DE938499C

DE938499C - Verfahren und Einrichtungen zur dielektrischen Herstellung von Schweissverbindungen zwischen mehreren Kunststoffkoerpern bei Verwendung einer regelbaren Vorerwaermung mittels Infrarotstrahlern

Info

Publication number: DE938499C
Application number: DES21834A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Rer Nat Otto; Emil Walther
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1951-02-13
Filing date: 1951-02-13
Publication date: 1956-02-02

Description

Verfahren und Einrichtungen zur dielektrischen Herstellung von Schweißverbindungen zwischen mehreren Xunststoffkörp ern bei Verwendung einer regelbaren Vorerwärmung mittels Infrarotstrahlern Beim dielektrischen Schweißen von Kunststoffkörpern, insbesondere sdchen größerer Dicke, kann man zur Ersparnis von Hochfrequenzenergie die Verbindungsflächen durch Heißluft oder durch z. B. elektrisch beheizte Lötkolben vorwärmen. Bei rasch wechselnden Schweiß- bzw. Transportgeschwindigkeiten läßt sich dann jedoch die Vorwärmtemperatur nicht in dem erforderlichen Maße regeln. Es können daher bei kleinen Schweißgeschwindigkeiten Verbrennungen oder Durchschläge an den Kunststoffkörpern auftreten, während bei größeren Geschwindigkeiten die zum Verschweißen benötigte Temperatur meist nicht mehr erreicht wird.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen. Bei dem Verfahren zur Erzielung gleicher Erwärmungstemperatur bei der Herstellung von Schweißverbindungen zwischen mit wechselnder Vorschubgeschwindigkeit bewegten Kunststoffolien unter Anwendung einer Vorerwärmung werden erfindungsgemãß die Verbindungsstellen der Körper durch Infrarotstrahler erwärmt, deren Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit und bzw. oder der Transportgeschwindigkeit der Körper geregelt wird. Dabei können die Schweißstellen wie bei dem vorerwähnten bekannten Verfahren lediglich ebenfalls nur vorgewärmt werden, worauf dann die eigentliche Erhitzung auf die Schweißtemperatur, z. B. wieder in einem hochfrequenten elektrischen Kondensatorfeld, erfolgt und gegebenenfalls gleichzeitig oder auch anschließend die.Körper durch Druck, der von den Kondensa,torelektroden selbst ausgeübt sein kann, vereinigt werden. Nach dem erfindungsgemäben Verfahren ist es aber a.uch möglich, die Verbindungsstelle bereits durch die Infrarotstrahler allein auf die Schweißtemperatur zu bringen und im Anschluß an diese Erwärmung die Körper durch Druck, beispielsweise einer Stangen- oder Rotationspresse, miteinander zu verbinden.
Im Gegensatz zu einer Erwärmung durch Heißluft oder durch einen lötkolbenartigen Heizkeil lassen sich Infrarotstrahler in einfacher Weise in Abhängigkeit von der Schweiß- und Transportgeschwindigkeit so regeln, daß ein Über- oder Unterschreiten der Solltemperatur nicht eintreten kann. Sind z. B. beim Arbeiten im Durchlaufverfahren mehrere Infrarotstrahler in Reihe hintereinander längs der Schweißnaht vorgesehen, um diese allmählich entsprechend aufzuheizen, so genügt im allgemeinen bereits die Zu- und Abschaltung einzelner Strahler, um die Temperatur des Schweißgutes in der gewünschten Richtung zu beeinflussen. Dem gleichen Zweck können auch einstellbare Blenden, z. B. Irisblenden, Schlitzblenden od. dgl., vor den Strahlern oder Änderungen der an diese Strahler angelegten Spannung dienen. Von besonderem Vorteil ist es im letzteren Fall, daß mit einer Erniedrigung der Spannung nicht nur das Temperaturmaximum absinkt, sondern sich gleichzeitig auch das Wellenband der abgestrahlten Energie, insbesondere deren Höchstwert, nach längeren Wellenlängen hin verschieben kann, für die die zu erwärmenden Körper eine für die Temperaturreglung eventuell erwünschte höhere oder geringere Absorptionsfähigkeit aufweisen. Mit allen diesen verschiedenen Mitteln ist es dann immer möglich, auch bei sehr rasch wechselnden Schweißgeschwindiglçeiten einwandfreie Vefbindungen herzustellen. Im gleichen Sinne wirkt es sich bei derartigen Arbeiten günstig aus, daß die Infrarotstrahlen die Materialien nicht nur an ihrer Oberfläche erwärmen, so daß unerwünschte örtliche Überhitzungen vermieden werden.
Die so gekennzeichneten Verfahren sind mit den verschiedensten Einrichtungen durchzuführen, von denen in Weiterbildung der Erfindung vor allem solche den Vorzug verdienen, die es gestatten, die z. B. von einer punkt- oder stabförmigen Energiequelle ausgehenden Strahlen durch besondere Ausbildung ihrer Reflektoren und gegebenenfalls unter Zwischenschaltung entsprechender Linsen den Schweißstellen konzentriert zuzuführen. Einige bei sonders zweckmäßige Ausführungsformen mit weiteuren, Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert, in der Fig. I eine Infrarotschweißeinrichtung mit parabelförmigem Reflektor und diesem vorgeschalteter Sammellinse sowie Fig. 2 bis 4 drei verschiedene entsprechende Einrichtungen mit Ellipsoidreflektoren darstellen.
Die gemäß der Erfindung unter Verwendung von Infrarotstrahlen zu verschweißenden Teile, beispielsweise zwei Kunststoffolien I, 2, werden bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I senkrecht zur Zeichenebene zwischen zwei Strahlern 3, 4 vorbeigeführt, die ihrerseits im Brennpunkt je eines parabelförmigen Reflektors 5, 6 sitzen. Vor den Austrittsöffnungen dieser Reflektoren sind weiterhin vorzugsweise plankonvexe Sammellinsen7, 8 angeordnet, deren Brennpunkt möglichst nahe der Schweißnaht der beiden Kunststoffolien liegen soll, um so an dieser Stelle eine weitgehende Konzentration der zunächst durch den Reflektor parallel gebündelten Infrarotstrahlen zu erzielen.
Bei etwa punktförmiger Strahlenquelle wird man den Reflektor tunlichst als Rotationsparaboloid ausbilden und ihn durch eine sphärische Sammellinse abschließen, während für langgestreckte Stabstrahler Trogreflektoren angenähert parabelförmigen Querschnitts verwendet werden, denen dann zylindrische Sammellinsen vorzusetzen sind. Durch entsprechenden Schliff dieser Linsen läßt sich dabei in besonders vorteilhafter Weise die Nahtbreite festlegen.
Nach Durchgang des Schweißgutes zwischen den beiden Strahlereinheitenf, denen sich selbstverständliQ je nach der zu erzielenden Endtemperatur beliebig viele weitere Strahlerpaare anschließen können, ist es darauf möglich, die beiden Kunststoffolien unmittelbar z. B. in einer nicht dargestellten Rotations- oder Stangenpresse endgültig zu einem einheitlichen Ganzen zu vereinigen. Falls jedoch durch die Infrarotstrahler lediglich eine Vorwärmung beabsichtigt ist, wird man an diesem Arbeitsgang noch eine weitere Erhitzungsstufe anschließen, zweckmäßig im Hochfrequenzfeld, deren z. B. als Rollen ausgebildete Elektroden dann gleichzeitig die abschließende Druckbehandlung übernehmen können.
Die Ausfülirungsformen nach den Fig. 2 bis 4 unterscheiden sich von der der Fig. I im wesentlichen dadurch, daß ihre Reflektoren g bzw. IO an Stelle eines parabelförmigen einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Im übrigen liegen die Strahler 3 bzw. 4 wieder in einem Brennpunkt dieser Reflektoren,, während die Nahtstelle des Schweiß gutes selber möglichst nahe an dem anderen Reflektorbrennpurkt vorbeigeführt werden kann, so daß sich eine Zwischenschaltung von Linsen erübrigt. Doch mag es auch in diesem Falle zur genaueren Festlegung der Schweißnahtbreite zweckmäßig sein, bei Verwendung von stabförmigen Strahlern, die in entsprechend langgestreckten Trogreflektoren elliptischen Querschnitts eingebaut sind, in dem Strahlengang der an einem solchen Reflektor gespiegelten Strahlen kurz vor bzw. hinter dessen zweitem Brennpunkt eine zylindrische Zerstneuungs- bzw. Sammellinse in der Weise vorzusehen, daß die so entstehende strichförmige Abbildung der Strahlenquelle etwa in Richtung der Schweißnaht der zu verbindenden Körper liegt.
Ebenso ist es hei der Verwendung derartiger elliptischer Reflektoren wieder möglich, durch Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Geräte die Erwärmung der Schweißnähte in jeder gewünschten Weise zu steigern oder sonstwie zu heeinflussen.
Im einzelnen zeigt Fig. 2 einen als Rotationsellipsoid ausgebildeten Reflektor g mit abgeschnittener unterer Kappe, dessen oberer Brennpunkt eine etwa punktförmige Infrarotstrahlenquelle 3 enthält. Die von zwei Seiten dem unteren Brennpunkt dieses Ellipsoids in Pfeilrichtung zugeführten beiden Kunststoffolien I,2 werden anschließend von zwei Rollen In, 12, die gleichzeitig als Druckglied und Hochfrequenzkondensator-Elektroden dienen können, erfaßt, worauf alsdann der fertig verschweißte Körper die Vorrichtung verläßt.
Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen nächsten Ausführungsform einer Infrarotschweiß einrichtung nach dieser Erfindung besteht dessen Reflektor 9 vorzugsweise aus einem Trog mit elliptischem Querschnitt, in dessen einer Brennlinie ein stabförmiger Strahler 3 liegt und durch dessen andere Brennlinie die Schweißnaht der zu verbindenden Folien I, 2 läuft. Wie aus dem gestrichelt eingezeichneten Verlauf der reflektierten Strahlen zu erkennen ist, werden auf diese Weise beide Teile des Schweißgutes von den Strahlen durchdrungen, so daß auch die nähere Umgebung der Schweißnaht eine für ihre Haltbarkeit günstige Aufheizung erfährt. Die weiterhin am Austrittsende des Reflektortroges vorgesehenen Walzenpaare in, 12 können dann wieder als Andrückrollen und erforderlichen- -falls auch als Kondensatorelektroden arbeiten.
Einen ähnlichen Aufbau weist die Einrichtung nach Fig. 4 auf, bei der zwei Halbschalen 9, IO eines Rotationsellipsoids das etwa in deren jeweiligen Längsachse verlaufende Schweißgut I, 2 umfassen. Diese Halbschalen sind so ausgebildet, daß jeweils ihr einer eine punktförmige Strahlenquelle 3 bzw. 4 aufnehmender Brennpunkt in verhältnismäßig geringer Entfernung von den Folien liegt, während sich ihre beiden anderen Brennpunkte in der Schweißnaht, und zwar bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel an ein und derselben Stelle treffen. Die Folien werden daher auf ihrem Wege durch das Gerät zunächst von der den Reflektoren abgewandten Seite der Strahler 3 und 4 vorgewärmt und anschließend erst im zweiten Brennpunkt von den dort vereinigten reflektierten Strahlen auf die gewünschte Endtemperatur aufgeheizt, worauf sie dann wieder einem Walzenpaar In, 12 zugeführt werden. Dieses Walzenpaar kann dabei, wie dargestellt, außerhalh des Reflektors angeordnet sein. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, es unmittelbar hinter dem zweiten Brennpunkt innerhalb des Gerätes selbst vorzusehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Erzielung gleicher Erwärmungstemperatur bei der dielektrischen Herstellung von Schweißverbindungen zwischen mit wechselnder Vorschubgeschwindigkeit bewegten Kunststoffolien unter Anwendung einer Vorerwärmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen der Körper durch Infrarotstrahler erwärmt werden, deren Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit und/oder der Transportgeschwindigkeit der Körper geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die durch Infrarotstrahler vorgewärmten Verbindungsstellen nichtmetallischer Körper anschließend in einem hochfrequenten elektrischen Kondensatorfeld bis zur Schweißtemperatur erhitzt und gegebenenfalls gleichzeitig oder anschließend durch einen vorzugsweise von den Kondensatorelektrnden selbst ausgeübten Druck vereinigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstellen durch die Infrarotstrahler auf Schweißtemperatur gebracht und anschließend durch Druck beispielsweise einer Stangen- oder Rotationspresse vereinigt werden.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotstrahler (3, 4) im Brennpunkt eines Reflektors (5, 6) mit etwa parabelförmigem Querschnitt, z. B. in Gestalt eines Rotationsparaboloids, liegt, vor dessen Austrittsöffnung eine vorzugsweise plankonvexe, sphärische bzw. zylindrische Sammellinse vorgesehen ist, in deren Brennpunkt bzw.

Brennlinie ihrerseits die Schweißstellen der zu verbindenden Körper (I, 2) angeordnet sind (Fig 1).
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotstrahler (3, 4) in dem einen Brennpunkt eines Reflektors (9, 1 o) mit elliptischem Querschnitt, z. B. in Gestalt eines Rotationsellipsoids, liegt, während die Schweißstellen der zu verbindenden Körper (I, 2) möglichst nahe dem anderen Brennpunkt dieses Reflektors angeordnet sind (Fig. 2 bis o.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (9, Io) des Infrarotstrahlers (3, 4) als Halbschale von elliptischem Querschnitt, beispielsweise als Halbellipsoid, ausgebildet ist, in deren einem Brennpunkt der Infrarotstrahler (3, 4) liegt und vor deren O nung die zu verbindenden Körper (I,2) in der Weise angeordnet sind, daß ihre Schweißstellen möglichst nahe dem anderen Brennpunkt der Halbschale liegen und beim Arbeiten im Durchlaufverfahren vorher vorzugsweise an der dem Reflektor (9, Io) abgewandten Seite des Infrarotstrahlers (3, 4) vorbeigeführt werden (Fig. 4).
7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von paarweisen Infrarotstrahlern mit Reflektoren, dergestalt, daß die zu verbindenden Körper von zwei Seiten gleichzeitig und vorzugsweise an den gleichen Stellen von den Infrarotstrahlern beaufschlagt werden.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 unter Verwendung einer stgabförmigen Strahlenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang der von dem elliptischen Reflektor gespiegelten Strahlern kurz vor bzw. hinter dessen zweitem Brennpunkt eine zylindrische Zerstreuungs- bzw. Sammellinse in der Weise vorgesehen ist, daß die so entstehende strichfönnige Abbildung der Strahlenquelle etwa in Richtung der Schweißnaht der zu verbindenden Körper liegt.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 667 609, Sol 041, 684276.