Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Qualitätsgerechtes Heizelementstumpfschweißen dickwandiger Halbzeuge aus Polyethylen

Im Rohrleitungs-, Apparate- und Behälterbau stellt das Heizelementstumpfschweißen eines der am häufigsten verwendeten Schweißverfahren für Kunststoffe dar. Dieses Verfahren kann sowohl theoretisch als auch im praktischen Einsatz als das am besten verstandene Kunststoffschweißverfahren bezeichnet werden. Dennoch treten vermehrt Schweißnahtbrüche an Heizelementschweißnähten bei Bauteilen großer Wanddicke, schon bei Kurzzeitbelastung z.T. bei Einbausituationen auf und verdeutlichen dass das Verständnis zwischen Prozessführung und Nahteigenschaften offensichtlich nicht ausreicht, die Übertragung der Grundlagenerkenntnisse zu großen Wanddicken bzw. Fließwegen hin nicht ohne weiteres möglich ist und diese insgesamt einer wissenschaftlichen Neubewertung bedürfen. Die wissenschaftliche Untersuchung der großen Fließ- und Dehngeschwindigkeitsbereiche in Zusammenhang mit der Kühlkinetik, Bildung der Morphologie und dem Eigenspannungszustand stellen das primäre Forschungsziel dar.

Nach der Identifizierung der Ursachen mittels mechanischer, thermoanalytischer, optischer und rheologischer Analysemethoden sollte es möglich sein, Schweißparametersätze zu entwickeln und hinreichend zu evaluieren, auch Großrohre und Behälter sicher und belastbar mit dem Heizelementstumpfschweißverfahren zu fügen. Der Transfer der Ergebnisse erfolgt dabei über die entsprechenden Gremien des DVS und Sitzungen des Projektbegleitenden Ausschuss sowie durch Veröffentlichungen in Fachzeitschriften und auf Tagungen, Messen und Konferenzen. Die Ergebnisse werden darüber hinaus bei Industriebesuchen und in Vorlesungen transferiert.

Die im Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse sollen das sichere HE-Schweißen für Polyethylen bei Wanddicken oberhalb 30 - 40 mm ermöglichen. Der Nutzen für die KMU des Behälter- und Rohrleitungsbaus liegt dabei in der Reduzierung industrieller Schadensfälle, die in der Regel einen erheblichen wirtschaftlichen Schaden und einen Imageverlust des Unternehmens nach sich ziehen

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde erstmals das Heizelementschweißen von Platten und Rohrsegmenten mit einer Wanddicke bis 100 mm systematisch untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass sich beim Anwärmen des Materials am Heizelement eine unsymmetrisch gekrümmte Schmelzeschicht bildet. Bei dickwandigem Material ist die Krümmung der Schmelzeschicht aufgrund der hohen Fügefläche und langer Anwärmzeiten besonders stark ausgeprägt und spielt daher eine bedeutende Rolle für den weiteren Schweißprozess. Während des Fügeprozesses kommt es zu einer ungleichmäßigen Fügedruckverteilung sowie zu lokal unterschiedlichen Fließbedingungen in der Schweißnaht. Außerdem wurde gezeigt, dass in der Schweißnaht lokal unterschiedliche Abkühlbedingungen vorherrschen, was dazu führt, dass die Randbereiche heizelementgeschweißter Bauteile als Letztes, unter Einwirkung von Zugeigenspannungen, erstarren.

Im Zeitstand-Zugversuch hat sich ein frühzeitiges Versagen der Randbereiche gezeigt. Im Vergleich zu den aus der Mitte der Schweißnähte entnommenen Proben kommt es bei den Zugproben am unteren Rand, wo die höchste Restschmelzeschichtdicke vorliegt, bereits nach einer deutlich kürzeren Standzeit zu einem Fügeebenenbruch. Variationen der in der DVS-Richtlinie vorgegebenen Parameter zum Heizelementschweißen haben nicht zur Verbesserung der Standzeiten im Zeitstand-Zugversuch geführt. Eine Verringerung des Fügedrucks sowie eine Verkürzung der Anwärmzeiten führen sogar zu einer deutlichen Verschlechterung der Langzeiteigenschaften.

Die DVS-Parameter haben sich daher im Rahmen des Projekts grundsätzlich als für die Praxis geeignete Werte erwiesen. Dennoch liegt eine Schwächung der geschweißten, dickwandigen Bauteile im Randbereich vor. Zur endgültigen Erforschung des Versagensmechanismus sowie zur Verbesserung der Langzeiteigenschaften heizelementgeschweißter Bauteile mit hoher Wanddicke sind weitere Untersuchungen notwendig.