceso de transferencia de calor de radiación es mucho más rápido que apoyarse en la conducción térmica a través de materiales plásticos de inherentemente baja conductividad/difusividad térmica y da gradientes térmicos elevados sin causar quemaduras ni riesgo de calentamiento insuficiente.
Sin embargo, se contempla una aplicación mucho más amplia de estas técnicas en los casos en los que se necesita unir miembros por soldadura usando la absorción de calor en una capa interpuesta.

Claims (15)

1. Método de soldadura térmica de un miembro (17) sobre una costura en otro miembro (10), comprendiendo el método aplicar radiación a través de uno (17) de los miembros a una(s) capa(s) (18; 18A, B) entre uno (17) de los miembros y el otro (10) y tener inclusiones a través del espesor de los mismos, las cuales inclusiones responden a dicha radiación para elevar la temperatura de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) a través del espesor de las mismas y promueven uniones en las interfaces con las superficies de dichos miembros (10, 17); y aplicar presión (15P) que ayuda a la unión dirigida a través del espesor de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) que se hacen deformables mediante el calor absorbido por dichas inclusiones, siendo aplicada dicha presión (15P) por medios (31) que hacen libremente un contacto de rodadura o deslizamiento con uno de dichos miembros (17).
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha radiación se aplica sólo a través de uno (17) de dichos miembros, y es al menos parcialmente devuelta por reflexión a dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) por el otro (10) de dichos miembros.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o con la reivindicación 2, en el que dicha radiación es aplicada a uno (17) de dichos miembros a través de dichos medios (31) que hacen contacto por rodadura o deslizamiento con el mismo.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 2 y la reivindicación 3, en el que dicha reflexión por otro (10) de dichos miembros se produce después de la transmisión desde dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) a través de la interfaz a un recubrimiento (20) transmisor de la radiación sobre otro (10) de dichos miembros.
5. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la primera y la segunda partes componentes superpuestas de dicha(s) capa(s) (18A, B) tienen inclusiones que son, según se encuentran secuencialmente por dicha radiación, capaces de responder, tal como se dijo anteriormente, en menor y mayor medida, respectivamente.
6. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha radiación es infrarroja a la cual uno (17) de dichos miembros es transparente, siendo dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) ambas transmisoras y absorbentes en dichas inclusiones.
7. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes para soldar una banda de sellado (17) sobre dicha costura del otro (10) de dichos miembros, en el que dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) y uno (17) de dichos miembros constituyen dicha banda.
8. Método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dicha banda de sellado (17, 18) se aplica sobre una costura cosida del otro (10) de dichos miembros.
9. Banda de sellado para su uso en el método de acuerdo con la reivindicación 7 ó con la reivindicación 8, que comprende capa(s) (17) sustancialmente transmisora(s) en su integridad a dicha radiación infrarroja como uno de dichos miembros, siendo dicha(s) capa(s) (17) de baja conductividad térmica y de suficiente espesor para estar bastante fría en otra superficie de la misma para permitir libremente un contacto de presurización de rodadura o deslizamiento con la misma, y otra(s) capa(s) (18; 18A, B) de material termoplástico que tiene(n) inclusiones a través de su espesor para absorber algo de la radiación infrarroja incidente en el calentamiento de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) hasta un estado de soldadura con respecto al otro (10) de dichos miembros.
10. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende además un paso de verificar dicha unión usando una cámara de imagen térmica (16) para detectar a través de dicha capa transmisora (17) la radiación procedente de dicha(s) capa(s) calentadas (18; 18A, B) que es diferente de la radiación que causa el calentamiento de las mismas con fines de soldadura.
11. Aparato de soldadura para su uso en el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende medios que producen un haz (33-37) incluyendo una fuente de radiación infrarroja (35) y unos medios que definen una abertura (33, 36), ambos dentro de un tubo hueco rotatorio (31) sustancialmente transparente a dicha radiación para hacer un contacto por rodamiento con una presión que ayuda a la unión y aplicarla a uno (17) de los miembros que se suelda y a través del cual se aplica el haz producido de dicha radiación infrarroja.
12. Aparato para la soldadura térmica de un miembro (17) sobre una costura en otro miembro (10) usando capa(s) calentada(s) (18; 18A, B) interpuesta(s) entre un miembro y el otro (17, 10) y que tienen inclusiones a través del espesor y que responden a la radiación para elevar la temperatura de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) a través del espesor promoviendo uniones por soldadura en las interfaces con las soldaduras de dichos miembros (10, 17), comprendiendo el aparato medios (18R) para interponer dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) entre dichos miembros (10, 17), medios (15) para aplicar dicha radiación a dichos miembros (17, 10) con dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) interpuesta(s), medios (31) para hacer contacto por rodadura o deslizamiento con uno (17) de dichos miembros al aplicar la presión (15P) que ayuda a la unión dirigida a través del espesor de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B), y medios (23) para mover dichos miembros (10, 17) irradiados de esta manera desde dichos medios (15) para aplicación.
13. Aparato de acuerdo con la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que dichos medios (18R) para interposición sirven para suministrar (17R) uno (17) de dichos miembros junto con dicha(s) capa(s) (18; 18A, B).
14. Aparato de acuerdo con la reivindicación 12 o con la reivindicación 13, que comprende además medios (16) para verificar la soldadura de dichos miembros (10, 17) irradiados.
15. Aparato de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dichos medios (16) para verificar incluyen una cámara de imagen térmica (16) que responde a otra radiación que surge del calentamiento de dicha(s) capa(s) (18; 18A, B) interpuestas y operativa a través de uno de dichos miembros (17) que es transmisor tanto de dichas radiaciones de calentamiento como de otras radiaciones.
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