SB_19670BLP

Schlussbericht zum IGF-Vorhaben 19670 BR 14
1.2 Stand der Forschung und Entwicklung
Zum Heizelementschweißen von PE, zum Festigkeits- und Versagensverhalten liegen in der
Literatur umfangreiche Untersuchungen und Ergebnisse vor [10-25]. Das
Heizelementschweißen ist ein seit vielen Jahrzehnten etabliertes und vergleichsweise einfaches
Kunststoffschweißverfahren [2]. Es kann als eines der am besten analysierten und theoretisch
durchdrungenen Schweißverfahren angesehen werden und wird unter anderem im Apparate-,
Behälter- und Rohrleitungsbau angewendet. Experimentelle wissenschaftliche Arbeiten wurden
im Wesentlichen mit Wanddicken von 4 – 20 mm durchgeführt. Besonders in den 1980er und
90er Jahren wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zum Heizelementstumpfschweißen von
PE durchgeführt. Nach der Erkenntnis zum Einfluss der Fließgeschwindigkeit auf die
mechanischen Eigenschaften wurde das Strömungsfeld auf Basis der Fügegeschwindigkeit und
des Temperaturgradienten theoretisch beschrieben [26, 27]. In weiteren Arbeiten wurde
nachgewiesen, dass sich ein Optimum der mechanischen Eigenschaften einstellt, wenn ein
dimensionsloses Fügewegverhältnis s F/L 0 von ca. 0,75 eingehalten wird [21, 28]. Daraus wurde
ein von der Dimension und der Schmelzeschichtdicke abhängiger Fügedruck für PE
abgeleitet [28]. In einer weiteren Arbeit wurden die Erkenntnisse zu Modellgesetzen zum
Schweißen von teilkristallinen Kunststoffen dimensionsunabhängig zusammengefasst [29].
Untersuchungen zum Zeitstandverhalten wurden nur in wenigen Arbeiten durchgeführt [23, 30].
Im DVS, seinen Arbeitskreisen und mit intensiver Unterstützung der Industrie wurde neben dem
Schweißen insbesondere die Prüftechnik des Zeitstandverhaltens analysiert [9-13, 31-33]. Im
Vordergrund stand die sichere Dimensionierung geschweißter Systeme, also die Ermittlung des
Langzeitschweißfaktors als Dimensionierungskennwert. Die Verwendung von Netzmittel zur
Prüfzeitverkürzung wurde in aufwendigen Versuchen abgesichert [12]. Unter anderem in nicht
veröffentlichten Ringversuchen im Rahmen der DVS-Arbeitsgruppen wurden die
Schweißparameter für PE definiert und mit den damaligen PE-Rohrwerkstoffen ein sicheres
Erreichen des Zeitstandschweißfaktors von 0,8 sichergestellt. Systematische wissenschaftliche
Untersuchungen mit den heute verwendeten Werkstoffen fehlen. Die verwendeten Probekörper
der experimentellen Untersuchungen in diesen Arbeiten hatten Wanddicken mit maximal
24 mm [29]. Zu Wanddicken oberhalb 20 mm gibt es anwendungsnahe und praktische
Ringversuche, welche die prinzipielle Machbarkeit nachweisen. Wissenschaftliche Arbeiten mit
experimentellen Nachweisen, die sich systematisch mit dem Einfluss der Wanddicke über einen
großen Skalenbereich befassen, sind nicht bekannt. Weiterhin wurde der Zusammenhang
zwischen Prozessführung, Morphologie und mechanischen Kurz- und Langzeiteigenschaften
zwar in zahlreichen Arbeiten im Wesentlichen an PP, hier aber auch prozessübergreifend,
aufgezeigt [34-49]. Zu PE sind jedoch nur wenige Arbeiten bekannt [50], nicht zuletzt aufgrund
der lichtmikroskopisch nur schwierig zu analysierenden, sehr feinsphärolithischen Überstruktur.