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DE4432081A1 - Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen - Google Patents

Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen

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Publication number
DE4432081A1
DE4432081A1 DE4432081A DE4432081A DE4432081A1 DE 4432081 A1 DE4432081 A1 DE 4432081A1 DE 4432081 A DE4432081 A DE 4432081A DE 4432081 A DE4432081 A DE 4432081A DE 4432081 A1 DE4432081 A1 DE 4432081A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
welding
radiation
parts
energy
thermoplastics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE4432081A
Other languages
English (en)
Inventor
Martin Welz
Roland Roos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to DE4432081A priority Critical patent/DE4432081A1/de
Publication of DE4432081A1 publication Critical patent/DE4432081A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Strahlungsenergie.
Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen können nach unter­ schiedlichen Schweißverfahren miteinander verbunden werden, wobei für das Aufschmelzen der Fügeflächen viele Energiearten einge­ setzt werden, z. B. Warmgas, IR-Strahlung, beheizte Platten oder Formteile, Reibung durch Rotation oder Vibration, Ultraschall und hochfrequente elektromagnetische Felder.
Für die Serienfertigung von kleinen Formteilen bis etwa 150 mm Durchmesser, wird bevorzugt das Ultraschallschweißverfahren ein­ gesetzt, da es mit Schweißzeiten unter einer Sekunde sehr wirt­ schaftlich arbeitet. Bei größeren Formteilen wird das Vibrations­ schweißverfahren mit Schweißzeiten von wenigen Sekunden bevor­ zugt. Das Rotationsreibschweißverfahren ist auf rotationssymmetrische Teile beschränkt, und das Heizelementschweißen benötigt lange Aufheizzeiten.
Die genannten Schweißverfahren benötigen spezielle, zum Teil sehr aufwendige Werkzeuge für die Fixierung und ggf. auch zur Ener­ gieeinbringung, z. B. Heizelemente, Sonotroden usw., da ins­ besondere bei den Reibschweißverfahren hohe Kräfte aufgebracht werden müssen. Beim Ultraschallschweißen und beim Vibrations­ schweißen werden zusätzlich die Teile und gegebenenfalls darin enthaltene Funktionsteile, z. B. Elektronik durch hohe Beschleuni­ gungskräfte belastet und möglicherweise beschädigt. Beim Heizele­ mentschweißen ist eine Schädigung durch Wärmestrahlung oder Kon­ vektion oft nicht auszuschließen.
Vorliegender Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Strahlungsenergie zu entwickeln, welches ohne Vor­ richtungen zur Fixierung der zu verbindenden Teile und ohne auf­ wendige Einrichtungen zum Einbringen der Schweißenergie auskommt.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren der genannten Art, bei dem gemäß der Erfindung die zu verbindenden Teile zuerst durch Formschluß oder inneren Kraftschluß in der richtigen End­ lage miteinander fixiert und die Fügeflächen dabei in Kontakt ge­ bracht und anschließend mit Strahlungsenergie beaufschlagt wer­ den.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens nach der Erfin­ dung sind anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Aus­ führungsbeispiele nachfolgend beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine formschlüssige Fixierung der zu verbindenden Füge­ teile und Beaufschlagung mit Strahlungsenergie
Fig. 2 das Verbinden stumpf aufeinander stoßender Fügeflächen mittels Strahlungsenergie.
Das Verbinden von Formteilen aus Thermoplasten durch Schweißen mit energiereicher Strahlung ist einfach auszuführen, wenn ein Fügeteil 1 (Fig. 1) aus Strahlung gut absorbierendem und das zweite 2 aus Strahlung zumindest teilweise durchlässigem aber mit dem ersten Teil gut verschweißbarem Material besteht.
Durch die energiereiche Strahlung 3, beispielsweise Laserstrah­ len, die durch das durchlässige bzw. teildurchlässige Fügeteil auf die Fügefläche 4 des absorbierenden Fügeteils 1 dringt, wird letztere aufgeschmolzen und erwärmt auch die Fügefläche des nicht absorbierenden Teils 2, da die Schmelze - bedingt durch die Aus­ dehnung auf ein größeres Volumen - auch in der Lage ist, kleinere Spalte zu überbrücken. So wird bei Erzeugung eines ausreichenden Schmelzevolumens ein Schweißdruck von innen aufgebaut. Bei Abküh­ lung der Teile baut sich dieser Druck wieder ab.
Beim Schweißen mit energiereichen Strahlen wird im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren, wie Vibration oder Ultraschall, nur ein kleiner Bereich der Fügezone aufgeschmolzen (Fig. 2), die restli­ che Fügezone wirkt dabei als Abstandshalter, die die von außen aufgebrachte Schweißkraft abfängt. Es ist daher wichtig, daß keine Schmelze durch Austrieb verloren geht, damit beim Abkühlen keine Vakuolen oder Eigenspannungen durch Schrumpfung entstehen.
Ferner ist die Vermeidung von Schmelzeaustrieb hinsichtlich des Aussehens und der Funktion der Formteile von großem Vorteil und erspart eine sonst notwendige Nacharbeit. Konstruktive Maßnahmen, wie sie zum Verdecken des Austriebs erforderlich sind, können so­ mit entfallen. Beispielsweise wird bei stumpf aufeinanderstoßen­ den Fügeflächen nach allen Seiten ein von der Energiestrahlung nicht beaufschlagter Randbereich 5 (Fig. 2) eingehalten.
Das gegenseitige Fixieren der Fügeteile 1 und 2 erfolgt erfindungsgemäß durch Formschluß, z. B. durch Einrastverbindungen oder Gewinde oder inneren Kraftschluß, wie Verschraubungen oder Magnete. Diese Fixierung braucht nur so dimensioniert werden, daß der örtlich entstehende Schweißdruck, der sich mit der Strahlfüh­ rung entlang der Nahtkontur bewegt, aufgenommen wird. Die Teile können dann, beispielsweise von einem Roboter, so geführt werden, daß die Schweißnahtkontur vom energiereichen Strahl immer frei erreichbar ist. Eine von außen aufzubringende Fixierung würde beide Fügeteile erfassen und daher die Strahlführung erheblich behindern und die Teile mechanisch belasten. Die Relativgeschwin­ digkeit zwischen Schweißstrahl und der zu schweißenden Naht, die Vorschubgeschwindigkeit also, hängt vom Material und dessen Wand­ stärke sowie von der Nahtbreite und der Strahlleistung ab und liegt gewöhnlich zwischen 0,5 und 10 m/min.
Für das Schweißen mit energiereichen Strahlen sind fast alle Thermoplaste geeignet. Die Durchlässigkeit bzw. Absorption der Strahlung ist sowohl vom Thermoplasttyp und den Zusätzen, wie Füllstoffe und Pigmente als auch von der Wellenlänge und Energie­ dichte der eingesetzten Strahlen abhängig. Zum Verbinden von nichtthermoplastischen Fügeteilen können diese mit thermoplastischen Beschichtungen an den Fügeflächen versehen wer­ den.
Für das erfindungsgemäße Schweißverfahren und die dafür bevorzugt eingesetzten Strahlen eines Nd:YAG - Lasers sind als durchlässige oder teildurchlässige Thermoplaste insbesondere geeignet:
Polyolefine, Polyamide, Polyformaldehyd, PMMA, PBT, PET. Weiter­ hin sind auch Styrolpolymere und -copolymere, Polysulfone u. a. geeignet.
Die erforderliche Strahlenabsorption von Thermoplasten ist durch verschiedene Zusätze auf die gewünschte Strahleindringtiefe ein­ stellbar. Dabei haben sich die verschiedensten Farbmittel, ins­ besondere aber Ruß oder Nigrosin in einer Konzentration von 0,01 bis 0,10% bewährt.
Andere Zusätze, beispielsweise Glasfasern, Glaskugeln und andere Füllstoffe, erhöhen zwar die Streuung der Strahlung in den Teilen und verkleinern damit die Eindringtiefe, verhindern aber nicht vollständig die Durchdringung, so daß auch derartige Materialien für zu durchstrahlende Teile bedingt geeignet sind. Auch diese gefüllten Thermoplaste sind durch spezielle Zusätze so einstell­ bar, daß sie die energiereiche Strahlung in der Oberfläche absor­ bieren.
Als energiereiche Strahlung werden Laserstrahlen beispielsweise einer Wellenlänge zwischen 0,50 und 10,90 µm, vorzugsweise zwi­ schen 0,70 und 3 µm eingesetzt. Die Erzeugung der Strahlung und deren Eigenschaften sind in der einschlägigen Literatur beschrie­ ben. Dabei sind alle Laserquellen einzusetzen, die Thermoplaste erwärmen können, insbesondere Laser, die im Infrarotbereich emittieren. Bevorzugt wird für das Schweißen von Thermoplasten der Nd:YAG - Laser eingesetzt, für viele Anwendungen ist aber auch der CO₂-Laser geeignet.
Bei einer Kombination von Fügeteilen aus nicht absorbierendem und absorbierendem Material wird die Fügefläche des absorbierenden Unterteils durch das Oberteil hindurch bestrahlt und durch die Absorption in der Oberfläche aufgeheizt und aufgeschmolzen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Einfallswinkel α möglichst klein ist, um Verluste durch Reflexion gering zu halten.
Beim Verschweißen von Fügeteilen aus stark absorbierenden Mate­ rialien und bei Stumpfschweißnähten ist auch eine Bestrahlung in der Schweißebene möglich. Die Nahtbreite entspricht dann der Ein­ dringtiefe des Strahles.

Claims (4)

1. Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile zuerst durch Formschluß oder inneren Kraftschluß in der richtigen Endlage miteinander fixiert und die Fügeflächen dabei in Kontakt gebracht und anschließend so lange mit Strahlungsenergie beaufschlagt werden, bis in der vorgesehenen Schweißzone die Kunststoffteile aufgeschmolzen sind, sich dabei verbinden, und die auf diese Weise verbunde­ nen Kunststoffmaterialien durch Abkühlen verfestigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei stumpf aufeinander stoßenden Fügeflächen nach allen Seiten ein von der Energiestrahlung nicht beaufschlagter Randbereich eingehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahlung Laserstrahlen einer Wellenlänge zwischen 0,50 und 10,90 µm, vorzugsweise zwischen 0,70 und 10,64 µm eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schweißverbinden von nichtthermoplastischen Kunststoff­ teilen diese an den Fügeflächen mit thermoplastischem Kunst­ stoffmaterial beschichtet werden.
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