DE102013018434B4 - Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren im Bereich einer Rohrkupplung mittels wenigstens eines Schweißringes, an dem für eine definierte Zeit eine Spannung anliegt und ein Strom durch mindestens einen Widerstandsheizdraht fließt, wobei durch die Erwärmung und das Aufschmelzen des Schweißringes sowie der den Schweißring umgebenden Bereiche der Kunststoffrohre sich eine mediendichte Verschweißung ergibt, und sich die am Schweißring anliegende Spannung während des Schweißvorganges zum Zwecke der Steuerung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von der Zeit verändert dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang mit einer ersten Phase niedriger Spannung/geringer Wärmezufuhr beginnt, die beim geschlitzten Schweißring zur Flexibilisierung des Schweißringes zum Zwecke des besseren Anliegens an die Umfangsfläche der Nut dient und beim geschlossenen Schweißring zu einer besseren Anlage des Schweißringes an die Außenflächen der Rohrkupplung führt, und dann eine zweite kurzzeitige Phase aufweist, in der eine plötzliche, deutlich höhere Spannung/große Wärmezufuhr vorhanden ist und die Spannung mindestens verdoppelt wird, welche der Vorfixierung des Schweißringes in der Nut dient, wobei in einer dritten längeren Phase bei mittlerer Spannung/mittlerer Wärmezufuhr, bei der die Spannung mindestens um ein Sechstel im Vergleich zur zweiten Phase abnimmt, das vollständige Verschweißen der Rohrkupplung stattfindet..

Description

  • Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren im Bereich einer Rohrkupplung mittels wenigstens eines Schweißringes, an dem für eine definierte Zeit eine Spannung anliegt und ein Strom durch mindestens einen Widerstandsheizdraht fließt, wobei durch die Erwärmung und das Aufschmelzen des Schweißringes sowie der den Schweißring umgebenden Bereiche der Kunststoffrohre sich eine mediendichte Verschweißung ergibt und sich die am Schweißring anliegende Spannung während des Schweißvorganges zum Zwecke der Steuerung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von der Zeit verändert.
  • Kunststoffrohre werden nach dem Stand der Technik – beispielsweise wie in der DE 197 81 628 T5 dargelegt – mittels in die Kupplungsbereiche eingelegter Schweißringe verbunden, die mit Widerstandsheizdrähten versehen sind. An diesen Schweißringen liegt eine definierte Zeit eine konstante Spannung an und durch einen Strom, der durch den oder die Widerstandsheizdrähte fließt, wird der aus Kunststoff bestehende Schweißring wie auch der Kupplungsbereich der beiden zu verbindenden Rohre aufgeschmolzen, so dass sich letztendlich eine mediendichte Verschweißung der Rohre in Kupplungsbereich ergibt.
  • Bei diesem Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren, beispielsweise im Bereich einer Nut einer Rohrkupplung, ergeben sich jedoch insbesondere in Abhängigkeit von dem Durchmesser und dem Rohrmaterial sowie der Materialstärke immer wieder Probleme, dass einerseits Undichtigkeiten entstehen, weil der Schweißring keine umlaufend mediendichte Verbindung hergestellt hat. Andererseits treten auch Probleme dahingehend auf, dass die zu verbindenden Rohre nach dem Verschweißen durch zu große Wärmeeinwirkung ihrerseits durch „Durchbrennen” der Rohrwandung Undichtigkeiten aufweisen.
  • Weitere Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren sind aus der WO 95/16 557 A2 und aus der DE 197 51 400 A1 bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein neues Verfahren zum Verschweißen von unterschiedlichen Kunststoffrohren im Bereich einer Rohrkupplung mittels eines Schweißringes zu schaffen, das besser an die unterschiedlichen Kunststoffrohre angepasst werden kann und mit größerer Sicherheit eine mediendichte Verschweißung sicherstellt.
  • Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere den Merkmalen des Kennzeichenteils, wonach der Schweißvorgang mit einer ersten Phase niedriger Spannung/geringer Wärmezufuhr beginnt, die beim geschlitzten Schweißring zur Flexibilisierung des Schweißringes zum Zwecke des besseren Anliegens an die Umfangsfläche der Nut dient und beim geschlossenen Schweißring zu einer besseren Anlage des Schweißringes an die Außenflächen der Rohrkupplung führt, und dann eine zweite kurzzeitige Phase aufweist, in der eine plötzliche, deutlich höhere Spannung/große Wärmezufuhr vorhanden ist und die Spannung mindestens verdoppelt wird, welche der Vorfixierung des Schweißringes in der Nut dient, wobei in einer dritten längeren Phase bei mittlerer Spannung/mittlerer Wärmezufuhr, bei der die Spannung mindestens um ein Sechstel im Vergleich zur zweiten Phase abnimmt, das vollständige Verschweißen der Rohrkupplung stattfindet.
  • Auf der Basis des sogenannten Ohm'schen Gesetzes U(Spannung) = R(elektrischer Widerstand) × I(Stromstärke) ist es beim Verschweißen der Rohre durch Veränderung der Spannung U (Volt) möglich, den Widerstand des Heizdrahtes und damit den Umfang der entstehenden Wärme/Zeit = Wärmefluss zu verändern.
  • Durch diesen über den gesamten Schweißvorgang differenziert steuerbaren Wärmezufluss wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den Schweißvorgang in Bezug auf spezielle Rohre aus unterschiedlichen Materialien bzw. Materialstärken und/oder mit unterschiedlichen Durchmessern sowie mit unterschiedlichen Kupplungsbereichen so auszugestalten, dass sich beispielsweise bei einem geschlitzten Schweißring dieser vor dem eigentlichen Verschweißen vollständig schließt. Auch kann der Schweißvorgang so ausgestaltet sein, dass sich geschlitzte wie auch nicht geschlitzte Schweißringe aufgrund wärmebedingter Flexibilisierung vor dem eigentlichen Schweißvorgang zunächst optimal im Rohrkupplungsbereich positionieren und an den tatsächlichen Rohrverlauf anpassen, so dass mit großer Wahrscheinlichkeit eine mediendichte Verbindung der Rohre erzielbar ist.
  • Zusammenfassend ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein individuell auf ein spezielles Rohr angepasstes Schweißverfahren, mit dem eine sichere mediendichte Verschweißung zuverlässig erreichbar ist.
  • Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise bei Kunststoffrohren mit lediglich 200 mm Durchmesser eingesetzt. Dort erstreckt sich die Phase 1 auf 20 Sekunden, die Phase 2 auf 5 Sekunden, während Phase 3 ca. 300 Sekunden andauert. In der Phase 1 wird dabei auf schonende Weise zunächst der Schweißring erwärmt, so dass beim geschlitzten Schweißring – ausgelöst durch die Ausdehnung des in der Mitte angeordneten Dehnschlauchs – sich der vorhandene Schlitz vollständig schließt.
  • Darüber hinaus ergibt sich beim geschlitzten Schweißring wie auch beim geschlossenen Schweißring eine Flexibilisierung des Schweißringes, wodurch sich dieser auf vorteilhafte Weise an die Außenflächen der Rohrkupplung anlegt.
  • Des Weiteren findet eine schonende Erwärmung des Kupplungsbereiches insgesamt statt, so dass sich in den zu verbindenden Rohren keine problematischen Materialspannungen aufbauen.
  • Im Gegensatz dazu wird in der Phase 2 durch die kurzzeitig deutlich erhöhte Spannung eine große Wärmezufuhr erzielt, wodurch die Außenflächen des Schweißringes einerseits und auch die benachbarten Flächen der Rohre angeschmolzen werden, so dass es zu einer Vorfixierung des Schweißringes im Rohrkupplungsbereich kommt. Dies ist grundsätzlich vorteilhaft, damit beim anschließenden länger dauernden Verschweißen der vollständigen umlaufenden Verschweißung der Rohre in der Phase 3 keine Relativbewegung mehr zwischen dem Schweißring und dem Rohrstutzen stattfindet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens verändert sich das Niveau des Spannungsverlaufs und auch die Länge der Schweißbereiche in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
  • Dieses Verfahren ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine optimale Kompensation des konkreten, für ein spezielles Rohr entwickelten Schweißverfahren bei Abweichungen von der Umgebungstemperatur. Hierzu bleibt festzuhalten, dass die beim Stand der Technik für spezielle Rohre entwickelten Schweißverfahren beispielsweise bezüglich einer Umgebungstemperatur von 20° Celsius entwickelt worden sind und dass bei Abweichungen von dieser „Normtemperatur” bisher lediglich die Schweißzeit angepasst wurde. Durch die gleichzeitige Anpassung des Niveaus des Spannungsverlaufes und der zeitlichen Länge der Schweißbereiche ist jedoch durch eine zusätzliche Veränderung des Wärmeflusses eine exaktere Anpassung an veränderte Temperaturbedingungen möglich.
  • Ein weiteres Verfahren stellt eine Abweichung zum Verfahren nach Anspruch 1 dar. Dort weist der Schweißvorgang der ersten Phase eine geringe Anfangsspannung auf, die jedoch bis zum Beginn der zweiten Phase langsam ansteigt. Ebenso ist auch eine Abweichung derart denkbar, dass der Schweißvorgang der ersten Phase eine etwas höhere Anfangsspannung aufweist, die jedoch bis zum Beginn der zweiten Phase langsam abnimmt.
  • Die vorgenannten abgewandelten Verfahren stellen beispielhafte Verfahrensspezifizierungen dar, durch die man im Rahmen von zahlreichen Versuchen den optimalen Schweißverlauf für ein konkretes Rohr mit einem bestimmten Durchmesser und aus einem bestimmten Material etc. ermitteln kann.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigen:
  • 1: eine skizzenhafte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Rohrkupplung mit Schweißring sowie Schweißautomat,
  • 2: eine skizzenhafte Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Rohrkupplung,
  • 3: eine Seitenansicht eines geschlitzten Schweißrings,
  • 4: eine vergrößerte Schnittdarstellung des Bereichs IV in 3,
  • 5: eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie V-V in 3,
  • 6–11: Darstellung beispielhafter Schweißverläufe.
  • In den Zeichnungen ist ein Schweißring insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
  • Eine skizzenhafte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Rohrverbindung, gebildet aus Wellrohren 12 und 13 sowie einem Kupplungsrohr 11, in das Schweißringe 10 eingelegt werden, zeigt die 1. Man kann erkennen, dass die im Bereich des Kupplungsrohrs 11 angeordneten Schweißringe 10 über Kontaktdrähte 14 mit einem Schweißautomat 15 verbunden sind.
  • Darüber hinaus zeigt die 2 einen Ausschnitt einer Rohrverbindung mit einem glatten Hauptrohr H und einer sogenannten glatten Außenmuffe M mit einer Dichtungssicke D, in der ein Schweißring 10 angeordnet ist.
  • In den 3 und 5 ist der Schweißring 10 im Einzelnen dargestellt. Er besteht aus einem inneren, mit einem Hohlraum 16 versehenen Dehnschlauch 17, um den spiralförmig ein Widerstandsheizdraht 18 geführt ist (s. schematische punktförmige Darstellung in 4 und 5), der seinerseits von einer Kunststoffumhüllung 19 umgeben sind. Die Kunststoffumhüllung 19 besteht aus einem Material, welches dem Kunststoffmaterial der zu verbindenden Rohre 12, 13, 11, H, M entspricht. Als schweißbare Rohrmaterialien werden häufig Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und Polypropylen (PP) eingesetzt.
  • In der 3 ist ein geschlitzter Schweißring 10 mit einem Schlitz S dargestellt, zwischen dessen Endbereichen 20 ein Schweißplättchen 21 mit Hilfe eines Führungsstiftes 22 angeordnet ist, wobei der Führungsstift 22 beidseitig im Hohlraum 16 steckt. Der Führungsstift 22 hat die Aufgabe, in der ersten Phase des Verschweißens beim Erwärmen des Schweißringes 10 und gleichzeitigem Ausdehnen des Dehnschlauchs 17 das Aufeinanderführen der Schweißringenden 20 sicherzustellen.
  • Bei der Rohrkupplung gemäß 2 weist die Außenmuffe M in der Dichtungssicke D vor dem Verschweißen zunächst üblicherweise eine nicht dargestellte Gummidichtung auf. Diese Gummidichtung wird vor dem Verschweißen entfernt und stattdessen der Schweißring 10 in die Außenmuffe M eingelegt.
  • Beim Zusammenfügen der beiden Rohrenden muss darüber hinaus darauf geachtet werden, dass die Kontaktdrähte 14 aus dem Kupplungsbereich der Rohre 12, 13/H, M herausgeführt werden, damit diese später elektrisch mit dem Schweißautomat 15 verbunden werden können.
  • Die Steuerung des Schweißautomaten 15 kann beispielsweise durch einen beispielsweise auf ein Rohr 12, 13/H, M geklebten, in den Zeichnungen nicht dargestellten Barcode geschehen, der dann über eine entsprechende Einrichtung des Schweißautomaten 15 eingelesen wird.
  • Grundsätzlich ist es notwendig, dass vor dem Einsatz von Schweißringen 10 in Bezug auf ein spezielles Rohr mit einem bestimmten Durchmesser, aus einem bestimmten Kunststoffmaterial, mit einer bestimmten Materialstärke sowie einer besonderen Ausgestaltung des Kupplungsbereichs zahlreiche Versuche stattfinden, um einen konkreten, individuell auf das spezielle Rohr angepassten Schweißverlauf zu ermitteln, der die größtmögliche Sicherheit zum vollständigen Verschweißen der Rohre gibt. Die sich daraus ergebenden Informationen werden unter Bezugnahme auf eine Umgebungstemperatur von 20° Celsius zugleich mit Angaben in Bezug auf Änderungen der Parameter bei Abweichungen von der Umgebungstemperatur von 20° Celsius auf dem Barcode fixiert, so dass der Schweißautomat 15 darauf zurückgreifen kann.
  • In den 6–11 sind beispielhafte Spannungsverläufe von Schweißverfahren dargestellt.
  • Die 6–8 zeigen Spannungsverläufe, die eher für dünnwandige Rohre mit kleinen Durchmessern geeignet sind.
  • Übereinstimmend lassen diese Spannungsverläufe zunächst eine Phase I erkennen, welche durch eine relativ geringe Spannung (Volt) gekennzeichnet ist, wobei während in der Phase I beispielsweise die Spannung konstant sein, abfallen oder sogar von 0 an auf einen bestimmten Wert ansteigen kann. Übereinstimmend soll in dieser Phase eine relativ langsame, materialschonende und nur geringe Temperaturunterschiede in dem Rohrmaterial hervorrufende Erwärmung herbeigeführt werden. In der Phase I soll darüber hinaus insbesondere in Längsrichtung eine Ausdehnung des Schweißringes 10 stattfinden, damit sich bei geschlitzten Schweißringen 10 der vorhandene Schlitz S zwischen den Endbereichen 20 schließt und zugleich sich eine Flexibilisierung des Schweißringes 10 ergibt, der zu einer besseren Anpassung des Schweißringverlaufes an den exakten Verlauf der Rohrwandung ergibt.
  • In der Phase II wird durch eine plötzliche und nur kurzfristig anhaltende deutliche Erhöhung der Spannung ein höherer Wärmefluss hervorgerufen, der zu einem Anschmelzen der Außenfläche der Kunststoffummantelung 19 führt, wodurch sich eine Vorfixierung des Schweißringes 10 an den Rohrwandungen ergibt.
  • In der letzten Phase III, bei der die Spannungshöhe zwischen der der Phase I und der der Phase II liegt, findet dann über einen längeren Zeitraum eine langsame Verschweißung statt, wobei es auf vorteilhafte Weise aufgrund der vorgenannten Vorfixierung nicht mehr zu Relativbewegung zwischen Schweißring 10 und den an der Verbindung beteiligten Rohren 11, 12, 13, H, M kommt. Wie aus den strichpunktierten Linien ersichtlich, ist auch in der Phase III eine leicht steigende oder auch eine leicht fallende Spannung (Wärmefluss) denkbar.
  • Die 9 bis 11 zeigen weitere beispielhafte Abwandlungen der Spannungsverläufe von Schweißverfahren, wobei auch andere Schweißverläufe denkbar wären.
  • Hervorzuheben ist beispielsweise der Spannungsverlauf 1 in der 9. Dieser bezieht sich auf Kunststoffrohre mit großem Durchmesser von beispielsweise 2000 mm und auch großen Wandstärken. Hier ist es notwendig, dass in der ersten Phase, die auch bis zu 10 min. andauern kann, aufgrund einer hohen eingestellten Spannung eine hohe Anfangsenergie erzeugt wird, damit sich auf zuverlässige Weise der Schweißring 10 von ungefähr 6 m Länge vollständig schließt. Grundsätzlich liegt dies daran, dass bei derartigen Rohren die für die Erwärmung notwendige Energie deutlich größer ist, als bei Rohren mit kleinen Durchmessern und kleinen Wandstärken.
  • Man erkennt, dass bei diesem Spannungsverlauf 1 nach einer relativ langen Phase des hohen Wärmeflusses eine weitere längere Phase mit geringerer Spannung/Wärmefluss vorhanden ist. Diese Phase dient einerseits zum weiteren Verschweißen der Rohre und andererseits dem Abbau von Materialspannungen, welche durch das intensive Erwärmen der Rohrenden während der ersten Phase entstanden sind.
  • Auch der Spannungsverlauf 2 ist beim Verschweißen von Rohren mit großem Durchmesser und großer Materialstärke denkbar, wobei eine eindeutige Abgrenzung der Phasen hierbei nicht möglich ist.
  • Die Spannungsverläufe 3 bis 6 der 10 und 11 stellen im eigentlichen Sinne Varianten der schon zuvor beschriebenen Spannungsverläufe der 6 und 8 bei Rohren mit kleinem Durchmesser dar. Alle diese Spannungsverläufe weisen ebenfalls drei grundsätzlich vorhandene Phasen auf, also eine Phase mit einem geringen Wärmefluss, eine kurzzeitige Phase mit einem hohen Wärmefluss und dann eine Phase mit mittlerem und auf irgendeine Weise auch über die Zeitachse abnehmenden Wärmefluss, wobei der Schweißvorgang insgesamt deutlich kürzer ist.
  • Beim Spannungsverlauf 5 ist zwischen der ersten und der zweiten Phase eine Übergangsphase Ü zu erkennen, die die Materialspannungen durch einen plötzlich geänderten Wärmefluss verringert.
  • Dagegen erkennt man beispielhaft im Spannungsverlauf 6 zwischen der ersten und der zweiten Phase eine Ruhephase R mit einem zeitlich begrenzten Spannungsabfall, ebenfalls zur Vermeidung von Materialspannungsspitzen.
  • Derartige Spannungsverläufe entstehen im Zusammenhang mit umfangreichen Versuchen zum optimalen und sicheren Verbinden von speziell ausgestalteten Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern, Materialien, Materialstärken, Kupplungsbereichen etc.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Schweißring
    11
    Kupplungsrohr
    12
    Rohr
    13
    Rohr
    14
    Kontaktdrähte
    15
    Schweißautomat
    16
    Hohlraum von 10
    17
    Dehnschlauch
    18
    Heizdraht
    19
    Kunststoffumhüllung
    20
    Endbereich von 10
    21
    Schweißplättchen
    22
    Führungsstift
    S
    Schlitz
    H
    Hauptrohr
    M
    Außenmuffe
    D
    Dichtungssicke
    Ü
    Übergangsphase
    R
    Ruhephase

Claims (4)

  1. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffrohren im Bereich einer Rohrkupplung mittels wenigstens eines Schweißringes, an dem für eine definierte Zeit eine Spannung anliegt und ein Strom durch mindestens einen Widerstandsheizdraht fließt, wobei durch die Erwärmung und das Aufschmelzen des Schweißringes sowie der den Schweißring umgebenden Bereiche der Kunststoffrohre sich eine mediendichte Verschweißung ergibt, und sich die am Schweißring anliegende Spannung während des Schweißvorganges zum Zwecke der Steuerung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von der Zeit verändert dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang mit einer ersten Phase niedriger Spannung/geringer Wärmezufuhr beginnt, die beim geschlitzten Schweißring zur Flexibilisierung des Schweißringes zum Zwecke des besseren Anliegens an die Umfangsfläche der Nut dient und beim geschlossenen Schweißring zu einer besseren Anlage des Schweißringes an die Außenflächen der Rohrkupplung führt, und dann eine zweite kurzzeitige Phase aufweist, in der eine plötzliche, deutlich höhere Spannung/große Wärmezufuhr vorhanden ist und die Spannung mindestens verdoppelt wird, welche der Vorfixierung des Schweißringes in der Nut dient, wobei in einer dritten längeren Phase bei mittlerer Spannung/mittlerer Wärmezufuhr, bei der die Spannung mindestens um ein Sechstel im Vergleich zur zweiten Phase abnimmt, das vollständige Verschweißen der Rohrkupplung stattfindet..
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Niveau des Spannungsverlaufs und auch die Länge der Schweißbereiche in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur verändern.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang der ersten Phase eine geringe Anfangsspannung aufweist, die jedoch bis zu der plötzlichen, deutlich höheren Spannung/großen Wärmezufuhr der zweiten Phase langsam um mindestens die Hälfte ansteigt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißvorgang der ersten Phase eine etwas höhere Anfangsspannung aufweist, die jedoch bis zu der plötzlichen, deutlich höheren Spannung/großen Wärmezufuhr der zweiten Phase langsam um mindestens ein Sechstel abnimmt.
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