DE2100488A1

DE2100488A1 - Ultraschall-Schweiß verfahren

Info

Publication number: DE2100488A1
Application number: DE19712100488
Authority: DE
Inventors: Granville J. Big Spring Tex. Hahn (V.StA.)
Original assignee: Cosden Oil and Chemical Co
Current assignee: Total Petrochemicals and Refining USA Inc
Priority date: 1970-03-24
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1971-10-28
Also published as: GB1305859A; BE764198A; FR2083528B1; CA954779A; US3783061A; FR2083528A1; NL7101405A

Description

PATE NTANWALTE 2 1 O O A 8 8

dr. W. Schalk · dipl-ing. P.Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WE UM HOLD DR₄D. CUDEL

6 MtANKFUItT AM MAIN

OK. KCHtNHCtMI* tTHAtSK »Ψ

5.1.1971
Gu/gm

COSDEN 0IL AND CHEMICAL

COMPANY

Big-Spring, Texas, USA

Ultraschall - Schweißverfahren

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Schweißverfahren. Insbesondere sollen nach der Erfindung,Kunststoffe miteinander verschweißt werden.

Bei den bekannten Verfahren zum Verschweißen von Kunst- " stofflachen wird eine nach einer »besonderen Geometrie gestaltete Fläche benötigt, die gewöhnlich einen spitz zulaufenden Punkt besitzt, der an einer der miteinander zu verbindenden und aufeinander abgestimmten Oberflächen vorgesehen ist. Dieser Punkt liegt dabei 'an der Gegen- ' schweißfläche an, so daß bein Schveißvorgang dieser sich verjüngende Teil, durch den konzentrierte Schallenergie geleitet wird, der erste Schmelzpunkt ist, der dann zwischen die zu verbindenden Flächen als Schweißmaese fließt, um diese Flächen miteinander zu verschweißen. Nachteilig hieran ist es, daß das Herausschneiden des'punkt- " artig zugespitzten Teils aus wenigstens einer der .beiden Flächen sehr kostspielig ist. . .

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren derart weiterzubilden, daß ein Ultraschallschweißen auch ohne

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derartige herausgearbeitete Schweißteile möglich ist.

Das Ultraschall-Schweißverfahren nach der Erfindung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verschweißenden Körper mit flachen Schweißflächen unter Zwischenlage von Teilchen eines mit den beiden Flächen verträglichen thermoplastischen Polymers übereinander gelegt werden, worauf den Körpern an einem

Punkt nahe der Schweißstelle Ultraschallenergie während einer Zeit zugeführt wird, die ausreicht, um die Teilchen sdmelzen und zwischen die Schweißflächen fließen zu lassen.

Die thermoplastischen Polymerteilchen schmelzen dabei also an oder unterhalb des plastischen Materials der miteinander zu verbindenden Flächen im Schweißgebiet und werden zwischen den einander entsprechenden und miteinander zu verschweißenden Flächen durch Ultraschallenergie an einein Punkt in der Nähe dieser einander entsprechenden Flächen, die durch die Teilchen getrennt sind, ver- schweißt. Der Schall wird dabei über ein Metallteil in Resonanz übertragen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung können flache Schweißflächen auf einfache V/eise dadurch miteinander verschweißt werden, daß feine Teilchen aus einem verträglich oder kompatiblen thermoplastischen Material lose zwischen die Schweißflächen gegeben v/erden. Nach der Verteilung dieser Teilchen wird ein Schallübertragungswerk— " zeug auf eine der Flächen des Kunststoffs in der Nähe der Verbindungsstelle aufgedrückt, so daß der Schweißstelle Energie übermittelt wird. Die Teilchen schmelzen daraufhin im Schweißgebiet durch die Schallenergie. Sie bilden einen fest .zusammenhängenden geschmolzenen Film zwischen den Kunststofflachen, wodurch diese fest miteinander verschweißt werden. Das Schweißmaterial besteht aus Tsil-

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chen in der Größenordnung einer lichten Maschenweite von etwa 0,045 bis 0,841 mm (300 bis 20 U.S.Standard Sieve). Die Teilchen können aus demselben Kunststoffmaterial bestehen wie die miteinander zu verschweißenden Flächen oder sie sind mit diesem Material verträglich, so daß sie beim Schmelzvorgang in die Oberflächen der angrenzenden Materialien einschmelzen und eine feste Schweißverbindung bilden. Diese Teilchen sind bei den durch die zugeführte. Schallenergie erzeugten Temperaturen thermoplastisch,

Mit der Erfindung wird daher ein bedeutend vereinfachtes Schweißverfahren geschaffen, das bei großer Wirtschaft- Jj

lichkeit die Herstellung guter Schweißverbindungen gestattet.

Es ist bekannt, die verschiedensten Kunststoffinaterialien unter Anwendung von Schall zu verschweißen. Typische derartige Materialien sind: Polystyrol, Mischpolymere von Styrol und Acrylnitril sowie deren kautschukraodifizierende schlagfeste Formen, bei denen das Polymer eine geringe Menge von etwa 2 bis 20 Prozent an verteiltem Kautschuk enthält, Polycarbonate, Polyvinylacef ale, Poly-(Niedrig)-Alkylacrylester, Poly-(Niedrig)~Alkylmethacrylester mit einem niedrigen Alkylrest von etwa 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, im allgemeinen Methyl, Nylon, Polyäthylen und Polypropylen. Diese Polymere verbinden sich in gleicher Weise gut_r "auch.wenn sie mit verstärkenden Füllmitteln, wie Glasfasern, gefüllt sind.

Die für die Schweißverbindung verwendeten Teilchen be stehen aus einem beliebigen therinoplastisehen Kunststoff, der mit dem miteinander zu verschweißenden Kunsts^toff- material verträglich ist. Es wird bevorzugt, wenn die Teilchen aus desselben Kunststoffmaterial wie einer der zu verschweißenden Kunststoffkörper hergestellt Bind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere wichtige Merkmale der Erfindung aus der folgenden Beispielsbeschreibung. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, in dem über der Zeit die Temperatur aufgetragen ist, bei der zwei Kunststoffkörper in einem Schallschweißverfahren fest miteinander verschweißt werden können;

Fig. 2 ein entsprechendes Diagramm, zur Darstel-' lung der großen Geschwindigkeit, mit der bei der Verwendung einer scharfen Kante an einer der miteinander zu verschweißenden Körper eine Stumpfnaht beim Schallschweißen hergestellt werden kann;

Fig. 3a,3b,3c die Verfahrensschritte zur Ausbildung einer Schweißverbindung entsprechend dem" v/eiter unten erläuterten Beispiel I;

Fig.4a,4b,4c die aufeinander folgenden Verfahrensschritte zur Ausbildung einer Schweißverbindung entsprechend dem später erläuterten Beispiel II;

Fig. 5a,5b die Verfahreneschritte zur Ausbildung einer Schweißverbindung entsprechend dem weiter unten erläuterten Beispiel IV, und

Fig.6a,6b obere und untere Verbindungsteile für eine Schweißverbindung (Stumpfnaht) bei Anwendung eines bekannten Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Zeit-Temperatur-Diagramm dargestellt_t das beim Ultraschallschweißen zweier flacher Schweißflächen aus Polymeren unter Verwendung des flachen Endes des Schweißwerkzeugs 10 der Fig. 3a aufgenommen wurde. Dieses Schweißwerkzeug 10 wurde dabei auf eine der miteinander zu versQhweißenden Flächen aufgesetzt. Falls hier lediglich flache Kunststoff-SchweißfRächen verwendet werden, so wird eine verhältnismäßig lange Zeit benötigt,» uto in der Verbindungsfläche allein den Erweichungspunkt

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der Fig. 1 und weiterhin den Schmelzpunkt 12 zu erreichen, bei dem die flachen Schweißflächen schmelzen und dadurch miteinander verschweißt werden.

Es ist eine Technik bekannt, bei der die in Fig. 6a und 6b gezeigten Flächen verwendet v/erden. Ein Kunststoffkörper 16 besitzt dabei eine flache Fläche 17» die mit der flachen Fläche 19 eines anderen Kunststoffkörpers 22 stumpf verschweißt werden soll. Dabei wird vorher ein kegelstumpfförmiger Grat 18 an der Unterseite des Körpers 16 ausgeformt. Dieser Körper 16 wird dann im Schveißkontakt seiner Fläche 17 mit der Fläche 19 des Körpers A 22 gebracht, so daß beim Anlegen von Schallenergie diese, durch den kegelstumpfförmigen Grat 18 geleitet wird, der schnell in die anstoßende Fläche des Körpers 22 einschmilzt, und eine Schweißverbindung herstellt. Dieses" bekannte Schweißverfahren wird in einer beträchtlich kürzeren Zeit durchgeführt, wie es die Fig.2 zeigt. Dabei kann auch in den Körper 22 eine entsprechende Ausnehmung 20 eingeschnitten werden, so daß der Grat 18 "lose in der Ausnelimur.e aufgenommen wird, wobei er jedoch'durch den Boden der Ausnehmung 20 gestützt wird. Bei diesem Schweißverfahren schmilzt der Grat 18, fließt in die Ausnehmung 20 und dringt auch zwischen die anliegenden Flächen der Körper 16 und 22, so daß eine feste Schweißverbindung bei diesem bekannten ™ Verfahren ausgebildet wird. · ·

Die Ausbildung eines derartigen sich verjüngenden Grats bzv.·. einer Spitze als Energieleiter und eventuell einer entsprechenden Ausnehmen.kostet nicht nur Zeit sondern ist auch teuer. Dies wird mit dem Verfahren nach der Erfindung vermieden. Dfrüberhinaus wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schweißverbindung ebenso schnell erzielt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Ferner ist das Verfahren nach der Erfindung bedeutend wirtschaftlicher.

B?1 dem Verfahren nach der Erfindung (vgl, Fig. 3a) wird

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eine Kunststoff lache 26, die mit einer entsprechenden Kunststofflache 24 verschweißt werden soll, zunächst mit feinen Teilchen aus thermoplastischem-Material be- * stäubt. Die Flächen werden anschließend zusammengebracht, wie es Fig. 3b zeigt, so daß die Teilchen 28 lose zwischen den Schweißflächen liegen.. In dieser Lage wird das Schweißwerkzeug 10, welches das Ende eines in der Technik bekannten Schallhorns ist, fest gegen die Fläche 24 gepreßt und Ultraschallwellen werden erzeugt. Diese Wellen werden von einer Fläche zur anderen durch die losen Teilchen geleitet, so daß die»konzentrierte Energie zunächst die Teilchen schmilzt, die durch die Verbindung fließen. Dabei werden die Schweißflachen der Körper 24 und 26 fest miteinander verschweißt, wie es Fig. 3c zeigt.

Es ist dabei nicht wesentlich, daß die zu verschweißenden Materialien aus demselben Kunststoff bestehen, oder daß die Kunststoffteilchen einer der beiden miteinander zu verschweißenden Kunststoffläc-hen entsprechen. Es wird lediglich verlangt, daß die Polymerteilchen damit vertr-äglich sind. Das bedeutet, daß sie eine feste Oberflächenverbindunimit beiden miteinander zu verschweißenden Materialien bilden,. Für die Wahl der zu verschweißenden Materialien wird es bevorzugt, wenn die Teilchen derartig ausgewählt sind, daß sie in die Schv/eißflachen homogen einschmelzen, so daß beim Schmelzvorgang der Teilchen diese in die Flächen der zu verschweißenden Polymere einfließen oder sich.dort auflösen.

Fig. 4a zeigt hier als Beispiel, daß ein thermoplastisches Polymer 30, beispielsweise hochstoßfestes Polystyr öl, das aus Polystyrol besteht, in dem etwa 6 Prozent K«utsch\akteilchen verteilt sind, mit der Fläche eines Blattmaterials 34 _f beispielsweise Zellulose-Butyrät verschweißt wird, wobei Kristallteilchen, d.h. reines Polystyroj. 32 als Schweiß- teilchen verwendet werden. Diese Teilchen können Kugeln

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oder Körner aus Polystyr ol mit'einer Größenverteilung wie vorstehend angegeben sein.

Es wird eine etwas unregelmäßige Schweißverbindung erzielt, wenn die Oberflächenmaterialien und die Teilchen Jeweils voneinander verschieden sind. Das Blatt 34 wird mit den hochstoßfesten Polystyrol 30 durch heterogen verschweißtes Material verbunden, das dazwischen liegt. Das Polystyrol selbst ist jedoch hinreichend verträglich, um jedes Flächenmaterial zu binden,fSaß eine qualitativ ausreichende Schweißverbindung erzielt wird, wenngleich diese schlechter ist als die nach Fig. 3c.

In Fig. 5a ist gezeigt, daß ein dickes Blatt aus einem Mischpolymer 30, aus Acriänitril-Butadien-Styrol mit einein ähnlichen Blatt 36 unter Verwendung von Teilchen desselben Polymers verschweißt. Es entsteht eine feste Schweißverbindung, wie sie Fig. 5b zeigt. Es werden Teilchen nLz. einer Teilchengrößenverteilung von etwa 0,42 bis 0,15 nun lichter Maschenweite bevorzugt. Es kann jedoch auch ein größerer Bereich zwischen etwa 0,B4 und 0,045 mm lichter Maschenweite verwendet werden. Ferner können beliebige Anordnungen zur Erzeugung und Weiterleitung von Ultraschallenergie Verwendung finden, wie sie für das Schweiz sr. von Polymeren benutzt werden. Eine Frequenz von 2OkHz wird bei den meisten Geräten benutzt. Zum Schmelzen der Teilchen braucht man im allgemeinen eine Zeit von etwa 0,8 bis eine Sekunde. Bei einer kürzeren Zeit kann eine unvollständige Schvreißverbindung entstehen. V/ird die Ar.- · Wendung des Schalls sehr verlängert, so ergibt sich ein sehr weitgehendes Schmelzen des Polymers und der thomopl==- tische Körper kann zerstört werden.

Die Teilchen sollten im allgemeinen dreidimensional ausgebildet sein; sie können grob geschliffen sein. Es werden dabei Kugeln der «ahlreichen Substanzen bevorzugt, die durch Suspensionspolymerisation ihrer Monomere gebildet vcr-

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den sind. Die Suhweißzeit wächst, falls die Teilchen in der dritten Dimension hinreichend ausgebildet sind» um eine Reihe von Konzentrationspunkten iiir die Schwingungen zwischen den Schweißflächen auszubilden.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Erfindung weiter:

Beispiel I.

Hochachlagfeste Polystyrolteilchen werden in eine Scheibe · mit einem Durchmesser von 5 cm geschmolzen, wie es die Fig. 3a und 3b zeigen. Unter Verwendung einer anderen Form werden daraus Stangen in Form der Teile 26 mit einer Abmessung von 1,9x20,3 cm geformt. Polystyrolteilchen 2l8 mit einer Größenverteilung mit einer Spur von 0,84 mm lichter Maschenweite, 0,4 Prozent von 0,59 mm, 40 Prozent von 0,42 mn, 39,5 Prozent von 0,25 mm, 17»1 Prozent von 0,18 mm, 6,7 Prozent von 0,15 mm und 19,1 Prozent über 0,15 mm (jeweils in lichter Maschenweite) werden sandwichartig zwischen die Stange 26 und die Scheibe 24 gelegt. Diese Teile werden horizontal auf einen nicht gezeigten Stützamboß gelegt. Anschließend wird ein hornähnliches Werkzeug 10 eines herkömmlichen Schallschweißgeräts über die Teile gebracht und auf die Scheibe 24 gelegt, wodurch die Teilchen 28 unter einem Druck von 2,45 kpcm mit der Stange 26 in Berührung gebracht werden. Anschließend wird Ultraschall bei einer Frequenz von 20 kHz eine Sekunde lang in das Werkzeug eingeleitet. Nach- der Entfernung des Horns ist die Stange mit der Scheibe fest verbunden und die Polystyrolteilchen 28 sind verschmolzen und bilden im wesentlichen einen Teil der Stange und der Scheibe, wie es Fig. 3c zeigt.

Beipsiel II.

Hochstoßfeste Polystyrolteilchen aus Polystyrol mit auf- gepfropftem^Mischpolymerisat mit sechs Gewichtsprozenten

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- eines hohen Cis-Transpolybutienkav"ts^cni:lks werden in eine Scheibe mit einem Durchmesser von 5 cm geschmolzen, wie es die Fig. 4a und 4b zeigen. Polystyrolteilchen 32, wie sie im Beispiel I beschrieben sind, werden zwischen diese Scheibe 30 und ein Kunststoffblatt 34 aus Zelloluse- Butyrat sandwichartig gegeben, wie es Fig. 4b zeigt. Dieses· Kunststoffsandwich wird,wie beim Beispiel I beschrieben und in Fig. 3a gezeigt, unter Anwendung von Ultraschall geschweißt. Nach Entfernung des Werkzeugs 1Ö wurde gefunden, daß das Blatt 34 und di*e Scheibe 30 fest miteinander verbunden sind, wie es Fig. 4c zeigt, wenngMch die Teile nicht derart vollständig miteinander verbunden sind, wie es die Fig. 3c und das Beispiel I zeigt.

Beispiel III. . ' . '

Zwei Polyäthylenteile in Gestalt flacher Flächen mit einer Dicke von etwa 3,18 mm werden sandwichartig unter Zwischenlage von Teilchen aus Polyäthylen einer lichten Maschenweite von etwa 0,6 mm wie beim Beispiel I übereinander gelegt, wie es auch die Fig. 3a dhd 3b zeigen. Anschließend wird das Schallhorn ebenfalls wie beim Beispiel I angelegt, flach Entfernung des Werkzeugs wurde gefunden, daß die ,Teile miteinander verbunden sind, wobei die beiden Polyäthylenblätter im v/esentliehen ein Stück geworden sind, .wie es die Fig. -3c zeigt.

Beispiel IV.

Ein 45,7 ran dickes Blatt 36 aus einem Mischpolymerisat A-srylnitril-Butadien-Styrol, wie es Fig. 5a zeigt, wird mit Teilchen 40 aus demselben Mischpolymerisat mit einer Korngrößenverteilung einer lichten Mascheaweite von etwa 0,42 mm bedeckt. Anschließend wird ein weiteres Blatt J56; das etwa 3*1β mm stark ist, aus demselben Mischpolymerisat

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Uber die Teilchen gelegt, so daß e*in Sandwich ausgebildet wird. Das Ultraschäll-Schweißgerät wird anschließend 0,8 Sekunden lang ähnlich v/ie beim Beispiel I in Betrieb genommen. Nach Entfernung des Horns 10 wurde gefunden, daß die Blätter fest miteinander verschweißt sind, wie es Fig. 5b zeigt. Bei Versuchen, die Schweißverbindung durch seitliches Ziehen an den Blättern zu zerbrechen, brachen die Einzelteile. Die geschweißten Blätter konn- . ten nicht weggezogen v/erden.

- Patentansprüche 109844/0970

Claims

5.1.1971 COSDEN OIL AND

Gu/gm CHEiIICAL COMPANY

Big Spring,Texas

Patentansprüche

Ultrascliall-Schweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, .daß die miteinander zu verschweißenden* Körper mit flachen Schweißfläctoen unter Zwischenlage von Teilchen eines mit den beiden Flächen verträglichen thermoplastischen Polymers übereinander gelegt werden, worauf den Körpern an einem Punkt nahe der Schweißstelle Ultraschallenergie während einer Zeit zugeführt wird, die ausreicht, um die Teilchen sclimelzen und zwischen die Schweißflächen fließen zu lassen.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine,der. Schweißflachen ein thermoplastischer Körper ist, in dem sich die geschmolzenen Teilchen lösen.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schweiß-flachen thermoplastisch sind" und daß sich die geschmolzenen Teilchen mit dem. Oberflächenmaterial mischen.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß beide Schweißflächen aus Theroplasten verschiedener Polymere bestehen und daß die Teilchen in beiden Schweißflächen löslich sind.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 3_f ,dadurch gekennzeichnet, daß beide Schweißflächen aus dem- selben thermoplastischen Material bestehen und

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daß die Teilchen aus einem Thermoplast eines · davon verschiedenen Polymers bestehen, das denselben oder einen etv/as niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Schweißflächen besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißflachen und die

. Teilchen aus demselben Thermoplast bestehen, ■

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße zwischen etwa· 0,84 bis 0,04 min liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Körner mit einer Größe zwischen etwa 0,42 bis 0,14 mm sind.

Der Patentanwalt:

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