DVS 2218-2-2003 Welding of thermoplastics in series fabrication - Rotational friction welding of mouldings made of polyolefins (PE and PP).pdf

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1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Fgen von Kunststoffen“Bezug: Verlag fr Schweien und verwandte Verfahren DVS-Verlag GmbH, Postfach 10 19 65, 40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Te l e fa x ( 0 2 11) 1 5 91 - 1 5 0Bearbeiter: OsenbergFile: 2218-2.fmErstellt am: 21.05.2000Zuletzt gender

2、t am: 05.02.2003Nachdruck und Kopie,auch auszugsweise,nur mit Genehmigung des HerausgebersDiese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zurBeachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prf

3、en, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltigist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.DVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Schweien von thermoplastischen

4、Kunststoffen in der SerienfertigungRotationsreibschweien von Formteilen ausPolyolefinen (PE, PP)Inhalt:1 Geltungsbereich2 Verfahrensbeschreibung (Kurzform)3 Kurzbeschreibung der Werkstoffe PE, PP3.1 Polyethylen PE3.2 Polypropylen PP3.3 PP mit Zusatzstoffen3.4 Schweirelevante Eigenschaften von Polyol

5、efinen,Tabelle4 Werkstoffbezogene Einflussfaktoren auf das Schwei-verhalten4.1 Schmelz- und Volumenflierate (MVR/MFR)4.2 Zusatzstoffe, Additive4.3 Fll- und Verstrkungsstoffe4.4 Zusatz von Recyclaten4.5 Einfluss der Feuchtigkeit5 Konstruktionsmerkmale der Fgeteile5.1 Anforderungen (Nahtkontur)5.2 Tol

6、eranzen und Formgestaltung5.3 Fgezonengeometrien6 Herstellung der Fgeteile7 Schweibedingungen7.1 Wahl und berwachung der Verfahrensparameter(Schweiparameter)7.2 Einstellparameter 7.3 Folgeparameter7.4 Verfahrensoptimierung8 Qualittssicherung9 Sicherheitsvorschriften10 Normen und Richtlinien11 Anwend

7、ungsbeispiele1 GeltungsbereichDie Richtlinie gilt fr das Rotationsreibschweien (FR) von Bau-teilen aus Polyolefinen, im weiteren Verlauf als PE oder PP be-zeichnet.2 VerfahrensbeschreibungDie Grundlagen werden in der Richtlinie DVS 2218-1 beschrie-ben. Um hohe Schweiqualitten zu erzielen, werden neu

8、erdingsSchweimaschinen eingesetzt, die Mehrstufendrcke (unter-schiedliche Drcke whrend der Schwei- und Khlphase) sowieeine Triggerung ermglichen.Die Maschinen der neuen Generation bieten weitere technischeMglichkeiten. So kann der Anwender zwischen folgenden Be-triebsarten whlen:konstante Drehzahl,

9、konstanter Schwei- und Fgekraftkonstante Drehzahl, variabler Schwei- und Fgekraftvariable Drehzahl, konstanter Schwei- und Fgekraftvariable Drehzahl, variabler Schwei- und FgekraftHierdurch knnen Material und Schweinaht unter spezifischenAspekten besser bercksichtigt und Schweiqualitten weiteroptimi

10、ert werden.Auerdem verfgen moderne Reibschweimaschinen ber einDiagnosesystem (Information ber Fehlerquellen in der Maschi-ne) zurErfassung der BetriebsdatenErfassung der ProzessdatenBearbeitung der Prozessdaten bis zur statistischen Qualitts-kontrolleErstellung einer Datendokumentation3 Kurzbeschrei

11、bung der Werkstoffe PE, PPPolyolefine sind teilkristalline Kunststoffe, die sich sehr gut rotati-onsreibschweien lassen. Die Auswahl des Materials oder desTyps soll daher nicht nur nach dem Anforderungsprofil des spte-ren Einsatzgebietes, sondern auch nach dem typspezifischenSchweiverhalten erfolgen

12、. Vernetzte Polyolefine sind schlechtbis nicht schweibar. Werkstoffkennwerte sowie typspezifischeEigenschaften knnen den Produktdatenblttern und den Daten-banken der Rohstoffhersteller, z. B. CAMPUS-Datenbank, ent-nommen werden.3.1 Polyethylen PENach ISO 1872-1 (DIN 16776-1) sind PE-Formmassen auf B

13、asisvon Polyethylen-Homopolymeren und/oder Polyethylen-Copoly-meren. Falls erforderlich, knnen auch Fll- und/oder Verstr-kungsstoffe enthalten sein.3.1.1 Polyethylen-HomopolymerePolyethylene entstehen in Abhngigkeit von den Polymerisati-onsbedingungen mit unterschiedlichem Verzweigungsgrad. Mitabneh

14、mender Verzweigung der Molekle nehmen der kristallineAnteil und die Dichte zu.Mit steigender Dichte und molarer Masse nehmen Schmelztem-peratur und Schmelzeviskositt zu. Mit steigender Schmelzevis-kositt ist Polyethylen einfacher zu schweien. Dichte und mola-re Masse beeinflussen auch die mechanisch

15、en und thermischenEigenschaften des Polyethylens.PE-LD (Dichte 0,915 - 0,934 g/cm3) besitzt eine langkettenver-zweigte Struktur. Das linear aufgebaute PE-HD (Dichte 0,935 -0,97 g/cm3) weist dagegen eine hhere Steifigkeit, Hrte undWrmeformbestndigkeit auf.Mit zunehmender molarer Masse gekennzeichnet

16、durch abneh-mende MVR/MFR-Werte steigt bei PE die Spannungsriss-bestndigkeit und Schlagzhigkeit, letztere steigt zustzlich mitabnehmender Dichte, d. h. mit zunehmendem Verzweigungs-grad.Die Molmassenverteilung (MMV) hat einen erheblichen Einflussauf die Eigenschaften und Verarbeitung.April 2003Richt

17、linieDVS 2218-2B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2218-23.1.2 Polyethylen-CopolymereDie Copolymerisation des Ethylens fhrt zu verzweigten Ketten-strukturen. Dadurch wird der kristalli

18、ne Anteil verringert und dieSchmelztemperatur, Dichte und Steifigkeit herabgesetzt, dieSpannungsrissbestndigkeit erhht. Beim Niederdruckprozessentstehen Polyethylene niederer Dichte wie PE-ULD, PE-VLDund PE-LLD (Dichte 0,88 - 0,93 g/cm3) und PE-MD mittlererDichte (Dichte 0,93 - 0,94 g/cm3), welche e

19、ine lineare Strukturmit Kurzkettenverzweigungen aufweisen.Beim Hochdruck-Prozess sind es polare Comonomere, wieVinylacetat (VA), Acrylsure (A), Acrylester, die z. B. eine flexibi-lisierende Wirkung und eine hhere Haftung zu Fremdmaterialienaufweisen.Copolymere, wie EVAC, EAA, EEA, werden auer durch

20、dieDichte und MVR/MFR noch zustzlich durch Art und Menge derComonomeren charakterisiert.3.1.3 Polymergemische (Blends)Polymergemische entstehen durch mechanische Einarbeitungvon anderen Polymeren, z. B. PA. In den meisten Fllen werdenhierzu noch sogenannte Vertrglichkeitsmacher hinzugegeben.Die Qual

21、itt, Art und Konzentration der Komponente/n im Ge-misch beeinflussen die Qualitt der Schweiverbindung. Es soll-ten Versuche zur Klrung der Schweieignung durchgefhrt wer-den.3.1.4 PE mit ZusatzstoffenPolyethylene enthalten verschiedene Zusatzstoffe wie Stabilisa-toren, Farbmittel, Antistatika, Verarb

22、eitungshilfsmittel, Flamm-schutzmittel sowie eventuell auch Fll- und/oder Verstrkungs-stoffe. Da diese Zusatzstoffe die Schweieigenschaften beein-flussen knnen, muss auch hier die Schweieignung durchVersuche ermittelt werden.3.2 Polypropylen PPPP-Formmassen sind nach ISO 1843-1 (DIN 16774-1) thermo-

23、plastische Formmassen auf der Basis von Propylen-Homopoly-meren und/oder Propylen-Copolymeren. Es gibt Homopolymeremit hohen oder niedrigen kristallinen Anteilen, Blockcopolymere,Randomcopolymere, elastomermodifizierte sowie gefllte und/oder verstrkte Typen. Mit allen lassen sich gute Schweiqualit-t

24、en erreichen.3.2.1 Polypropylen-HomopolymereFormteile aus Homopolymeren zeichnen sich durch hhere Stei-figkeit, Hrte und Wrmeformbestndigkeit aus. Der Schmelz-temperaturbereich beginnt bei 160 C. Die unterschiedlichenTypen sind durch ihren MVR/MFR-Wert gekennzeichnet.3.2.2 Polypropylen-CopolymereBei

25、 Copolymeren unterscheidet man zwischen Blockcopolyme-ren (PP-B), Randomcopolymeren (PP-R) und (PP-Q) Polypropy-len mit hoher Schmelzefestigkeit. Copolymere weisen hhereZhigkeiten als Homopolymere und vergleichbare MFR/MVR-Werte auf. Randomcopolymere zeigen eine hhere Transparenzund einen herabgeset

26、zten breiteren Schmelzbereich.Die unterschiedlichen Typen sind durch ihren MFR/MVR-Wertbzw. ihre Zhigkeit gekennzeichnet. Die Polyolefine sind teilkri-stalline Kunststoffe, die sich sehr gut rotationsreibschweien las-sen.3.2.3 Elastomermodifiziertes PPDie elastomermodifizierten PP-Formmassen enthalt

27、en in denmeisten Fllen als Elastifizierungsmittel Ethylen-Propylen-Kau-tschuk (EPM, EPDM). Sie zeichnen sich besonders durch hoheSchlagzhigkeit in der Klte, ausreichende Steifigkeit in der Wr-me, Vertrglichkeit mit Fll- und Verstrkungsstoffen sowie durcheine gute Verarbeitbarkeit aus.3.2.4 PP mit Fl

28、l- und/oder VerstrkungsstoffenGlasfaser-, naturfaser-, kreide- oder talkumverstrkte/-geflltePolymere zeigen eine hhere Steifigkeit, Hrte und Formbestn-digkeit in der Wrme, jedoch meistens eine geringere Schlag-zhigkeit als das ungefllte Grundmaterial. GlasfaserverstrkteTypen mit chemischer Kopplung

29、zeichnen sich durch hohe me-chanische Festigkeit, Steifigkeit und Wrmeformbestndigkeitaus. Orientierungen der Glasfasern im Formteil beeinflussen die-se Eigenschaften und den Verzug. Daher ist eine berprfungder Schweieignung meist notwendig.3.3 PP mit ZusatzstoffenZusatzstoffe wie Fremdpolymere, Far

30、bmittel, Stabilisatoren, An-tistatika, Verarbeitungshilfsmittel und Flammschutzmittel beein-flussen die Eigenschaften von PP, abhngig von der zugegebe-nen Menge. Auch hier sind Vorversuche fr die Schweieignunganzuraten.3.4 Schweirelevante Eigenschaften von Polyolefinen, Tabelle 1.Tabelle 1. Eigensch

31、aften von Polyolefinen PE, PP fr das FR-Schweien.1)cm3/b. 190 C/2,16 kg /10 min2)cm3/b. 190 C/5 kg /10 min3)cm3/b. 190 C/2,16 kg/10 min (MFR)4)cm3/b. 230 C/2,16 kg/10 minPE-, PP-Typ Aufbau Dichte g/cm3E-Modul N/mm2SchmelztemperaturCSchmelzeviskosittMVR /MFRPE-LD Homopolymerisat 0,915 -0,926 140 - 26

32、0160 - 255105 - 113104 - 1130,1 -83)15 - 2503)PE-LLD Homopolymerisat lin. 0,88-0,927 140 - 350 121 - 124 0,6 - 113)PE-MD PE mittl. Dichte 0,93 - 0,944 380 - 800 125 - 128 0,7 - 1,02)PE-HD PE hoher Dichte 0,935-0,97 550 - 1900600 -1700121 - 137 0,1 - 81)11 - 421)PP-H Homopolymerisat 0,898-0,912 500 -

33、 16001100 - 1600150 - 175 0,5 124)15 - 604)PP-B Blockpolymerisat,mittl. Fliefhigkeit0,89 - 0,912 550 - 16501050 - 1700160 - 175 0,8 - 94)12 - 454)PP-Q hohe Schmelzefestigkeit 0,89 - 0,90 400 160 - 170 0,8 - 204)PP-R Randompolymerisat 0,895 - 0,905 700 - 1200 140 - 170 1,2 - 144)PPEPDM- Copolymerisat

34、PP-Copolymerisat 0,896 - 0,915 350 - 1010 5 - 84) B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2218-24 Werkstoffbezogene Einflussfaktoren auf das Schwei-verhalten4.1 Schmelz- und Volumenflierat

35、e (MVR/MFR)Das Flieverhalten der Schmelzen von Polyolefinen wird durchdie Schmelze-Volumenflierate (MVR) und/oder durch dieSchmelzeflierate (MFR) nach ISO 1133 angegeben. Es knnennur solche Werte miteinander verglichen werden, die bei glei-chen Prfbedingungen (Belastungsgewicht/Temperatur) gemes-sen

36、 werden.Das Plastifizierverhalten der Fgezone wird entscheidend vonder Molmasse und der Molmassenverteilung beeinflusst.Zhflieende PE- und PP-Typen mit niedriger MVR/MFR sind frdas FR-Schweien besser geeignet als leichtflieende Typen mithoher MVR/MFR. Auf dieses Verhalten sind besonders der Reib-dru

37、ck und die Drehzahl (Tangentialgeschwindigkeit) anzupas-sen.Eigenschaften geschweiter Verbindungen, die von der MVR/MFR abhngen, sind:Polyolefine mit niedrigen MVR/MFR-Werten sind hoch belastbarzeigen gutes Langzeitverhaltensind weniger bruchanfllig bei Biegunghaben geringeren SchmelzeaustriebPolyol

38、efine mit hohen MVR/MFR-Wertenerfordern wegen der leichtflieenden Schmelze besondereManahmensind im allgemeinen geringer belastbar4.2 Zusatzstoffe, AdditiveZusatzstoffe, welche die Schweieigenschaften beeinflussen,knnen sein:FarbmittelFlammschutzmittelVerarbeitungshilfsmittel (Gleit- und Trennmittel

39、)Fremdpolymere (Farbbatch)UV-StabilisatorenAntistatikaDa diese Stoffe in unterschiedlichen Konzentrationen zugegebenwerden, ist ihr Einfluss auf die Schweieigenschaften durch Ver-suche zu ermitteln.4.3 Fll- und VerstrkungsstoffeFll- und Verstrkungsstoffe, die das Schweiverhalten beein-flussen knnen,

40、 sind u. a:Glasfasern Glaskugeln NaturfasernHolzmehl Talkum KreideGlimmerDas Schweiverhalten wird je nach Art, Menge und Orientierungdieser Mittel beeinflusst. In erster Linie ist die Menge entschei-dend, weil dadurch der Anteil an schweibarer Matrix festgelegtwird. Da verfahrensbedingt die Verstrku

41、ngsstoffe im Schwei-spalt geschert werden, tragen sie nicht zur Erhhung der Fge-nahtfestigkeit bei. Die Beschaffenheit des Schweiwulstes wirddurch den Anteil des Fll-/Verstrkungsstoffes beeinflusst.Die Fgenahtfestigkeit muss durch Versuche ermittelt werden.4.4 Zusatz von RecyclatenIn zunehmendem Mae

42、 werden Recyclate (aus bereits einmalverarbeiteten und gebrauchten Bauteilen), Regranulate (sorten-reines Mahlgut ohne weitere Zustze) oder Regenerate (Mahlgutunter Zugabe von Zustzen) alleine oder in Mischung mit Neuwa-re verarbeitet und die daraus hergestellten Formteile geschweit.In welchem Mae d

43、ie Schweieigenschaften dadurch beeinflusstwerden, hngt von den Mischungsverhltnissen ab und mussdurch Versuche ermittelt werden. Dabei sollte vor allem auf sor-tenreine Recyclate, Regranulate bzw. Regenerate geachtet wer-den.4.5 Einfluss der FeuchtigkeitPolyolefine sind aufgrund ihrer unpolaren Stru

44、ktur wasserabwei-send. Die Wasseraufnahme ist sehr gering und bei sachgemerLagerung ohne Einfluss. Es ist jedoch mglich, dass durch Zu-stze Feuchtigkeit aufgenommen wird. Im Bedarfsfalle mssendie Fgeteile vorgetrocknet werden, um porse Schweinhte zuvermeiden.5 Konstruktionsmerkmale der FgeteileZur E

45、rzielung hochwertiger Schweiverbindungen sind bereits inder Planungsphase die ntigen Voraussetzungen zu schaffen.Je nach Anforderung an die Schweiverbindungen ist die Kon-struktion auf folgende Forderungen auszurichten: rotationssymmetrische Fgenahtkontur zumindest ein Bauteil muss eine rotationssym

46、metrische Fge-flche aufweisen beide Teile mssen das Drehmoment aufnehmen und bertra-gen knnen es mssen Scherkrfte in axialer Richtung aufgenommen undbertragen werden knnen die Teile drfen sich beim Schweivorgang nicht deformieren bei Beginn der Reibphase soll eine kleinflchige (linienfrmige)Berhrung

47、 vorliegen5.1 Anforderung (Nahtkontur)Zweckmig sind Kombinationen verschiedener Grundformen,z. B. Stumpfkegel gegen Kreisflche. Das soll nicht nur eine guteZentrierung der Teile bewirken, sondern auch das Auftretenreibungsbehindernder Ratterschwingungen ausschlieen. DerSchweivorgang wird dabei zunch

48、st auf schmale Ringzoneneingeleitet und es entsteht sehr schnell eine benetzendeschmierfhige Schmelze, die eine eventuell auftretende Phasevon Axial- oder Torsionsschwingungen meist sehr rasch been-det. Es ist jedoch unbedingt zu beachten, dass die Reibschweibar-keit von Geometriekombinationen ihre

49、Grenzen hat. Wird z. B.eine Steilkegelflche mit einer Kreis- oder Kreisringflche vonetwa gleicher Flchengre kombiniert, so kann es zu einerFehlschweiung kommen, weil die Steilkegelflche eine sehr vielgrere Vorschubgeschwindigkeit erfordert als die Kreis- oderKreisringflche. 5.2 Toleranzen und FormgestaltungDie Teile mssen zentriert passen.