DE10328295B4 - Verfahren und entsprechende Vorrichtung zum Schweißen von Bauteilen eines Feldgerätes - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verschweißen mehrerer Bauteile (1; 2) eines Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik miteinander,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bauteile (1; 2) wenigstens teilweise in die Aussparung (5.1) eines äußeren Formstückes (5) eingebracht werden,
dass mindestens ein Abschnitt (10) mindestens eines Bauteils (1; 2) in der Aussparung (5.1) zum Schmelzen gebracht wird, so dass die Bauteile (1; 2) flächig miteinander verbunden werden, und
dass durch die Ausgestaltung der Aussparung (5.1) mindestens teilweise die äußere Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt wird,
dass vor dem Schmelzen mindestens ein inneres Formstück (6) in die Aussparung (5.1) des äußeren Formstücks (5) eingeführt wird, und
dass durch die Ausgestaltung des inneren Formstücks (6) die innere Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt wird,
und
dass mindestens während des Schmelzens auf ein Bauteil (1; 2) eine Kraft ausgeübt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschweißen mehrerer Bauteile eines Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik miteinander und auf eine entsprechende Vorrichtung. Unter Verschweißen soll die dauerhafte Verbindung von Bauteilen verstanden werden. Bei dem Feldgerät handelt es sich beispielsweise um ein TDR (time domain reflectometry) Füllstandsmessgerät.
  • Von der Anmelderin wird unter der Bezeichnung „Micropilot" ein Füllstandsmessgerät hergestellt und vertrieben. In einer Realisierung werden Mikrowellen an einem Stab oder an einer Seilverlängerung geführt. Treffen die Mikrowellen auf die Oberfläche des Mediums, so werden sie reflektiert und aus der Laufzeit des Signals wird dann der Füllstand des Mediums berechnet. Bei der Anwendung z.B. im Lebensmittelbereich oder im Bereich von aggressiven Medien ist es vorteilhaft und erwünscht, dass eine Beschichtung oder eine Ummantelung des Seiles oder des Stabes z.B. mit Perfluor-Kunststoffen, wie z.B. Teflon® (Polytetrafluorethylen; PTFE) oder PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer) gegeben ist. Eine Möglichkeit zur Herstellung einer solchen Ummantelung besteht darin, vorgefertigte Bauteile oder Formteile miteinander zu verschweißen. Das Schweißen hat allgemein den Vorteil, ein sehr wirtschaftliches Verfahren zu sein. Die Art des Schweißens muss dabei so sein, dass die Schweißstelle dauerhaft und haltbar ist. Dabei besteht z.B. bei PTFE die Schwierigkeit, dass es sich beispielsweise nicht schmelzen lässt. Vorteilhaft ist es auch, wenn der Übergang zwischen den Teilen möglichst glatt und ohne Schweißnähte, Aufwertungen oder Grate ist. Die beschriebenen Ummantelungen sind nur ein Beispiel für das große Anwendungsfeld des Schweißens.
  • Das Dokument EP 0 305 664 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Verschweißen von rohrförmigen Teilen, deren Enden dafür in haltende Heizbacken eingebracht werden. Durch eine in die rohrförmigen Teile einzubringende Abstützvorrichtung, welche während des Schweißens gegen die Innenwand drückt, wird verhindert, dass sich innerhalb der Rohre an der Schweißstelle eine Schweißwulst bildet.
  • Dem Dokument WO 1994/014 598 A1 lässt sich ein Verschweißen einer Röhre mit einem Bauteil, welches einen Durchgang aufweist, entnehmen. Für das Verschweißen wird ein Metallstab in die Röhre eingebracht und ein Dichtungselement gleitet auf dem Metallstab entlang, während es das Material der Röhre schmilzt und gleichzeitig in das Bauteil drückt. Das Bauteil, in welches die Röhre eingebracht wird, ist dabei so ausgestaltet, dass es eine Ausbuchtung für das geschmolzene Material aufweist.
  • In der Patentschrift AT 2 928 19 B wird ein Verfahren zum Verschweißen beschrieben, wobei die zu verschweißenden Teile teilweise in die Aussparung einer Formschablone eingebracht werden. In der Formschablone wird ein Abschnitt eines Teils zum Schmelzen gebracht, so dass die Bauteile flächig miteinander verbunden werden. Durch die Ausgestaltung der Formschablone wird dabei die äußere Form der miteinander verschweißten Teile bestimmt.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges und auch nahtloses Verschweißen von Bauteilen miteinander zu ermöglichen. Dafür sind ein Verfahren und eine Vorrichtung notwendig.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Der Grundgedanke ist also, dass mindestens ein Bauteil in einem Formstück zum Schmelzen gebracht wird. Das geschmolzene Bauteil verbindet sich dann mit dem/den anderen Bauteil/en. Die äußere Gestalt, die das geschmolzene Bauteil annimmt, ist dabei durch das Formstück vorgegeben. Durch die Ausgestaltung des Formstücks kann somit ein glatter Verlauf ohne Nähte erzeugt werden. Wird beispielsweise Teflon® mit PFA verschweißt, so wird z.B. eine Temperatur gewählt, die gerade oberhalb des Schmelzpunktes von PFA liegt. Durch die Einstellung einer solchen Temperatur können Veränderungen des PFA, z.B. durch Diffusion vermieden werden. Das PFA schmilzt, umgibt das Bauteil aus Teflon® und passt sich gleichzeitig der Form des Formstücks an. Damit sind dann beide Bauteile miteinander verbunden und Nähte treten nicht auf. Die Schweißstelle zeigt also eine glatte Oberfläche ohne Übergänge.
  • Das zweite, innere Formstück gibt dem geschmolzenen Bauteil von innen her Form. Handelt es sich beispielsweise um einen Schlauch, der mit einer Plattierung verbunden werden soll, um damit eine Ummantelung für ein Seil oder einen Stab mit einem entsprechenden Abschnitt zur Einkopplung von Mikrowellen zu erhalten, so ist es wichtig, dass das geschmolzene Bauteil nicht in den Schlauch eindringt und diesen verschließt. Daher kann es sich beim inneren Formstück beispielsweise um einen Zylinder handeln, dessen Durchmesser gerade dem Innendurchmesser des Schlauches entspricht. Diese Ausgestaltung bietet sich also besonders bei hohlen Bauteilen an oder wenn innerhalb der verschweißten Bauteile ein Hohlraum entstehen oder gebildet werden soll. Das innere und das äußere Formstück ermöglichen somit die optimale Formgebung des Übergangs- oder Schweißbereichs der Bauteile. Das innere Formstück kann jedoch auch als Stanzstück ausgebildet sein, das bevorzugt nach dem Verschmelzen durch die verschweißten Bauteile gestoßen wird. Dabei sollten das äußere und das innere Formstück so ausgestaltet sein, dass möglichst nicht das geschmolzene Bauteil an ihnen haften bleibt.
  • Durch die Kraft werden beispielsweise zwei Bauteile aufeinander gedrückt, während das eine Bauteil schmilzt. Eine andere Umsetzung sieht vor, dass wenigstens ein Abschnitt mindestens eines Bauteils in eine Lücke gedrückt wird, die sich zwischen den Formstücken und/oder zwischen den Bauteilen durch die entsprechenden Ausgestaltungen vor dem Schmelzen und nach dem Einbringen der Bauteile in die Aussparung des äußeren Formstücks ergibt. Die Kraft wird entweder auf das schmelzende Bauteil ausgeübt, so dass die geschmolzene Materie in die Lücke gelangt, oder auf ein Bauteil, das in die Lücke mit dem schmelzenden Bauteil gepresst wird, so dass z.B. ein größerer Bereich dieses Bauteils mit dem geschmolzenen Bauteil in Kontakt kommt und von diesem umfasst wird. Somit wird ebenfalls die Beständigkeit der Verbindung erhöht und die Ausprägung des Bereichs der Schweißstelle wird beeinflusst.
  • Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 2 gelöst. In der Vorrichtung sind also mindestens das äußere Formstück, in welches die Bauteile eingebracht werden, und eine Erhitzeinheit vorgesehen. Dabei kann es sich um Heizspiralen oder um eine Einheit zur induktiven Aufheizung handeln. Es kann aber auch jede andere Ausgestaltung der Erhitzeinheit vorgesehen sein. Ziel ist nur, dass mindestens ein Bauteil innerhalb des Formstücks schmilzt. Dabei ist besonders eine regulierbare Einheit vorteilhaft, die eine möglichst genaue und konstante Einstellung der Temperatur ermöglicht. Das äußere Formstück besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei den Temperaturen, bei denen mindestens ein Bauteil schmilzt, nicht schmilzt und dessen Oberfläche vorzugsweise so behandelt ist, dass sich keine Verbindungen mit dem geschmolzenen Bauteil ergeben, die Oberfläche sollte also möglichst glatt sein, so dass nichts an ihr haften bleibt. Das äußere Formstück weist dabei eine Aussparung auf, durch deren Ausgestaltung die Form der verschweißten Bauteile bestimmt ist. Ist die Aussparung trichterförmig, so weisen die verschweißten Bauteile in diesem Bereich nach dem Schmelzen und dem Abkühlen eine entsprechende Form auf. Die Formstücke können auch zylindrisch mit jeweils passend unterschiedlichem Durchmesser sein. Die konkrete Ausgestaltung richtet sich nach der erforderten Form der miteinander verschweißten Bauteile.
  • Das innere Formstück verhindert z.B. bei hohlen Bauteilen, dass das geschmolzene Material einen solchen Hohlraum verschließt, bzw. es erlaubt, dass Hohlräume oder Durchgänge innerhalb der verschweißten Bauteile entstehen. Somit wird durch das innere Formstück auch die innere Ausgestaltung des verschweißten Bereichs zwischen den Bauteilen vorgegeben. Diese Ausgestaltung erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten der Schweißstelle.
  • Durch die Kraftaufbringeinheit werden die Bauteile aufeinander oder in die geschmolzene Materie – z.B. in die Lücke der vorherigen Ausgestaltung – hineingepresst. Dies ermöglicht einen besseren Kontakt. Wird die Kraft z.B. in Form eines Druckes während des Erkaltens aufrechterhalten, so kann es dabei nicht zu unerwünschten Effekten – z.B. zu einem Aufklaffen einer Verbindungsstelle – kommen und die Verbindung ist auch sicherer.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Erhitzeinheit Teil des inneren Formstücks ist. Somit findet die Erhitzung nur dort statt, wo das Material schmelzen soll. Dadurch wird weniger Energie benötigt, die Ausgestaltung der Formstücke usw. ist einfacher – wird das Material durch das äußere Formstück hindurch erhitzt, so ist eine dementsprechende Ausgestaltung erforderlich – und es können keine ungewollten Effekte an Stellen auftreten, die eigentlich nicht erhitzt werden sollten.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Bauteil und/oder das äußere und/oder das innere Formstück derartig ausgestaltet sind, dass mindestens zwischen den Bauteilen und/oder zwischen mindestens einem Bauteil und mindestens einem Formstück nach dem Einbringen der Bauteile in die Aussparung mindestens eine Lücke vorhanden ist. Insbesondere ist diese Lücke so ausgestaltet, dass ein Teil des geschmolzenen Materials mindestens eines Bauteils in diese Lücke fließt. Somit kann dieses Material das/die andere/n Bauteil/e umfließen und somit die Verbindung verstärken und/oder es kann auch die Form der Schweißstelle beeinflusst werden. Die einfachste Art des Verschweißens ist, dass ein Bauteil schmilzt und dabei auf ein anderes Bauteil gedrückt wird. Befindet sich jedoch zwischen den Bauteilen oder zwischen einem Bauteil und mindestens einem Formstück eine Lücke, so kann das geschmolzene Bauteil in diese Lücke fließen und beispielsweise den Übergangsbereich zwischen diesem und einem anderen Bauteil umschließen. Durch eine solche Lücke ist somit eine weitere Gestaltungsmöglichkeit des Übergangbereichs gegeben. Weiterhin wird durch die Art der Lücke und die damit verbundene Ansammlung des geschmolzenen Materials die Verschweißung stabiler.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei mindestens einem Bauteil um ein thermoplastisches Material handelt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Teflon® (Polytetrafluorethylen; PTFE) oder um PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer).
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Bauteilen vor dem Schweißen gemäß Erfindung; und
  • 3: die Anordnung in 2 nach dem Schweißen.
  • 1 zeigt das äußere Formstück 5 mit der hier trichterförmigen Aussparung 5.1. Die Aussparung kann auch beispielsweise vollständig zylindrisch sein. In dieser Aussparung 5.1 befindet sich das innere Formstück 6, das als Zylinder ausgebildet ist. Der mittlere Abschnitt 10 des äußeren Formstücks 5 ist von einer Erhitzungseinheit 15, z.B. Heizspiralen umgeben. Das äußere Formstück 5 ist hier sehr groß ausgebildet, damit es möglichst zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung und nicht zu lokalen Erhitzungen kommt.
  • In den 2 und 3 sind zwei Bauteile 1, 2 in die Aussparung 5.1 des äußeren Formstücks 5 eingebracht. Beim ersten Bauteil 1 handelt es sich um eine Plattierung, diese dient z.B. der Einkopplung der Mikrowellen bei einem TDR-Feldgerät in ein elektrisch leitfähiges Seil. Das zweite Bauteil 2 ist ein Schlauch, welches beispielsweise das Seil ummantelt und z.B. vor aggressiven Medien schützt. Es sei angenommen, dass der Schmelzpunkt des zweiten Bauteils 2 unterhalb des ersten Bauteils 1 liegt. Die Ausgestaltung des äußeren Formstücks 5, des ersten 1 und des zweiten Bauteils 2 ergibt eine Lücke 7. In diese Lücke 7 fließt das geschmolzene Material des zweiten Bauteils 2. Während das zweite Bauteil 2 durch die Erhitzeinheit 15 geschmolzen wird, wird von der Kraftaufbringeinheit 9 ein Druck (gekennzeichnet durch die Pfeile) auf das zweite Bauteil 2 ausgeübt. Ggf. kann auch auf der gegenüberliegenden Seite ein Gegenstück oder Gegenhalt vorgesehen sein, dass verhindert, dass das zweite Bauteil 2 durch den Druck herausgeschoben wird. In Verbindung mit dem Druck fließt das geschmolzene Material des zweiten Bauteils 2 im Abschnitt 10 in die Lücke 7. Die Bereiche ober- und unterhalb des Abschnitts 10 haben eine niedrigere Temperatur. Dort behalten die Bauteile 1, 2 also ihre ursprüngliche Form. In 3 sieht man das Ergebnis des Schweißens. Durch das Fließen des Materials des zweiten Bauteils 2 in die Lücke 7 hat sich am oberen Ende des neuen Bauteils aus den beiden Bauteilen 1 und 2 eine Kante gebildet. Es ist also bei der Ausgestaltung der beiden Bauteile 1, 2 zu beachten, dass sich durch die Lücke 7 immer auch eine Änderung in anderen Bereichen ergibt. Die miteinander verschweißten Bauteile 1, 2 bilden dann eine Ummantelung für eine Seilverlängerung eines TDR-Messgerätes, wobei das obere Ende durch die Plattierung 1 eine Einkopplung der Mikrowellen erlaubt. Anstelle des Seiles, das ummantelt werden soll, kann es sich entsprechend auch um einen Stab handeln.
    • 1
    Erstes Bauteil
    2
    Zweites Bauteil
    5
    Äußeres Formstück
    5.1
    Aussparung
    6
    Inneres Formstück
    7
    Lücke
    9
    Kraftaufbringeinheit
    10
    Abschnitt
    15
    Erhitzeinheit

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verschweißen mehrerer Bauteile (1; 2) eines Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1; 2) wenigstens teilweise in die Aussparung (5.1) eines äußeren Formstückes (5) eingebracht werden, dass mindestens ein Abschnitt (10) mindestens eines Bauteils (1; 2) in der Aussparung (5.1) zum Schmelzen gebracht wird, so dass die Bauteile (1; 2) flächig miteinander verbunden werden, und dass durch die Ausgestaltung der Aussparung (5.1) mindestens teilweise die äußere Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt wird, dass vor dem Schmelzen mindestens ein inneres Formstück (6) in die Aussparung (5.1) des äußeren Formstücks (5) eingeführt wird, und dass durch die Ausgestaltung des inneren Formstücks (6) die innere Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt wird, und dass mindestens während des Schmelzens auf ein Bauteil (1; 2) eine Kraft ausgeübt wird.
  2. Vorrichtung zum Verschweißen mehrerer Bauteile (1; 2) eines Feldgerätes der Prozessautomatisierungstechnik miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Formstück (5) mit einer Aussparung (5.1) vorgesehen ist, wobei die Aussparung (5.1) derart ausgestaltet ist, dass durch die Aussparung (5.1) mindestens teilweise die äußere Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt ist, und dass mindestens eine Erhitzeinheit (15) vorgesehen ist, die derartig ausgestaltet und angebracht ist, dass mindestens ein Abschnitt eines Bauteiles (1; 2) in der Aussparung (5.1) zum Schmelzen gebracht wird, dass in der Aussparung (5.1) des äußeren Formstücks (5) mindestens ein inneres Formstück (6) vorgesehen ist, das derart ausgestaltet ist, dass durch das innere Formstück (6) mindestens teilweise die inneren Form der miteinander verschweißten Bauteile (1; 2) bestimmt ist, und dass mindestens eine Kraftaufbringeinheit (9) vorgesehen ist, die eine Kraft auf mindestens ein Bauteil (1; 2) mindestens während des Schmelzens ausübt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzeinheit (15) Teil des inneren Formstücks (6) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (1; 2) und/oder das äußere (5) und/oder das innere Formstück (6) derartig ausgestaltet sind, dass mindestens zwischen den Bauteilen (1; 2) und/oder zwischen mindestens einem Bauteil (1; 2) und mindestens einem Formstück (5; 6) nach dem Einbringen der Bauteile (1; 2) in die Aussparung (5.1) mindestens eine Lücke (7) vorhanden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (1; 2) mindestens teilweise aus einem thermoplastischen Material besteht.
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