DE1114630B

DE1114630B - Verfahren und Vorrichtung zum Verschweissen thermoplastischer Kunststoffe oder damit beschichteter Materialien

Info

Publication number: DE1114630B
Application number: DEH33301A
Authority: DE
Inventors: Rolf Herfurth
Original assignee: Herfurth GmbH
Current assignee: Herfurth GmbH
Priority date: 1958-05-17
Filing date: 1958-05-17
Publication date: 1961-10-05

Description

Verfahren und Vorrichtung zumVerschweißen thermoplastischer Kunststoffe oder damit beschichteter Materialien Die nachfolgend beschriebene Erfindung dient dem Zweck, den Anwendungsbereich der bekannten Schweißvorrichtungen für thermoplastische Kunststoffe zu erweitern. Den Schweißvorrichtungen liegen hierbei entweder das Hochfrequenzverfahren oder das Strom- bzw. Wärmeimpulsschweißverfahren zugrunde.
Thermoplaste sind Kunststoffe mit schlechter Wärmeleitung, die mit zunehmender Temperatur erweichen. Ihre Verschweißung ist möglich, wenn an der Verbindungsstelle die Schmelztemperatur und das auf Schmelzfluß gebrachte Material zur innigen Verbindung ineinanderfließt. Letzteres wird durch Druck erreicht, der unter anderem auch vor der Verschweißung notwendig ist, um ein Aufeinanderpressen des noch kalten Materials ohne störende Lufteinschlüsse zu erreichen.
Zur Erzeugung des erforderlichen Druckes werden Pressen verwendet, die die Schweißwerkzeuge bei dem bisher üblichen Schweißvorgang mit einem vorher einstellbaren Druck beaufschlagen. Dieser Druck soll mit zunehmender Erwärmung und dazu parallel verlaufender Querschnittsminderung des zu verschweißenden Materials möglichst nicht abnehmen, damit noch ein ausreichender Enddruck bei vollendeter Erwärmung vorhanden ist. Der Anfangsdruck darf jedoch nicht zu groß gewählt werden, da die mit zunehmender Erweichung des Materials immer weiter eindringende Schweißvorrichtung das Material vor Erreichen der Schmelztemperatur aus dem Arbeitsbereich herausdrückt, wodurch nicht mehr zulässige Querschnittsminderungen entstehen können. Es ist hierbei nämlich zu berücksichtigen, daß der erforderliche Druck des Stempels in Relation zur Materialstärke steigt, da der Stempel einer größeren Materialmenge und insbesondere dem in ihr auftretenden Gas bei Schmelztemperatur entgegenzuwirken hat. Der Stempel dringt dadurch effektiv zu früh in das erweichende Material ein.
Es ist in diesem Zusammenhang noch zu bemerken, daß für die Güte einer Schweißverbindung lediglich die Festigkeit der Verbindungsstelle maßgebend ist, nicht aber die Materialstärke. Letztere darf aber einen Mindestwert nicht überschreiten, d. h., die durch den Druck bedingte Querschnittsminderung an der Schweißstelle kann nicht beliebig kleine Werte annehmen.
Um das Herauspressen von Material durch zu hohen Anfangsdruck zu vermeiden, sind Anordnungen nacheinandergeschalteter Heiz- und Kühlstationen angewendet worden, die auf die Schweißzone beim Erwärmen nur einen leichten Druck aus- üben, mit zunehmender Abkühlung den Druck aber fortschreitend größer werden lassen. Weiterhin ist vorgeschlagen worden, zwischen Schweißvorrichtung (Elektrode) und Druckorgan eine Feder od. dgl. vorzusehen, die zu Beginn des Preßvorganges gespannt wird. Diesen und anderen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß das Werkzeug auf dem zu erweichenden Material schwimmt und sich während der Erweichung in keiner fixierten Lage befindet. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß der Druck auf die Schweißzone während der Erwärmungszeit möglichst gleichbleibend sein muß, und zwar bei einem der Viskosität des Materials entsprechend kleinen Wert. Vor und nach der Erwärmungsperiode ist aus den obenerwähnten Gründen großer Druck vorzusehen.
Die Erfindung liefert nun ein Verfahren zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe oder damit beschichteter Materialien, wobei auf das zu verschweißende Material ein unterschiedlicher Druck mittels einer Presse ausgeübt wird Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß derart ausgeführt, daß das Eindrücken des Schweißwerkzeuges in das noch kalte Material unterbrochen und erst nach Ablauf der Heizperiode wieder ermöglicht wird.
Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß die Werkzeuge während des Erweichens des zu verschweißenden Materials nicht tiefer eindringen können, als es durch den Vordruck möglich war. Der Druck auf die Schweißzone nimmt entsprechend der temperaturabhängigen Viskosität des Materials ab und stellt sich automatisch auf den gewünschten niedrigen Wert ein. Nach der Erwärmungszeit wirkt dann nach Entriegelung abschließend ein erhöhter Nachdruck auf die Schweißzone ein, wobei diese vorteilhaft so weit abgekühlt werden kann, daß nur noch die zu verschweißenden Materialinnenseiten Schmelztemperatur aufweisen.
Nach dem Dargelegten ergibt sich die Druck-Grundeinstellung-für die Presse durch die erforderliche Größe des Nachdrucks. Letzterer wird unter anderem durch den etwas kleineren Werkzeugabstand bei geschweißtem Material bestimmt und hat etwa die gleiche Größe wie der Vordruck, bei dem der Werkzeugabstand etwa der ungeschweißten Materialstärke entspricht.
Die Erfindung hat für das Hochfrequenz-Schweißverfahren folgende Bedeutung: Allgemein ist die Temperaturverteilung im Materialquerschnitt zwischen Stempel und Unterplatte der Schweißvorrichtung angenähert ellipsenförmig, da bei diesem Verfahren die Wärme unmittelbar nach Einwirken der Hochfrequenzenergie an jeder Stelle entsteht. Durch die aufdrückenden Stempel erfolgt eine Wärme ableitung, die Temperaturellipse ist entsprechend der Stempelbreite abgeílacht.
Unmittelbar unterhalb der Stempel erfolgt daher keine nennenswerte Erweichung des Materials.
Voraussetzung für den Schweißvorgang ist, daß an den Innen seiten des zu verschweißenden Materials die Schmelztemperatur erreicht wird. Damit muß die Erwärmungsgeschwindigkeit im Material wesentlich größer sein als die Wärmeableitgeschwindigkeit. Ist dies gegeben, so wird die Temperaturellipse mit steigender Materialstärke zwangläufig länger, d. h. der Anteil des weich werdenden Materialquerschnitts zu dem nicht erweichenden Anteil in Elektrodennähe größer, da die Wärme ableitung bei gleichbleibenden Elektrodenabmessungen die gleiche geblieben ist. Bei nicht festgehaltenem Stempel fließt damit mit steigender Materialstärke unter dem Druck des auf dem erweichenden Material schwimmenden Stempels immer mehr Substanz nach den Seiten weg, bevor die inneren Oberflächen, d. h. die Verbindungsstellen, die Schmelztemperatur erreicht haben. Die Querschnittsminderung wird immer größer.
Wird der Druckstempel dagegen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, - während der Erwärmungszeit festgehalten, so kann das Material bis zur Schmelztemperatur erhitzt werden, ohne daß wesentliche Anteile seitlich wegfließen. Nach der Aufheizperiode fließt die Wärme an die Druckstempel ab, und die Temperaturellipse wird flacher. Für das anschließend unter Druck stattfindende Verschweißen steht dann noch der volle Materialquerschnitt zur Verfügung.
Es ermöglicht dieses gleichzeitig, stärkere als bisher übliche Materialstärken miteinander zu verschweißen.
Die vorgeschlagene verzögerte Aufgabe des Druckes ermöglicht umgekehrt, den zu verpressenden Materialquerschnitt kleiner zu wählen, als bisher notwendig, da der für den Schweißvorgang notwendige Druck, d. h. erfindungsgemäß die Entriegelung, erst in dem Augenblick einzuwirken braucht, in dem nur noch der notwendige, für eine einwandfreie Verschweißung ausreichende geringe Querschnittsanteil an den Innenseiten der Schweißstelle auf Schmelztemperatur ist.
Schließlich kann durch diese Erfindung eine besondere Eigenschaft der meisten Thermoplaste ausgenutzt werden, nämlich die zunehmende Leistungsaufnahme mit steigender Temperatur. Nach der Er- wärmung kann die Temperatur des Materials vor dem Verpressen ohne Nachteile bis unter die Schmelztemperatur abkühlen, wenn man einen erneuten Aufheizimpuls nachträglich aufgibt, der einen ausreichend kleinen verpreßgerechten Materialanteil entstehen läßt. Diese Maßnahme hat sich besonders bei Acrylglas-Spritzgußteilen als vorteilhaft erwiesen, weil die erheblichen Unregelmäßigkeiten des Gefüges bei der ersten Aufheizung zu örtlichen Überhitzungen führen können.
Während das Hochfrequenz-Schweißverfahren bisher auf das Verschweißen thermoplastischer Folien schlechthin begrenzt war, ermöglicht die Anwendung der Erfindung, wie aus den Ausführungen zu entnehmen, nunmehr einen erweiterten Einsatz, z. B. zum Verschweißen von Kunststoff-Spritzartikeln, insbesondere solche aus Hartplastik, z. B. Acrylglas, Polyamid usw., und von Plattenmaterial aus harten Thermoplasten.
Die Erfindung bringt auch für die Geräte, die im Rahmen der jetzt üblichen Kunststoffschweißungen angewendet werden, eine Reihe von Vorteilen. Die Arretierung der Elektrode während der Erwärmungszeit wirkt sich elektrisch als verminderte Kapazitätsänderung aus, wodurch geringere Frequenzwanderungen und Fehlanpassungen im Hochfrequenzgenerator auftreten. Die Frequenzwanderungen dürfen gemäß den Bestimmungen des Hochfrequenzgesetzes nur in engem Bereich auftreten, sie müssen daher entweder durch hohe Blindleistung in den Generatoren, verbunden mit entsprechenden Verlusten, oder durch kostspielige Nachstimmautomatiken ausgeglichen werden. Fehlanpassungen verursachen erhebliche Leistungsverluste. Alle diese bei dem Schweißvorgang durch Kapazitätsänderungen bedingten Nachteile werden durch die Erfindung spürbar verringert.
Schließlich muß der Generator in seiner Leistung so groß ausgelegt werden, daß er auch die bei verringertem Materialquerschnitt bestehende größte Feldstärkeanforderung erfüllen kann, damit die Materialtemperatur weiter ansteigt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß durch das Einsinken der Elektrode in das Material die Wärmeableitung auf Grund der vergrößerten Ableitungsfläche der Elektrode größer geworden ist. Dieser Wärmeverlust muß durch eine erhöhte Generatorleistung gedeckt werden.
Dieser erhöhte Anteil entfällt bei festgehaltener Elektrode.
Die Querschnittsverminderung während der Erwärmungszeit kann bei dünnen Materialien zu so geringen Materialstärken führen, daß die zur Erzeugung der notwendigen Wärmemenge benötigte elektrische Feldstärke höher sein müßte, als sie das verdünnte Material wegen Durchschlagsgefahr vertragen kann. Um in solchen Fällen Durchschläge zu vermeiden, werden deshalb Isolierstoffunteriagen verwendet, die folgende Aufgabe zu erfüllen haben: 1. Verminderung der Wärmeableitung zur Gegenelektrode. Die Feldstärke kann dadurch niedriger gewählt werden.
2. Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden, a) wenn diese infolge partiell verschiedenen Druckes nicht planparallel einsinken; auf Grund der dann bestehenden unterschiedlichen Abstände treten unterschiedliche Feldstärkewerte auf; b) infolge Feldstärkeunterschieden bei sehr ausgedehnten Elektroden; c) infolge Schneidkanten an den Elektroden.
Als Nachteile dieser Isolierstoffzwischenlagen sind zu nennen: 1. Sie vergrößern den Abstand zwischen den Elektroden und bewirken neben einer Spannungsteilung eine Herabsetzung der Feldstärke in dem zu verschweißenden Gut.
2. Die der Zwischenlage anliegende Folie wird völlig durchgewärmt, was eine erhebliche Beeinträchtigung der Festigkeit zur Folge hat.
Da durch die beschriebene Erfindung die starke Querschnittsverringerung vermieden wird, verschieben sich die Eigenschaften der Zwischenlage zugunsten der aufgeführten Vorteile.
Für das Strom- bzw. Wärmeimpuls-Schweißverfahren gestattet das erfindungsgemäße Verfahren folgende Erweiterungen: Bisher ließen sich nur dünne, gut verschweißbare Folien (d. h. Folien mit möglichst niedriger Schmelztemperatur) verschweißen, da ein Stempel geringer Wärmekapazität verwendet wird, der mit einem kurzen Stromstoß aufgeheizt wird und schnell wieder abkühlt. Um eine Verschweißung der Innenseiten zu erreichen, muß die an der Außenseite erzeugte Wärme zur Innenseite fließen, wobei zumindest an einer Außenseite die Schmelztemperatur vorhanden sein muß. Das Wärmegefälle zwischen Außen- und Innenseite darf aber nicht zu groß werden, daher die bisher bestehende Beschränkung des Stromimpulsverfahrens auf dünne Folien.
Bei festgehaltenem Stempel, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, kann die Temperatur durch Wärmeleitung über im praktischen Rahmen beliebige Querschnitte übertragen werden. Läßt man dann nach der Erwärmungsperiode Stempel und Material abkühlen, so ergibt sich auf Grund der bevorzugten Wärmeableitung an die Schweißvorrichtungen ein Temperaturgefälle umgekehrter Richtung, nämlich von innen nach außen. Bei Wahl des richtigen Abkühlungszeitpunktes kann dann der Druck über einen großen Querschnitt übertragen werden, wobei vornehmlich die zu verschweißenden Innenseiten des Materials eine innige Verbindung eingehen.
Gleichzeitig ergibt sich als weiterer Vorteil die Möglichkeit, damit Füllgutreste aus der Nahtzone zu verdrängen, z. B. beim Verschließen von Tuben oder Dosen, was bisher bei der Beheizung von außen nicht möglich war.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.
Mit 1 ist eine Elektrode zum Nahtschweißen zweier Kunststoffolien 2 bezeichnet, die an einem Preßglied 3 mittels eines Schlittens 4 auf und ab bewegbar ist, der seinerseits mit einem seinen Abwärtshub begrenzenden einstellbaren Anschlag 5 versehen ist.
In den Anschlagbereich des Anschlages 5 an das Preßglied 3 greift ein Riegel 6, der um ein Gelenk 6a drehbar und an ein Knickgestänge 7 angelenkt ist, dessen Gelenk 7a mittels eines Magneten 8 über eine Stange 9 in die Lage 7a' einknickbar ist.
Zu Beginn des Schweißvorganges dringt die Elektrode 1 in das noch kalte Material 2 ein, bis der Anschlag 5 auf den Riegel 6 stößt und ein weiteres Eindringen der Elektrode verhindert wird, indem das Knickgestänge 7 in der gezeichneten Stellung ein Nachuntenkippen des Riegels nicht zuläßt. Erst wenn das dann beginnende Aufheizen der Elektrode 1 beendet ist, schaltet der Magnet 8, löst das Knickgestänge aus, das dann die gestrichelt gezeichnete Stellung einnimmt und ein Nachuntenbewegen des Riegels 6 gestattet.
Zusammenfassend kann zu diesem erfindungsgemäßen Verfahren, den Schweißvorgang in einen Heiz- und Preßvorgang aufzuteilen, gesagt werden, das es eine Reihe von beachtlichen Vorteilen bietet.
Es wird das gesamte Material zwischen den Elektroden an der Schweißverbindung beteiligt, wodurch nachweislich eine größere Nahtfestigkeit erzielt wird.
Es ist weiterhin nunmehr möglich, Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu verschweißen. Außerdem wird die Verschweißung größerer Materialstärken möglich.
Darüber hinaus können beim Verschweißen dünner Materialien die Elektroden auch ohne Zwischenlagen verwendet werden. Die Anforderungen an die Präzision der Elektroden und der Pressen können herabgesetzt werden, was eine Kostensenkung bei der Fertigung dieser Teile bedeutet. Die benötigte Hochfrequenzleistung ist nicht so groß.
Hinzu kommt, daß die Bedienung einer derartigen Einrichtung weniger kompliziert ist, da die Einstellung des Preßdruckes nicht mehr so kritisch ist wie beim schwimmenden Stempel. Es wirkt sich dieses in einer verringerten Ausschußquote aus.
PATENTANSPRUCHB: 1. Verfahren zum Verschweißen thermoplastischer Kunststoffe oder damit beschichteter Materialien, wobei auf das zu verschweißende Material ein unterschiedlicher Druck mittels einer Presse ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindrücken des Schweißwerkzeuges in das noch kalte Material unterbrochen und erst nach Ablauf der Heizperiode wieder ermöglicht wird.

Claims

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Presse während der Aufheizzeit verriegelbar und unmittelbar nach Einsatz der Kühlperiode wieder entriegelbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereich eines den Preßhub begrenzenden Anschlages (5) ein den Hub vorzeitig begrenzender Riegel (6) eingreift, der nach beendetem Aufheizen selbsttätig, z. elektromagnetisch, außer Wirkung bringbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Stromimpulsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß die Presse bis zu einer vorbestimmten Stelle schließt und erst nach Abschalten des- Generators bzw. Impulsgebers frei zu einer vorgegebenen Stelle weiterfährt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 896 101; deutsche Gebrauchsmuster Nr. 1 673 783, 1687453, 1759998.