Hi Leute,
Ich möchte Jedem die Gelegenheit hiermit geben um Kunststoff im Schweissverfahren etwas näher kennen zu lernen. Und Los geht's:
Kunststoff, thermoplastisches Verschweißen.
Ich gebe hier die Informationen für thermoplastisches Verschweißen, mit 25 Jahre Erfahrung, an Jeden dieses Forum's weiter, der Interesse für Kunststoffe hat. Das Verfahren gilt für PE, PP und PVDF. Später werden wir auch das thermoplastische Verschweißen für Polyvinilchlorid (PVC) erklären, das ein ganz anderes Verfahren ist. Ich wünsche Jedem viel Spaß zu meinen Informationen des Verschweißen von Kunststoffe.
Unter Kunststoffschweißen versteht man das unlösbare Verbinden von thermoplastischen Kunststoffen unter Anwendung von Wärme und Druck mit oder ohne Verwendung eines Zusatzwerkstoffes. Die irreführenderweise als Kalt- oder Quellschweißung bezeichneten Verfahren gehören nicht unter diesen Begriff, da hier mit Lösungsmitteln die Oberfläche angelöst und verklebt wird.
Alle Schweißvorgänge finden im plastischen Werkstoffzustand der Fügeflächengrenzbereiche statt. Dort verknüpfen und verschlingen sich die Fadenmoleküle der aufeinandergedrückten Fügeteile zu einer homogenen Werkstoffverbindung.
Grundsätzlich können nur Kunststoffe der gleichen Art, also z. B. PP mit PP, und innerhalb dieser nur solche mit gleichem oder ähnlichem (benachbarten) Molekulargewicht und gleicher Dichte miteinander verschweißt werden, wobei die Farbgebung unberücksichtigt bleiben kann. PE-HD und PE-LD können nicht miteinander verschweißt werden.
Einzige Ausnahme hierzu bildet die Möglichkeit einer ausreichenden Verbindung durch Schweißen von PVC-U mit Acrylglas (PMMA).
Arbeitsplatz
Zu einer Schweißplatzausrüstung gehören neben dem Warmgasschweißgerät mit Düsen (Schnellschweißdüse in 3, 4 und 5 mm Ø, Fächelschweiß- und Heftdüse, Düsen für Profildrähte), Temperaturmeßgerät, Luftmengenmesser,Öl- und Wasserabscheider.
Temperaturmessgeräte mit nadelförmiger Spitze haben sich als besonders günstig erwiesen, da diese sich zur Temperaturmessung in die Düse einschieben lassen. Die exakte Messung der Temperatur (nach Tabelle ) – 5 mm in der Düse – ist eine der Vorbedingungen für Schweißnähte mit hohem Schweißfaktor.
Nahtvorbereitung
Die wichtigsten Nahtformen sind DV-(X)-Naht und V-Naht sowie für rechtwinklig zu verschweißende Platten die Kehlnaht. Die Platten müssen einwandfrei begradigt sein und auf 30° angefast werden. Das kann mit Hobel, Abrichte, Fräse, Messer, Ziehklinge geschehen. Die am häufigsten gebrauchte Naht ist die DV-Naht, bei der man von beiden Seiten – im Wechsel zur Verminderung von Verzug – schweißt. Für dünnere Platten und bei Konstruktionen, bei denen man nur von einer Seite schweißen kann, empfiehlt sich die V-Naht. Auf eine spangebende Reinigung der Schweißflächen an Platte und Draht kann nicht verzichtet werden.
Schmutz, Fett, Handschweiß, Oxidschichten müssen zur Erzielung eines hohen Schweißfaktors spangebend entfernt werden. Auch jeder Kunststoff hat einen Aufbau von Korrosionen. Eine Reinigung mit Lösungsmitteln genügt hier nicht.
Verfahren
Optimale Werte ergeben sich nur, wenn Grundwerkstoff und Draht gleichmäßig plastisch sind. Die Geräte sind in Abständen auf Temperatur und Luftmenge zu kontrollieren und ggf. nachzuregeln. Vor dem Ansetzen des Schweißdrahtes wird die Anfangsstelle kurz vorgewärmt, bis die Oberfläche matt wird.
Verfahren
Vor jeder neuen Schweißraupe werden der Schweißwulst und die bei den hohen Temperaturen beschleunigt auftretenden Oxidschichten mit geeigneten Werkzeugen spangebend ausgeschabt. Zur Verminderung von Verzug ist wichtig, daß jede Schweißnaht an der Luft auskühlt, bevor eine neue Lage aufgebracht wird. Sollen dickere Platten mit DV-Naht- Vorbereitung verschweißt werden, so ist die Platte nach jeder Schweißlage zu wenden, so daß die Nähte in ihrer Reihenfolge immer gegenüberliegend angeordnet sind. Beim Schweißen ist auf eine gleichmäßig breite erwärmte Zone auf beiden Seiten der Naht in ca. 5–8 mm Breite zu achten. Für eine gute Verbindung von Platten untereinander ist die Erzielung eines Doppelwulstes wichtig, wobei beide Partner in ihrer plastischen Zone verschmelzen. Die Molekülketten fließen ineinander und ein Doppelwulst entsteht.
Verwendung der Heftdüse
Das Schweißen mit der Heftdüse dient dem Fixieren der zu verschweißenden Teile. Dabei wird mit Warmluft, aber ohne Zusatzdraht, ein Verschmelzen vorgenommen. Die Heftdüse ist bei V-Nähten zu verwenden, um eine einwandfreie Verbindung der Wurzelzonen zu gewährleisten und eine Kerbwirkung bei der Biegung auszuschließen. Empfehlenswert ist das Arbeiten mit der Heftdüse auch dann, wenn beispielsweise die äußere Gestalt eines zu fertigenden Teiles mit Anschlüssen usw. festzulegen ist.
Verwendung der Runddüse oder der Dreieckdüse
Das Schweißen mit der Heftdüse dient dem Fixieren der zu verschweißenden Teile. Dabei wird mit Warmluft, aber ohne Zusatzdraht, ein Verschmelzen vorgenommen. Die Heftdüse ist bei V-Nähten zu verwenden, um eine einwandfreie Verbindung der Wurzelzonen zu gewährleisten und eine Kerbwirkung bei der Biegung auszuschließen. Empfehlenswert ist das Arbeiten mit der Heftdüse auch dann, wenn beispielsweise die äußere Gestalt eines zu fertigenden Teiles mit Anschlüssen usw. festzulegen ist.
Verwendung der Runddüse oder der Dreieckdüse
Dieses Verfahren erfordert mehr handwerkliches Geschick und Fingerspitzengefühl als das Arbeiten mit der Schnellschweißdüse (siehe oben). Der Draht sollte hierbei im rechten Winkel gehalten werden, um Querrissen (bei zu spitzem Winkel) und Stauchungen (bei zu stumpfem Winkel) vorzubeugen. Verwendung der Schnellschweißdüse. Das Schweißen mit der Schnellschweißdüse lässt – im Vergleich zum Rund- oder Dreieckdüsenschweißen – doppelt so hohe Schweißgeschwindigkeiten zu und bringt höhere Sicherheiten. Es werden spezielle Düsen verwendet, in die der Draht eingeführt und vorgewärmt wird. Der Luftaustritt am Düsenfuß zur Platte hin ist schmal und erwärmt nur eine bestimmte notwendige Plattenzone. Für die verschiedenen Drähte in bezug auf Durchmesser und Profil gibt es entsprechende Düsen.
Schweißfehler
1) Platte und Draht wurden nicht gleichmäßig erwärmt (Die erwärmten Zonen links und rechts des Schweißdrahtes sind nicht gleichmäßig erwärmt.)
2) Temperatur und Luftmenge stimmen nicht.
3) Platte und Draht sind nicht genügend gereinigt.
4) Die Luft ist nicht wasser-, öl- und staubfrei.
5) Die Wurzel der V-Naht ist nicht durchgeschweißt.
6) Innerhalb der Schweißnahtzone werden Lufteinschlüsse gebildet.
7) Der Schweißdraht ist vom Volumen her nicht ausreichend, um Kerben in der Schweißnahtzone auszuschließen.

Fehlende Ausrichtung der Platten, Schnellschweißdüse, Elektrischer Anschluß, (Leistung einstellbar), Griffstück, Elektrischer Heizkörper, (auswechselbar), Schweißstab, Schnellschweißdüse
9) Zu schnell geschweißt: Der Schweißdraht ist rund geblieben und nicht genügend verformt; dadurch entsteht keine oder eine unvollständige Verbindung.
10) Durch zu hohe Schweißtemperaturen entsteht eine thermische Schädigung. Der vermeintliche Vorteil einer schnelleren Schweißung wird durch thermische Schädigung der Molekülketten erkauft, wobei im Extremfall die ursprünglichen Makromoleküle fast in die Monomeren aufgespalten werden. Dies gilt im besonderen für Polyethylen und Polypropylen.
Nachbearbeiten der Schweißnähte
In der Regel bleibt die Schweißnaht unbearbeitet. Sie kann jedoch auch durch Hobeln, Schleifen oder Raspeln abgearbeitet werden, wobei darauf zu achten ist, daß keine Kerben entstehen. Nach mehrmaligem Schleifen mit Schleifpapier immer feinerer Körnung können Schweißnähte auch poliert werden (z. B. bei PVC, PETG).
Verschweißbarkeit unterschiedlicher Werkstofftypen
Grundsätzlich können nur Kunststoffe der gleichen Art, also z. B. PP mit PP, und innerhalb dieser nur solche mit gleichem oder ähnlichem (benachbarten) Molekulargewicht und gleicher Dichte miteinander verschweißt werden, wobei die Farbgebung unberücksichtigt bleiben kann. Praktisch bedeutet dies, dass bestimmte Werkstoffe grundsätzlich nur innerhalb einer bzw. zweier benachbarter Schmelzindexgruppen mit ausreichender Sicherheit miteinander verschweißt werden können. Die Schmelzindexgruppen der Werkstoffe können den Formmassenbezeichnungen nach DIN EN ISO 1872 T1 (PE) und DIN EN ISO 1873 T1 (PP) entnommen werden. Die zur Verschweißung relevanten MFR-Werte sind den entsprechenden Formmassenbezeichnungen zu entnehmen. PE-HD und PE-LD können nicht miteinander verschweißt werden. Einzige Ausnahme hierzu bildet die Möglichkeit einer ausreichenden Verbindung durch Schweißen von Hart- PVC mit Acrylglas (PMMA) oder mit SIMOLUX.
PE-HD (PE 63/PE 80/PE 100)
Rohrleitungsteile und Platten mit MFR 0,3–1,7 und MFR 0,2–0,7 sind für die Schweißung miteinander geeignet. Dies bedeutet, daß die Schmelzviskosität, d. h. das Schmelzverhalten, bei der Erwärmung sehr ähnlich ist. Diese Aussage ist in DVS 2207 Teil 1 enthalten und wurde auch vom DVGW (Deutscher Verband für Gas und Wasser) in einer Verlautbarung bestätigt. PP-H 100 (Typ 1), PP-B 80 (Typ 2), PP-R 80 (Typ 3) Schweißbarkeit ist innerhalb der Schmelzindexgruppe 006/012 (MFR 190/5: 0,4–1,0 g/10 min.) gegeben. Diese Aussage können Sie in der DVS 2207 Teil 11 nachlesen.
PVDF
Am Markt existieren zwei durch verschiedene Polymerisationsverfahren hergestellte PVDF-Typen, das Emulsions-PVDF und das Suspensions-PVDF. Ohne auf Details einzugehen, ist festzuhalten, dass Halbzeuge beider Verfahren untereinander mit hohem Verbindungswert verschweißt werden können. Die DVS-Richtlinie 2207 Teil 15 behandelt sowohl das Heizelementstumpfschweißen als auch das Muffenschweißen von extrudierten Rohren, gespritzten Formteilen und Platten.
Extrusionsschweißen ( DVS 2207-4)
Das Extrusionsschweißen wird u. a. zum Verbinden dickwandiger Teile verwendet. Es wird mit einem artgleichen Schweißzusatz geschweißt. Für PVC-U kann dieses Verfahren nur bedingt eingesetzt werden, der Extruder darf während des Betriebes nicht abgestellt werden (Zersetzungsgefahr). Für PVDF sind, ggf. nach Rücksprache mit dem Extruderhersteller, Spezialschnecken zu verwenden.
Vorbereitung
Unmittelbar vor dem Verschweißen müssen sowohl Verbindungsflächen und angrenzende Bereiche als auch geschädigte Oberflächen (besonders bei Witterungs- und Chemikalieneinflüssen) bis auf ungeschädigte Zonen mechanisch abgearbeitet werden. Reinigungsmittel (z. B. Aceton), die die Kunststoffoberfläche angreifen oder verändern, dürfen nicht verwendet werden.
Beispiel:
Material PP, Plattenstärke 10 mm, V-Stoß 60°, Extruder Munsch MA 40/60, Draht PP 4 mm
Einstellungen:
60° Öffnungswinkel, Luftspalt 1 mm (Vorbereitung der Schweißzone), TM = 225–230 °C, TL = 275–295 °C,
Abstand der Vorwärmdüse zum Grundmaterial 10–15 mm, Ausstoßleistung des Extruders ca. 1,5 kg/h ergibt≈ 150 – 175 mm/min Schweißgeschwindigkeit. Schweißgeschwindigkeit: < 20 cm/min bei PE/PP bei 10 mm Wandstärke
So, das wäre es für das Erste.
MfG
fernand