Qualitätsgerechtes Heizelementstumpfschweißen dickwandiger Halbzeuge aus Polyethylen

Der Rohrleitungs-, Apparate- und Behälterbau stellt neben der Verpackungs- und Fahrzeugindustrie eines der größten Einsatz­gebiete von Kunststoffen in Deutschland dar. Die typischen Werkstoffe sind Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylidenfluorid. Rohrsysteme und Formteile aus diesen Kunststoffen sind seit langem Stand der Technik, werden jedoch in immer größeren Dimensionen und Wanddicken produziert und verarbeitet. Speziell im Rohrleitungsbau haben sowohl die Rohrwickeltechnik als auch die Extrusionstechnik zu Rohrdimen­sionen von über 2500 mm Durchmesser und Wanddicken von 100 mm geführt, da speziell Polyethylenrohre Eingang in Druck- und Volumenstrombereiche gefunden haben, die in der Vergangenheit dem Stahlrohr vorbe­hal­ten waren. Die Rohrsysteme werden vor allem mit dem Heizelementstumpfschweißen gefügt, einem Verfahren, welches sowohl theoretisch als auch im praktischen Einsatz als das am besten verstandene Kunststoffschweißverfahren bezeichnet werden kann.

Vermehrt auftretende Schweißnahtbrüche an Heizelementschweißnähten bei Bauteilen großer Wanddicke führen allerdings zu einer großen Unsicherheit sowohl bei den Rohrherstellern als auch bei deren Anwendern. Bereits unter Kurzzeitbelastung, zum Teil bei Einbausituationen, kommt es zu charakteristischen Sprödbrüchen, was für das eigentlich zähe Polyethylen völlig untypisch ist. Im Bild sind diese systematischen Schweißnahtbrüche für verschiedene Wanddicken zu sehen.

Schlagartiges, sprödes Bruchverhalten von heizelementgeschweißten Rohren aus Polyethylen; Wanddicke: 35, 60 und 75 mm (v. l. n. r.)

Die Grundlagen und Parameter zum Heizelementschweißen sind an Wanddicken bis 20 mm erarbeitet worden. Für das Schweißen größerer Dimensionen liegen lediglich extrapolierte Werte vor, während experimentell bisher nur wenige Erkenntnisse erarbeitet wurden. Die auftretenden Schadensfälle an geschweißten Rohrleitungen aus Polyethylen zeigen allerdings, dass die Übertragung der Grundlagenerkenntnisse auf große Wanddicken nicht ohne Weiteres möglich ist. Im vorliegenden IGF-Forschungsprojekt werden Einflüsse auf die Schweißnaht ermittelt, welche bei den bisher theoretisch gewonnenen Erkenntnissen nicht berücksichtigt wurden. Dabei werden die strukturrelevanten Scher- und Dehnströmungsgeschwindigkeiten untersucht, welche beim Fügen großer Wanddicken wesentlich größere Skalenbereiche umfassen, als es in wissenschaftlichen Arbeiten bisher untersucht wurde. Dies führt in Verbindung mit den ebenfalls sehr viel inhomogeneren Kühlbedingungen zu bisher nicht verstandenen Schweißnaht­morphologien und Eigenspannungszuständen, die für das Sprödversagen verantwortlich sein könnten. Das Ziel des Projekts ist die Ermittlung geeigneter Schweißparameter für dickwandige Halbzeuge auf Basis dieser Erkenntnisse.

Für die Industrie des Rohrleitungs- und Behälterbaus soll mit den im Projekt generierten Ergebnissen ein sicheres Heizelement­stumpf­schweißen dickwandiger Halbzeuge und damit einhergehend die Reduzierung industrieller Schadensfälle ermöglicht werden. Die Verbesserung des Prozessverständnisses zum Schweißen dickwandiger Halbzeuge wird darüber hinaus zur Beseitigung der Bedenken über den Einsatz immer größerer Halbzeuge beitragen und zu einem neu gewonnenen Marktvertrauen in derartige Produkte und Produktlösungen führen.

Das Projekt wird von der Professur Kunststoffe der Technischen Universität Chemnitz und deren Industriepartnern aus dem Rohrleitungs- und Behälterbau durchgeführt. Durch die Zusammenarbeit der Forschungseinrichtung mit den beteiligten Unternehmen können die kunststoff- und produktionstechnischen Kompetenzen weiter ausgebaut und für die Industrie wichtige Erkenntnisse generiert werden.

Laufzeit	01.09.2017 bis 31.08.2019
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