DE10342921B4

DE10342921B4 - Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen und einem hierzu notwendigen Schweißmittel

Info

Publication number: DE10342921B4
Application number: DE10342921.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. van Laak Hermann; Kai Radermacher
Original assignee: Plasticon Germany GmbH
Current assignee: Plasticon Germany GmbH
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: DE10342921A1

Abstract

Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen, insbesondere durch eine Durchstrahllichtschweißung, wobei Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) mit Hilfe eines Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) verbunden werden, wobei die Verwendung eines zu den Kunststoffhalbzeugen (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) artgleichen Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) erfolgt, welcher zumindest auf einer Fläche eine Licht im Wellenlängenbereich von 150–2500 Nanometer absorbierende Beschichtung (3, 7, 12, 17, 19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenangleichung der Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) und des Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) durch eine geringe Energieeinstrahlung in einem ersten Arbeitsschritt erfolgt und eine anschließende Verschweißung mit notwendiger Energieeinstrahlung zur Plastifizierung der Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) und/oder des Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen, insbesondere durch eine Durchstrahllichtschweißung, wobei Halbzeuge mit Hilfe eines Schweißzusatzstoffes verbunden werden, wobei die Verwendung eines zu den Kunststoffhalbzeugen artgleichen Schweißzusatzstoffes erfolgt, welcher zumindest auf einer Fläche eine Licht im Wellenlängenbereich von 150–2500 Nanometer absorbierende Beschichtung aufweist.
Zum Transportieren, Lagern und Ab- oder Weiterleiten von hochkorrosiven Gasen oder Flüssigkeiten werden Verbindungskanäle für Behälter und Container benötigt, die eine gas- und flüssigkeitsdichte und korrosionsbeständige Verbindung aufweisen. Ebenso ist es erforderlich eine Behälterauskleidung dort vorzusehen, wo metallische oder aus preiswerteren Kunststoffmaterialien bestehende Behälter, eingesetzt werden, die korrosive Gase oder Flüssigkeiten aufnehmen. Hochkorrosive Gase oder Flüssigkeiten stammen in der Regel von Microchip-Fabriken, Chemikalienproduzenten und -distributoren sowie Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und zahlreichen industriellen Prozessanlagen. Für die Verbindung einzelner Behälter werden in der Regel Verbindungskanäle eingesetzt, die untereinander und mit den entsprechenden Behältern verbunden werden müssen. Hierbei werden Verfahrenstechniken, wie das Warmgasziehschweißen, Heißluftschweißen, das Heizelementkontaktschweißen, das Infrarotschweißen, die Fusionsschweißung oder das Elektromuffenschweißen angewendet.
Die vorgenannten Schweißtechniken weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Beispielsweise benötigt das Warmgasziehschweißen und die Fusionsschweißung sehr große Schmelzquerschnitte, welche zu einer zeit- und kostenintensiven Verarbeitung führen. Ferner sind präzise Nahtvorbereitungen und eine lange Schweißnahtfixierung zum Abkühlen erforderlich, sodass bei einigen Fügebereichen die vorgenannten Schweißverfahren unwirtschaftlich sind.
Ein für Thermoplaste handelsübliches Schweißelementkontaktschweißen ist hingegen bei fluorierten Thermoplasten, wie zum Beispiel PFA, FEP oder MFA in der Regel nicht anwendbar. Nachteile des Heizelementkontaktschweißens entstehen beispielsweise durch das Kleben der Schmelze auf den Materialoberflächen und der korrosive Angriff durch das Fluor. Ferner sind teuere hochlegierte Werkzeuge für die Herstellung notwendig und erhöhen die Fertigungskosten. Das Elektromuffenschweißen hingegen benötigt für den Schweißvorgang eine Schweißmuffe und wird ebenfalls bislang nicht bei fluorierten Thermoplasten eingesetzt. Das Infrarotschweißen ist demgegenüber für hochfluorierte Thermoplaste nur bedingt einsetzbar.
Alle vorgenannten Schweißverfahren weisen zudem den Nachteil auf, dass eine aufwendige Fixierung der zu verbindenden Teil notwendig ist, um einen Verzug in der Abkühlphase zu vermeiden. Aufgrund der großen Schmelzvolumen sind relativ große Zykluszeiten zum Aufheizen, Verbinden und Abkühlen notwendig, sodass es insbesondere bei einer geringen Wanddicke sehr schwierig ist, eine sichere Schweißnaht mit herkömmlichen Schweißtechniken zu erzielen. Aus diesem Grunde können derartige Schweißtechniken für die Herstellung von beispielsweise einfachen, kostengünstigen Hohlkörpern oder für Innenverkleidungen nicht eingesetzt werden. Ferner werden bei den vorgenannten Schweißverfahren Drähte verwendet, die vollständig erwärmt werden müssen, sodass nach der Plastifizierung der Schweißdraht keine mechanische Belastung durch Zug- oder Druckspannungen aufnehmen kann und gegebenenfalls reißt oder abbricht. Bei größeren Schweißnähten kann es ferner erforderlich sein, mehrere Schweißdrähte in einer Naht einzulegen, sodass die Fehlerhäufigkeit zunimmt. Soweit mit Hilfe eines Handextruders eine Schweißnaht hergestellt wird, entsteht nicht nur eine große Schmelze, sondern es können sich auch Lunker ausbilden, die zu einer fehlerhaften Dichtigkeit der Schweißnaht führen. Durch die große Schmelze erfolgt zudem ein hoher Wärmeeintrag, sodass die Halbzeuge wesentlich länger fixiert werden müssen und die Verarbeitungsgeschwindigkeit damit herab gesetzt wird.
Aus der JP H06-114 943 A ist eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier unterschiedlicher Kunststoffmaterialien mit Hilfe eines Abdeckstreifens bekannt. Der Abdeckstreifen weist auf zumindest einer Seite eine elektromagnetische Strahlung absorbierende Beschichtung auf.
Aus der US 2002 0 100 540 A1 ist die Verwendung von Muffen zum Verbinden zweier Rohrenden bekannt, wobei die Muffen zumindest auf der Innenseite eine absorbierende Beschichtung aufweisen.
Aus der DE 199 16 786 A1 ist ein Verfahren zur Verbindung mindestens zweier aus Kunststoff bestehender Rohr- und/oder Wandelemente bekannt, wobei zwischen den zu verbindenden Elementen eine Verschmelzungsfläche ausgebildet ist, welche durch elektromagnetische Strahlung erwärmt wird. Die Verwendung von Schweißzusatzstoffen ist aus dieser Offenlegungsschrift nicht bekannt.
Aus der WO 00/20157 A1 ist die Verbindung zweier Halbzeuge mittels Einwirkung eines Laserstrahles bekannt, wobei zwischen den berührenden Flächen eine Verschmelzungsfläche ausgebildet ist. Der Stand der Technik offenbart hierbei jedoch keine Verbindung zweier Kunststoffteile in mehreren Arbeitsschritten, wobei in einem ersten Arbeitsschritt eine Oberflächenangleichung der Halbzeuge vorgenommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen von Halbzeugen aufzuzeigen, welches eine wesentlich verkürzte Montage- und Schweißzeit sowie eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, wobei die unterschiedlichsten Kunststoffmaterialien miteinander verbunden werden können, sodass eine betriebssichere gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung entsteht.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Verfahrensaufgabe vorgesehen, dass eine Oberflächenangleichung der Halbzeuge und des Schweißzusatzstoffes durch eine geringe Energieeinstrahlung in einem ersten Arbeitsschritt erfolgt und anschließend eine Verschweißung mit notwendiger Energieeinstrahlung zur Plastifizierung der Halbzeuge und/oder des Schweißzusatzstoffes in einem zweiten Arbeitsschritt.
Hierzu wird ein Schweißverfahren angewendet, bei dem zuerst eine Oberflächenangleichung von Halbzeugen und Schweißzusatzstoff durch Energieeinstrahlung erfolgt und in einem Schweißvorgang eine Verschweißung mit der dafür notwendigen Energieeinstrahlung zur Plastifizierung der Halbzeuge und/oder des Schweißzusatzstoffes erfolgt, wobei die erste Energieeinstrahlung mit gleicher oder geringerer Energieintensität erfolgen kann. Durch die Oberflächenangleichung können vorhandene Unebenheiten und Aufrauungen der Halbzeuge beziehungsweise des Schweißzusatzstoffes zunächst ausgeglichen werden und führen somit zu einer vergrößerten Kontaktfläche, sodass bei der nachfolgenden Energieeinstrahlung eine zuverlässige flächendeckende Plastifizierung erzielt wird und ein Verbinden der Halbzeuge mit dem Schweißzusatzstoff erfolgt.
In weiterer besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass das Schweißverfahren in einem Arbeitsgang mittels Durchstrahllichtschweißung erfolgt, wobei gleichzeitig ein notwendiger Anpressdruck durch geeignete Hilfsmittel für die Zeit der Verschweißung aufgebracht wird, damit innerhalb der relativ kurzen Abkühlphase entsprechender Druck auf die Halbzeuge und den Schweißzusatzstoff ausgeübt wird, sodass fehlerhafte Schweißnähte vermieden werden.
Der vorgesehene Schweißzusatzstoff zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass er im Wellenlängenbereich von 150–2500 Nanometer eine absorbierende Beschichtung aufweist und somit insbesondere für eine Durchstrahllichtschweißung geeignet ist, wobei als Schweißgeräte Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser und/oder Infrarotlicht, beispielsweise durch eine Xenon-Kurzbogenlampe einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beliebige Halbzeuge unterschiedlichster Zusammensetzung miteinander verbunden werden können, sofern der Schweißzusatzstoff ein Basismaterial aus einem artgleichen Kunststoff zum Beispiel m-PTFE oder PTFE mit PFA oder PE-UHMW mit PE-HD aufweist. Insbesondere sind Standard-Thermoplaste, wie PE-HD, PP, PVC, PVC-C, PMMA, PC, oder teilfluorierte Thermoplaste, wie PVDF, E-CTFE, oder vollfluorierte Thermoplaste, wie FEP, MFA, PFA, nach diesem Verfahren miteinander verschweißbar. Durch die Verwendung eines Schweißzusatzstoffes mit absorbierender Beschichtung können somit Halbzeuge, welche gegebenenfalls einzeln nicht miteinander verbunden werden können, miteinander verschweißt werden, wobei selbstverständlich auch nicht fluorierte Kunststoffe verwendbar sind. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren liegt weiterhin in der geringen Wärmeeinbringung, sodass nur kurze Schweißnahtfixierungen notwendig sind. Hierdurch behalten die verwendeten Schweißzusatzmittel ferner ihre mechanische Stabilität und es wird in der Regel nur ein Schweißzusatzmittel für eine Schweißnaht benötigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchdringt beispielsweise ein Laserstrahl das lasertransparente Halbzeug oder den Schweißzusatzstoff bis zur Beschichtung oder es wird durch Wärmeeinwirkung zum Beispiel durch ein Infrarotlicht in der mit entsprechenden Additiven versehenen Beschichtung die zugeführte Wärme absorbiert, sodass durch die in der Beschichtung und dem Schweißzusatzstoff erzeugte Wärme ein dünner Schmelzfilm entsteht, der eine Verbindung zwischen den Halbzeugen und dem Schweißzusatzstoff bewirkt. Der Schmelzfilm weist typischerweise eine Dicke von beispielsweise 0,1 bis 0,2 mm auf, der zur Verbindung der Halbzeuge ausreicht. Zusätzlich werden die durch die lokale Wärmeentwicklung in Kontakt mit dem Schweißzusatzstoff befindlichen Halbzeuge ebenfalls erwärmt und an der Oberfläche leicht angeschmolzen, sodass die Oberflächen miteinander verschmelzen und nach der Abkühlung sehr fest miteinander verbunden sind. Die an den Oberflächen beziehungsweise Kontaktflächen gebildete Schmelzmasse ist so gering, dass gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren eine wesentlich reduzierte Aufwärmehase, Schweiß- und Abkühlzeit erforderlich ist. Beispielsweise wird für das Laserschweißen gegenüber dem Warmgasziehschweißen nur 7% der Energie benötigt. Der Zeitaufwand für den Schweißvorgang reduziert sich auf circa 25% der beim Warmgasziehschweißen benötigten Zeit. Durch die reduzierten Bearbeitungszeiten ist somit eine schnelle Verarbeitung möglich. Ferner wird die Belastung des Kontaktbereichs beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren durch Scherung bei unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten der miteinander verbundenen Halbzeuge und des Schweißzusatzstoffes wesentlich verringert. Die erhöhte Schweißgeschwindigkeit aufgrund des geringen Schmelzvolumens ist für alle Thermoplaste besonders vorteilhaft und anwendbar. Durch die kleinere Wärmeeinflusszone ergibt sich somit eine wesentlich kürzere Schweißnahtfixierung, wodurch die Produktionsrate erhöht wird und die Fertigungskosten gesenkt werden können. Eine besondere Schweißnahtvorbereitung ist beim Herstellen der Verbindung nicht erforderlich, sodass die Kosten insgesamt verringert und die Handhabung vereinfacht wird. Durch die Verringerung der Abkühlzeiten können ferner größere Stückzahlen wirtschaftlich verarbeitet und einem Automatisierungsprozess mit einer hohen Reproduzierbarkeit zugeführt werden.
Als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens ist bei hochfluorierten Kunststoffen durch den geringen Energieübertrag und das geringe Schweißvolumen eine erheblich reduzierte Emission von Umwelt- und gesundheitsschädlichen Gasen von Bedeutung. Somit können auch hochfluorierte Thermoplaste ohne Probleme miteinander verbunden werden. Aufgrund der geringeren Wärmeeinflusszonen ist ein Verzug der zu verbindenden Halbzeuge minimiert, sodass keine aufwendige und lange Fixierung der Teile notwendig ist, wodurch die Zykluszeit, wie Aufheizen, Verbinden und Abkühlen, wesentlich reduziert werden kann. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ist ferner durch die verhältnismäßig kleine Wärmeeinflusszone in vorteilhafter Weise bei geringen Wanddicken anwendbar. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass an die wärmeabsorbierende Beschichtung und an die Kunststoffmaterialien der Halbzeuge im Bereich der Schweißnähte keine besonders hohen Fertigungsanforderungen gestellt werden müssen, da der Schweißzusatzstoff zur Verbindung der Halbzeuge vorgesehen ist und eine ausgleichende Funktion übernimmt. Hierzu sind beispielsweise keine Vorbehandlungen oder besondere Vorbereitungen zur Verbindung der Halbzeuge notwendig, da der Schweißzusatzstoff als Verbindung der unterschiedlichsten Materialien vorgesehen ist und die Beschichtung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eine absorbierende Wirkung aufweist, wobei die absorbierende Beschichtung jeweils den zu verschweißenden Halbzeugen zugewandt ist, sodass bei den Schweißvorgängen die Wärmeeinwirkung jeweils von der laser- oder infrarottransparenten Seite her erfolgt.
Soweit Halbzeuge miteinander verbunden werden, die aus mehreren Einzelelementen bestehen, sodass beispielsweise Kreuzungsbereiche von Schweißnähten entstehen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Kreuzungsbereich von Schweißnähten nach erfolgter Verschweißung eine sich in die Schweißnähte erstreckende Vertiefung eingearbeitet wird, in welche ein korrespondierendes Formstück eingelegt und mit den Halbzeugen und Schweißnähten verschweißt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit dass im Kreuzungsbereich auf die Schweißnähte und die Halbzeuge ein abdeckendes Formstück aufgelegt wird, welches wiederum mit den Halbzeugen und den Schweißnähten aufgrund einer einseitigen Beschichtung verschweißbar ist.
Soweit auf die Halbzeuge aufgelegte Schweißzusatzstoffe zur Verschweißung verwendet werden, können diese im Kreuzungsbereich abgeschrägt sein, sodass die nachfolgenden Schweißzusatzstoffe entlang der Abschrägung nach oben hochgezogen und nach erfolgter Verschweißung bündig abgeschnitten werden können. Bei einer einfach überlappenden Schweißnaht kann ferner in eine bereits fertiggestellte Schweißnahtfuge eine entsprechend der Form des Schweißzusatzstoffes geformte Ausnehmung eingearbeitet werden, die schräg nach oben ausläuft und in die der Schweißzusatzstoff eingelegt wird. Nach Beendigung des Schweißvorgangs kann dieser anschließend bündig abgeschnitten werden, sodass eine in sich geschlossene Schweißnaht entsteht. Diese Variante wird vorzugsweise dort eingesetzt, wo beispielsweise ringförmig geführte Schweißnähte erforderlich sind, die zum Anfang der Schweißnaht zurückgeführt werden.
Zur Anwendung des Verfahrens wird ein Schweißmittel verwendet, welches zur Verschweißung von Kunststoffen aus einem artgleichen Material besteht und zum Einlegen in eine Schweißnaht und/oder zum Abdecken der Schweißnaht vorgesehen ist. Hierbei besteht der Schweißzusatzstoff aus einem Trägermaterial mit einer zumindest partiell ausgeführten Beschichtung, wobei das Trägermaterial im Wellenlängenbereich von 150–2.500 Nanometer nicht absorbierend ausgebildet ist und die Beschichtung Licht im Wellenlängenbereich von 150–2.500 Nanometer, vorzugsweise 500–1.500 Nanometer, besonders bevorzugt von 800–1.000 Nanometer absorbiert.
Der Schweißzusatzstoff kann eine zweckentsprechende Form für die Schweißkante aufweisen und partiell beschichtet sein, wobei der Schweißzusatzstoff als Aufheizstoff zur Verbindung der Halbzeuge vorgesehen ist, und das Trägermaterial des Schweißzusatzstoffes eine Dicke von 0,8–5,0 mm aufweist, während die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,05–1,5 mm, vorzugsweise 0,1–1,0 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,3 mm aufweist.
Der Schweißzusatzstoff dient unmittelbar zur Verbindung der Halbzeuge und wird in eine vorhandene Schweißnaht eingelegt oder gegebenenfalls zum Abdecken der Schweißnaht benutzt, wobei der Schweißzusatzstoff zumindest partiell eine lichtabsorbierende Beschichtung aufweist, während das Basismaterial in dem Wellenlängenbereich nicht absorbierend ausgebildet ist. Durch diese absorbierende Beschichtung in einem Wellenlängenbereich von 150 bis 2500 Nanometer, insbesondere 500–1500 Nanometer oder 800–1000 Nanometer wird eine Erwärmung des Schweißzusatzstoffes bewirkt, und zwar zunächst innerhalb der absorbierenden Beschichtung, die sich dann im Weiteren auf den Schweißzusatzstoff und die zu miteinander verbindenden Halbzeuge erstreckt. Hierzu wird der Schweißzusatzstoff mit der absorbierenden Beschichtung unmittelbar auf die zu verbindenden Halbzeuge aufgelegt. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise auf einer Fläche, einer Kante und/oder einem Teilumfang des Schweißzusatzstoffes ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Schweißzusatzstoff eine Dicke von 0,8 bis 5,0 mm auf, während die Beschichtung in der Regel eine Schichtdicke von 0,2 bis 0,3 mm aufweist. Die Beschichtung kann aus einem laser- oder infrarotabsorbierenden Kunststoffmaterial bestehen, welches auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt ist. Hierbei können gegebenenfalls für die verschiedenen Laserschweißtechniken oder Infrarotbestrahlung unterschiedliche Schweißzusatzstoffe zur Verfügung gestellt werden, die optimal auf den Wellenlängenbereich und gegebenenfalls die verwendeten Kunststoffmaterialien als Halbzeuge abgestimmt sind.
Die Form des Schweißzusatzstoff wird hierbei so gewählt, dass die Anlage an jede mögliche Schweißkante gewährleistet ist beispielsweise für eine Flachverschweißung oder eine Verschweißung über Eck, im letztern Fall kann der Schweißzusatzstoff beispielsweise für eine Innenanlage dreieckförmig ausgebildet sein, während er für eine Außenanlage winkelförmig ausgebildet ist und jeweils eine partielle Beschichtung auf der Anlagefläche zu den Halbzeugen aufweist. Beispielsweise kann der Schweißzusatzstoff aus einem Rundmaterial bestehen, welches eine partielle Oberflächenbeschichtung zumindest über die halbe Umfangsfläche aufweist, wobei das Rundmaterial in eine vorhandene Nut eingelegt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Schweißzusatzstoff aus einem Flachmaterial besteht, welches eine partielle Oberflächenbeschichtung auf zumindest einer Seite und/oder Kante aufweist und ebenfalls zur Anlage an entsprechende Halbzeuge vorgesehen ist. Ferner besteht die Möglichkeit, dass der Schweißzusatzstoff rautenförmig oder dreieckförmig ausgebildet ist und eine Beschichtung auf einer längeren Rautenseite oder den beiden kurzen Schenkelseiten aufweist. Dreieckförmige Schweißzusatzstoff werden vorrangig für innenliegende Übereckverschweißungen verwendet, während im Querschnitt rautenförmig ausgebildete Schweißzusatzstoff für eine Flachverschweißung zweier Halbzeuge eingesetzt werden und den Vorteil bieten, dass infolge der auftretenden Spannungsreduzierung während der Abkühlung und beim späteren Einsatz keine Materialbeschädigungen der Halbzeuge auftreten. Soweit mehrere einzelne Halbzeuge miteinander verschweißt werden müssen und Kreuzungsbereiche entstehen, kann beispielsweise der Kreuzungsbereich durch einzelne Formstücke abgedeckt werden, die dann mit den Halbzeugen und den bereits gefertigten Schweißnähten nochmals verschweißt werden, wobei die Formstücke als Schweißzusatzstoffe ausgeführt sind. Diese Formstücke können beispielsweise kalottenförmig- oder linsenförmig ausgebildet sein und in eine eingearbeitete Ausnehmung eingelegt werden oder aber im Kreuzungsbereich auf den Halbzeugen aufliegen. Soweit ein aufgelegter Schweißzusatzstoff verwendet wird, kann dieser im Kreuzungsbereich abgeschrägt werden, sodass der kreuzende Schweißzusatzstoff entlang der Abschrägung nach oben verläuft und nach der Verschweißung bündig abgeschnitten werden kann. Die Dicke des Trägermaterials des Schweißzusatzstoffs kann hierbei von 0,8 bis 5,0 mm variieren und hängt im Wesentlichen von der Dicke der zu verschweißenden Halbzeuge ab, während die Beschichtung eine Schichtdicke von nur 0,05 bis 1,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 1,0 mm und besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,3 mm aufzuweisen braucht.
Zur Verschweißung des Schweißzusatzstoffes und der Halbzeuge ist das Durchstrahllichtschweißen vorgesehen und hierzu wird ein Festkörperlaser, ein Gaslaser, ein Halbleiterlaser oder eine Infrarotlichtquelle, beispielsweise einer Xenon-Kurzbogenlampe, verwendet. Durch die Energieeinstrahlung der vorgenannten Laser beziehungsweise Xenonlampe folgt zunächst eine Aufheizung der absorbierenden Beschichtung, die sich im Weiteren auf den Schweißzusatzstoff und die Halbzeuge überträgt, sodass es zu einer Plastifizierung kommt, die zu einer Verbindung der Schweißzusatzstoffe mit den Halbzeugen führt und nach erfolgter Abkühlung eine dauerhafte und gasdichte Verbindung gewährleistet.
Die Herstellung der Schweißzusatzstoffe mit absorbierender Beschichtung ist auf verschiedene Weisen möglich und technisch unproblematisch, da das Aufbringen der absorbierenden Beschichtungen erst im nachfolgenden Arbeitsgang erfolgt, insofern kann das Trägermaterial des Schweißzusatzstoffes durch Extrudieren, Spritzen, Schälen oder Pressen hergestellt werden. Die anschließend aufzutragenden Beschichtung besteht vorzugsweise aus absorbierenden, thermostabilen Additiven, wobei die Partikel infrarotsensitive, organische oder anorganische Materialien mit einer Mindesttemperaturstabilität aufweisen, die den Verarbeitungstemperaturen der verwendeten Kunststoffmaterialien der Halbzeuge entsprechen und in Abhängigkeit des Wärmeeinwirkungsverfahrens beispielsweise aus Farbpigmenten, wie Rußteilchen oder Glimmer mit Zinn-/Antimonbeschichtung bestehen.
Falls für die Herstellung des Trägermaterials des Schweißzusatzstoffes ein Extrusionsverfahren verwendet wird, kann es sich hierbei auch um ein Koextrusionsverfahren handeln, bei dem gleichzeitig eine mit Additiven versehene Beschichtung koextrudiert wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass das Trägermaterial der Schweißzusatzstoffe zunächst extrudiert wird und eine separat zugeführte Beschichtung durch Lichteinwirkung zu einer Verschweißung mit dem Trägermaterial des Schweißzusatzstoffes führt. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass der Schweißzusatzstoff aus zwei getrennten Flachmaterialien entsprechender Dicke hergestellt wird, wobei beide Flachmaterialien von einer Rolle abgewickelt und deckungsgleich durch Lichteinwirkung miteinander verschweißt werden.
Zusammenfassend ist somit festzustellen, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und das Schweißmittel alle gängigen Formen und Materialien von Halbzeugen miteinander verschweißbar sind, wobei als Verbindungselement der Schweißzusatzstoff verwendet wird und dieser eine Beschichtung aufweist, die Laser- oder Infrarotlicht absorbierend ausgebildet ist, sodass zunächst in der Beschichtung eine Erwärmung stattfindet, die anschließend auf den Schweißzusatzstoff und die Halbzeuge übergreift, sodass es nach erfolgter Plastifizierung, Vermischung und Abkühlung zu einer dauerhaften, gasdichten Verbindung kommt. Der besondere Vorteil besteht darin, dass auch bei schwer schweißbaren oder problematischen Kunststoffen eine erheblich reduzierte Emission von umwelt- und gesundheitsschädlichen Gasen erfolgt und hervorragende Ergebnisse erzielt werden.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren nochmals erläutert.
Es zeigt
1 mehrere Ausführungsformen eines Schweißzusatzstoffes mit absorbierender Beschichtung, wie er für die verschiedenen Schweißtechniken verwendet werden kann,
2 mehrere Halbzeuge, die durch einen Schweißzusatzstoff miteinander verbunden sind,
3 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht in mehreren Arbeitsschritten die Herstellung eines Kreuzungsbereichs mit aufgelegtem Schweißzusatzstoff,
4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 3, wobei ein Formstück für den Kreuzungsbereich verwendet wird, an dem die Schweißzusatzstoffe anliegen,
5 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht in mehreren Arbeitsschritten die Herstellung eines Kreuzungsbereichs mit einem bündig eingesetzten Formstück und
6 zeigt die Herstellung einer überlappenden Schweißnaht mit einem dreieckförmigen Schweißzusatzstoff.
1 zeigt mehrere Ausführungsformen eines Schweißzusatzstoffes in einer perspektivischen Darstellung mit absorbierender Wirkung, wie er für die verschiedenen Schweißtechniken verwendet werden kann. In der oberen Abbildung ist ein Schweißzusatzstoff 1 mit einem rechteckförmigen Querschnitt dargestellt, der aus einem Trägermaterial 2 besteht, das auf einer Unterseite 8 eine absorbierende Beschichtung 3 aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 3 auf der Unterseite 8 vorgesehen, es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit, dass nicht nur die Unterseite 8, sondern auch eine Seitenkante 4 mit der absorbierenden Beschichtung 3 versehen wird.
In der darunter befindlichen Abbildung ist ein dreieckförmiger Schweißzusatzstoff 5 abgebildet, der auf den beiden unteren Schenkelflächen 6 mit einer absorbierenden Beschichtung 7 versehen ist. Diese Ausführungsform eines Schweißzusatzstoffes 5 wird vorrangig für Keilnuten oder die Verschweißung von Eckbereichen eingesetzt.
In der nachfolgenden Teilfigur ist ein trapezförmiger Schweißzusatzstoff 10 dargestellt, der auf seiner Unterseite 11 eine absorbierende Beschichtung 12 aufweist. Diese Ausführungsform wird vorrangig zur Verschweißung von flach nebeneinander liegenden Halbzeugen verwendet, wobei durch die besondere Form auftretende Spannungen nach dem Abkühlen der Halbzeuge vermieden werden. In der nachfolgenden Teilfigur ist ein weiterer Schweißzusatzstoff 15 dargestellt, der zur Anlage an einer vorstehenden Ecke verwendbar ist und aus diesem Grunde eine rechtwinklige Ausnehmung 16 aufweist, die wiederum mit einer absorbierenden Beschichtung 17 versehen ist. Im Querschnitt gesehen ist der Schweißzusatzstoff 15 ebenfalls trapezförmig ausgebildet, jedoch kommt es auf dessen äußere Formgebung nicht an, da lediglich die innere rechtwinklige Ausnehmung 16 zur Anlage gelangt. In der unteren Teilfigur ist ein weiterer Schweißzusatzstoff 18 dargestellt, der halbrund ausgeführt ist und auf seiner abgerundeten Fläche eine absorbierende Beschichtung 19 aufweist.
2 zeigt in mehreren Teilfiguren verschiedene Ausführungsformen mit Schweißzusatzstoffen und Halbzeugen. In der oberen Teilfigur sind zwei flach nebeneinander liegende Halbzeuge 20, 21 dargestellt, die durch einen Schweißzusatzstoff 1, wie er bereits aus 1 bekannt ist, miteinander verschweißt werden. Der Schweißzusatzstoff 1 liegt mit seiner absorbierenden Beschichtung 7 unmittelbar an den Halbzeugen 20, 21 an, sodass durch Lasereinwirkung- oder IR-Bestrahlung von der Halbzeugseite her eine Verschweißung erfolgen kann.
In der darunter befindlichen Abbildung werden ebenfalls zwei Halbzeuge 20, 21 miteinander verschweißt, wobei in diesem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schweißzusatzstoff 10 zur Verschweißung verwendet wird, der mit seiner absorbierenden Beschichtung 11 unmittelbar auf den Halbzeugen 20, 21 aufliegt, sodass durch den Schweißzusatzstoff 10 hindurch eine Laser- oder Infrarotlichtbestrahlung erfolgen kann. Hierbei wird ein trapezförmiger Schweißzusatzstoff 10 verwendet, um eine möglichst geringe Spannungswirkung auf die Halbzeuge 20, 21 während und nach der Verschweißung zu erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Halbzeuge 20, 21 mit ihren Stirnflächen dicht zusammengelegt dargestellt, es besteht jedoch ohne Weiteres die Möglichkeit einen größeren Abstand von beispielsweise drei bis vier Millimeter zu wählen, damit eine eventuelle Kerbwirkung verhindert wird.
Die weitere Teilfigur zeigt zwei Halbzeuge 22, 23 die nach dem zusammenlegen eine keilförmige Nut 24 an ihren Kanten aufweisen. In dieser Nut liegt ein Schweißzusatzstoff 5 ein, wie er bereits aus 1 bekannt ist und zwar so, dass die beiden beschichteten Flächen 6 unmittelbar an der Keilfuge 24 zuliegen kommen. Verschweißt werden die beiden Halbzeugen 22, 23 durch den Schweißzusatzstoff 5 hindurch, entweder mittels Laserbestrahlung oder einer Infrarotlampe.
In der nächstfolgenden Teilfigur sind zwei Halbzeuge 25, 26 dargestellt, die zusammengefügt eine runde Nut 27 aufweisen. In die Nut 27 wird zunächst ein Schweißzusatzstoff 18 eingelegt und mit den beiden Halbzeugen 25, 26 verschweißt. Zusätzlich wird ein Schweißzusatzstoff 10 über die vorhandene Schweißnaht gelegt und ebenfalls mit den beiden Halbzeugen 25, 26 verschweißt. Durch diese Maßnahme wird verhindert das eine Kerbwirkung entsteht oder ein geringer Spalt zwischen den Halbzeugen 25, 26 verbleibt.
Die beiden unteren Teilfiguren zeigen demgegenüber zwei Halbzeuge 28, 29 die in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und durch einen Schweißzusatzstoff 5, welcher mit seiner absorbierenden Beschichtung 6 unmittelbar an den Flächen der Halbzeugen 28, 29 anliegt, verbunden werden. In der daneben befindlichen Figur sind ebenfalls zwei Halbzeuge 28, 29 dargestellt, die in diesem Fall jedoch durch einen Schweißzusatzstoff 15 miteinander verbunden werden, der von außen an der Ecke anliegt und eine absorbierende Beschichtung 17 in der rechtwinkligen Ausnehmung 16 aufweist.
3 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht in mehreren Arbeitsschritten die Herstellung eines Kreuzungsbereiches zur Verbindung von vier Halbzeugen 30, 31, 32, 33. Die Halbzeuge 30, 31,32, 33 weisen an den aneinander stoßenden Kanten eine dreieckförmige Nut 34, 35 auf, in die ein Schweißzusatzstoff 5 eingelegt und verschweißt wird. Die linke Teilfigur zeigt zunächst nur die vier Halbzeuge 30, 31, 32, 33, während die obere Teilfigur in einem weiteren Arbeitsschritt die Verschweißung mit dem Schweißzusatzstoff 5, wie er beispielsweise aus 1 bekannt ist, zeigt. Nach erfolgter Verschweißung wird auf die vorhandene Schweißnaht zunächst ein durchgehender Schweißzusatzstoff 10 aufgelegt und verschweißt, der zwei abgeschrägte Kanten aufweist. Eine nachfolgende Querverschweißung mit einem Schweißzusatzstoff 10 wird in der Art ausgeführt, dass der Schweißzusatzstoff 10 entlang der abgeschrägten Kante nach oben geführt (untere Teilfigur) und zunächst verschweißt und anschließend bündig abgeschnitten wird, wie in der rechten Teilfigur dargestellt.
4 zeigt die bereits aus 3 bekannte Anordnungen von vier Halbzeugen 30, 31, 32, 33, die gemäß der oberen Teilfigur mit einem Schweißzusatzstoff 5 (obere Teilfigur) miteinander verschweißt sind. Zur Abdeckung des Kreuzungsbereiches wird in diesem Fall ein linsenförmiges Formstück 36 verwendet, welches eine abgeschrägte Kante 37 aufweist. Die vorhandene Schweißnaht mit dem Schweißzusatzstoff 5 wird nachfolgend durch einen Schweißzusatzstoff 10 nochmals abgedeckt und an der Abschrägung 37 hochgeführt, sodass nach erfolgter Verschweißung der Schweißzusatzstoffe 10 bündig abgeschnitten werden kann.
5 zeigt, die bereits aus den 3 und 4 bekannte Anordnung von vier Halbzeugen 30, 31, 32, 33, die mit Hilfe des Schweißzusatzstoffes 5 miteinander verschweißt sind. Im Kreuzungsbereich wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine muldenförmige Vertiefung 38 eingearbeitet, in die ein kalottenförmiges Formstück 39 als Schweißzusatzstoff eingelegt wird. Das Formstück 39 wird anschließend sowohl mit den Halbzeugen 30, 31, 32, 33 als auch mit dem Schweißzusatzstoff 5 nochmals verschweißt.
In den 3 bis 5 werden beispielhaft drei Möglichkeiten aufgezeigt, wie ein Kreuzungsbereich mit den erfindungsgemäßen Schweißzusatzstoffen gasdicht verschweißt werden kann. Hierbei wird entweder ein ein- oder aufgelegtes Formstück verwendet, nachdem die Schweißnaht bereits mit einem Schweißzusatzstoff hergestellt wurde. Hierbei wird der kritische Bereich im Kreuzungspunkt nochmals abdeckt und beispielweise Schweißzusatzstoffe mit abgeschrägten Kanten verwendet, sodass der kreuzende Schweißzusatzstoff entlang der Abschrägung nach oben hochgeführt werden kann und nach erfolgter Verschweißung bündig abgeschnitten wird.
6 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine Verschweißung für beispielsweise einen dreieckförmigen Schweißzusatzstoff im Stoßbereich der Schweißnaht. Damit auch der Stoßbereich gasdicht verschweißt werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Endbereich zunächst eine entsprechend der Form des Schweißzusatzstoffes gewählte Ausnehmung eingearbeitet wird, der Schweißzusatzstoff 5 entlag dieser Ausnehmung nach oben hochgezogen und anschließend verschweißt wird. Nach erfolgter Verschweißung kann der Schweißzusatzstoff 5 bündig abgeschnitten werden, sodass die an sich entstehende Stoßfuge vermieden wird und stattdessen der Schweißzusatzstoff 5 überlappend ausgeführt ist.
Die aufgeführten beispielhaften Schweißzusatzstoffe sowie Verbindungstechniken dienen nur zur Erläuterung der Erfindung und sind keineswegs als einschränkend anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Schweißzusatzstoff
2: Trägermaterial
3: Beschichtung
4: Seitenkante
5: Schweißzusatzstoff
6: Schenkelfläche
7: Beschichtung
8: Unterseite
10: Schweißzusatzstoff
11: Unterseite
12: Beschichtung
15: Schweißzusatzstoff
16: Ausnehmung
17: Beschichtung
18: Schweißzusatzstoff
19: Beschichtung
20: Halbzeug
21: Halbzeug
22: Halbzeug
23: Halbzeug
24: Keilfuge
25: Halbzeug
26: Halbzeug
27: Nut
28: Halbzeug
29: Halbzeug
30: Halbzeug
31: Halbzeug
32: Halbzeug
33: Halbzeug
34: Nut
35: Nut
36: Formstück
37: Abschrägung
38: Vertiefung
39: Formstück
40: Ausnehmung

Claims

Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen, insbesondere durch eine Durchstrahllichtschweißung, wobei Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) mit Hilfe eines Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) verbunden werden, wobei die Verwendung eines zu den Kunststoffhalbzeugen (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) artgleichen Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) erfolgt, welcher zumindest auf einer Fläche eine Licht im Wellenlängenbereich von 150–2500 Nanometer absorbierende Beschichtung (3, 7, 12, 17, 19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenangleichung der Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) und des Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) durch eine geringe Energieeinstrahlung in einem ersten Arbeitsschritt erfolgt und eine anschließende Verschweißung mit notwendiger Energieeinstrahlung zur Plastifizierung der Halbzeuge (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) und/oder des Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißverfahren in einem Arbeitsgang mittels Durchstrahllichtschweißung erfolgt, wobei gleichzeitig ein notwendiger Anpressdruck durch geeignete Hilfsmittel für die Zeit der Verschweißung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreuzungsbereich von Schweißnähten nach erfolgter Verschweißung eine sich in die Schweißnähte erstreckende Vertiefung (38) eingearbeitet wird, in welche ein korrespondierendes Formstück (39) eingelegt und mit den Halbzeugen und Schweißzusatzstoffen (1, 5, 10, 15, 18) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Kreuzungsbereich von Schweißnähten ein abdeckendes Formstück (36) als Schweißzusatzstoff aufgelegt und mit den Halbzeugen (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) sowie den Schweißnähten verschweißt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer überlappenden Schweißnaht in die bereits fertiggestellte Schweißnaht eine an die Form des Schweißzusatzstoffes (1, 5, 10, 15, 18) angepasste Ausnehmung (40) eingearbeitet wird, in die der Schweißzusatzstoff (1, 5, 10, 15, 18) eingelegt und nach oben ausläuft und nach erfolgter Verschweißung bündig abgeschnitten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kreuzungsbereich von Schweißnähten bei aufgelegten Schweißzusatzstoffen (1, 5, 10, 15, 18) diese in Richtung der kreuzenden Schweißnaht angeschrägt werden und der nachfolgende Schweißzusatzstoff (1, 5, 10, 15, 18) an der Abschrägung entlang nach oben hochgezogen und nach dem Verschweißen bündig abgeschnitten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierende Beschichtung (3, 7, 12, 17, 19) den zu verschweißenden Halbzeugen (20, 21, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33) zugewandt ist.