DE19536857A1 - Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischem Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischem Kunststoff mit zwei rela­ tiv zueinander in Flucht ausgerichteten Rohrspanneinheiten, von denen die eine mit einem darin eingespannten Rohrende durch einen Elektromotor über mechanische Antriebsorgane in Fluchtrichtung verfahrbar und mit einer durch eine Meßein­ richtung meßbaren Kraft gegen ein in der anderen Rohrspann­ einheit eingespanntes Rohrende andrückbar ist.

Es ist bekannt, in einer Werkstatt zwei Kunststoffrohre miteinander stumpf zu verschweißen, indem das eine auf ei­ nem horizontal verfahrbaren Schlitten aufgespannte, am vor­ deren Ende auf eine Schweißtemperatur von z. B. 190 bis 225° erwärmte Rohr durch einen von einer Bedienungsperson steu­ erbaren Elektromotor gegen das ebenfalls auf Schweißtempe­ ratur erwärmten Ende des anderen Rohres gefahren wird. Bei der bekannten Vorrichtung ist das zuletzt genannte Rohr un­ ter Zwischenschaltung einer Kraftmeßeinrichtung an einem festen Widerlager abgestützt. Diese Anordnung erlaubt eine sehr genaue Messung der Anpreßkraft der Rohre, weil die An­ preßkraft getrennt von anderen Kräften gemessen wird, ist aber nur für das Verschweißen einzelner Rohrstücke, nicht für die Verlegung einer langen Rohrleitung geeignet.

Beim Verlegen z. B. einer Gasleitung durch Verschweißen von PE-, PP- oder PVDF-Rohren im Feld herrschen andere Bedin­ gungen als beim Schweißen einzelner Nähte in einer Werk­ statt, und diese Umgebungsbedingungen ändern sich ständig. Das Ende des bereits verlegten, langen Rohrstrangs liegt fest, während das weitere, an den Strang anzuschließende Rohrstück je nach Gelände horizontal, mit Gefälle oder zur Schweißstelle ansteigend auf wechselndem Untergrund liegt und dementsprechend mit einer in weitem Maße schwankenden Zug- oder Stützkraft an die Schweißstelle heranzuführen und dann mit einem vorbestimmten Kraftverlauf erst gegen eine Heizeinrichtung sowie anschließend gegen das Ende des Rohr­ strangs anzudrücken ist.

Für den Einsatz im Feld verwendet man bisher ausschließlich Stumpfschweißvorrichtungen mit hydraulischen Spanneinrich­ tungen. Hierfür dürfte ausschlaggebend gewesen sein, daß die zu verschweißenden Rohre normalerweise in einem sehr schmalen Graben liegen, dessen Querschnitt ein wesentlicher Kostenfaktor ist. Bei den hydraulischen Spannvorrichtungen kann das Antriebsaggregat außerhalb des Grabens aufgestellt werden. Im Graben braucht man lediglich axial zwischen den die Rohrenden umspannenden Klemmbügeln zwei Kraftzylinder, die ihre Kraft unmittelbar auf die relativ zueinander zu bewegenden Teile ausüben, also keine umlaufenden, an ihren Berührungsflächen schmutzempfindlichen Drehmomentübertra­ gungsglieder eines mechanischen Transmissions- oder An­ triebsstrangs. Außerdem hat die Spannvorrichtung im wesent­ lichen die Funktion, die beiden Rohrenden über längere Zeit im Ruhezustand gegen die Heizeinrichtung bzw. gegeneinander zu drücken. Dafür bietet sich ein hydraulischer Druckerzeu­ ger eher an als ein elektrischer Bewegungsantrieb. Schließ­ lich ist die Druckmessung mittels Manometer oder eines an­ deren Druckmeßinstruments an der Auslaßleitung der Pumpe sehr einfach und zweckmäßig, weil sich dort bei den übli­ chen, von Hand gesteuerten Vorrichtungen in unmittelbarer Nähe auch der Steuerhebel für die Drucksteuerung befindet. Ebenso wie bei den weiterhin bekannten, programmgeregelten, hydraulischen Stumpfschweißvorrichtungen, bei denen die Druckmeßeinrichtung gleichfalls am Pumpenauslaß angeordnet ist, bedarf es keiner Meßsignal- und Steuerleitungen zwi­ schen der Spannvorrichtung im Graben und der Steuer- bzw. Regeleinrichtung außerhalb des Grabens.

Mangelhaft ist bisher die Genauigkeit der Steuerung und Re­ gelung der bekannten Stumpfschweißvorrichtungen. Wegen der von defekten Schweißnähten ausgehenden Gefahr sind die An­ forderungen hoch, wie sich aus der nachstehenden Beschrei­ bung der notwendigen Funktionen einer solchen Vorrichtung ergibt.

Nach dem Ausrichten und Einspannen der zu verschweißenden Rohrenden in die Schweißvorrichtung muß das an den bereits vorhandenen Rohrstrang anzuschweißende Rohrstück von zum Beispiel 6 m oder einer noch größeren Länge normalerweise mit einer Kraft von mehreren 100 N, bei großen Rohren auch mehreren 1000 N zum Ende des Rohrstrangs hin gezogen wer­ den. An Abhängen kann es aber auch vorkommen, daß das Rohr­ stück die Tendenz hat, infolge der Schwerkraft gegen das Ende des Rohrstrangs zu rutschen. Es muß dann ggf. durch eine entgegengerichtete Stützkraft gehalten werden.

Zur Vorbereitung der Schweißstelle wird ein motorisch ange­ triebener, rotierender Hobel zwischen den Rohrenden axial verschieblich in die Spannvorrichtung eingesetzt und durch axiales Andrücken des anzuschweißenden Rohrstücks auch ge­ gen das Ende des Rohrstrangs gedrückt. Bei einem bestimmten Andruck erzeugt der umlaufende Hobel im wesentlichen plan­ parallele Stirnflächen an den Rohrenden, es verbleibt aber zumindest dort, wo der Span zum Schluß aufhört, eine Un­ gleichmäßigkeit.

Für den weiteren Arbeitsvorgang sei auf Fig. 9 Bezug genom­ men. Nach dem Entfernen des Hobels wird eine scheibenför­ mige Heizeinrichtung zwischen den Rohrenden axial ver­ schieblich in die Spannvorrichtung eingesetzt und durch axiales Andrücken des anzuschweißenden Rohrstücks auch ge­ gen das Ende des Rohrstrangs gedrückt. Während einer be­ stimmten Zeitdauer, die als Angleichzeit bezeichnet wird, soll die heiße Heizplatte verhältnismäßig stark gegen die gehobelten Stirnflächen der Rohrenden angepreßt werden, um mit Sicherheit die am Ende des vorangegangenen spanabheben­ den Vorgangs verbliebene Ungleichmäßigkeit zu beseitigen und die erwärmten Stirnflächen optimal planparallel anzu­ gleichen. Der Angleichdruck kann die Größenordnung des nachfolgend aufzubringenden Fügedrucks, z. B. 0,15 N/mm² Stirnfläche bei PE-Rohren haben. Wie das Druck/Zeit-Dia­ gramm nach Fig. 9 zeigt, muß dann aber der Andruck gegen die Heizplatte reduziert werden auf den sehr kleinen Wert von z. B. 0,01-0,02 N/mm², der nur noch die zuverlässige Anlage an der Heizplatte gewährleisten soll, damit während einer bestimmten Anwärmzeit das Material bis auf eine be­ stimmte Tiefe erwärmt, aber nicht verdrängt wird. Die Schweißvorschriften verlangen, daß die Abweichungen sowohl vom vorbestimmten hohen Druck während der Angleichzeit als auch vom niedrigen Druck während der Anwärmzeit höchstens 7% betragen dürfen. Diese enge Begrenzung gilt auch nachfol­ gend für den Fügedruck, wobei erschwerend hinzukommt, daß eine bestimmte Vorrichtung zum Verlegen von Rohren mit un­ terschiedlichen Dicken und Durchmessern verwendet wird und die geforderte Genauigkeit im gesamten Arbeitsbereich ein­ halten muß.

Um eine unzulässige Abkühlung der auf Schweißtemperatur er­ wärmten Rohrenden zu vermeiden, muß nach der Anwärmzeit in­ nerhalb einer kurzen. Umstellzeit das anzuschweißende Rohr­ stück ein wenig zurückgezogen, die Heizplatte entfernt und das Rohrstück mit seiner vorderen Stirnfläche gegen die Endfläche des Rohrstrangs angedrückt werden, wobei gemäß Fig. 9 der Gradient des Druckanstiegs festgelegt ist. Wenn der Fügedruck erreicht ist, muß er während der Abkühlzeit konstant aufrechterhalten werden. Je nach Material, Tempe­ ratur und Druck wird beim Fügen mehr oder weniger Material verdrängt, so daß eine gewisse Relativbewegung zwischen den zu verschweißenden Rohren stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die nicht nur in der Werkstatt, sondern auch bei der Rohrverlegung im Feld einsetzbar ist und aufgrund ihres Funktionsprinzips bessere Voraussetzungen bietet, die für das Erwärmen und Fügen der Rohrenden vorgegebenen Druckverläufe möglichst genau einzu­ halten.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Drehmoment des Elektromotors in einem geschlossenen Regelkreis in Abhängigkeit der Meßwerte einer Kraft-, Druck- oder Drehmoment-Meßeinrichtung regelbar ist, die an einem mechanischen Antriebsorgan der verfahrbaren Rohr­ spanneinheit angeordnet ist.

Die Anwendbarkeit der neuen Vorrichtung für die Rohrverle­ gung im Freien wird dadurch gewonnen, daß, anders als bei der bekannten Schweißvorrichtung mit elektromechanischem Antrieb für die Werkstatt, die Meßeinrichtung an einem me­ chanischen Antriebsorgan der motorisch verfahrbaren Rohr­ spanneinheit angeordnet ist. Sie mißt dort zwar nicht al­ lein die zwischen den Rohrenden wirksame Kraft, sondern überlagert auch die zum Bewegen bzw. Abstützen des an den Rohrstrang anzuschweißenden Rohrstücks erforderliche Kraft, aber diese ist von den den Anwärm- und Fügevorgängen voran­ gehenden Bewegungen des Rohrstücks bekannt und kann in der Regeleinrichtung von der gemessenen Gesamtkraft subtrahiert werden. In unsicheren Situationen kann eine kurze Zwischen­ bewegung des Rohrstücks initiiert werden, um noch einmal die Verschiebekraft zu messen, bevor die zur Erreichung ei­ nes bestimmten Andrucks des Rohrstücks gegen die Heizplatte oder das Ende des Rohrstrangs notwendige Gesamtkraft ermit­ telt wird.

Da ein geschlossener Regelkreis vorgesehen ist, spielt es keine Rolle, daß sich die Meßeinrichtung an der Spannvor­ richtung im Graben befindet. Die an einem mechanischen An­ triebsorgan, z. B. mittels Dehnungsmeßstreifen, ermittelten Meßwerte müssen für Regelzwecke ohnehin in elektrische Si­ gnale umgewandelt werden und können ohne weiteres zusätz­ lich bei der außerhalb des Grabens aufgestellten Regel- und Steuereinrichtung auf einem Monitor angezeigt werden. Auf jeden Fall sind sie sehr genau, weil sich zwischen dem Meß­ wertaufnehmer und dem eingespannten Rohrstück nur noch me­ chanische Antriebselemente und Spannbügel befinden, an denen keine unvorhersehbaren internen oder äußeren Stör­ kräfte auftreten. Vorzugsweise ist der Meßwertaufnehmer so­ gar zwischen der verfahrbaren Rohrspanneinheit und dem die­ ser unmittelbar vorgeschalteten mechanischen Antriebsorgan angeordnet, so daß sich zwischen dem Meßwertaufnehmer und der Rohrspanneinheit keine relativ zueinander beweglichen Teile befinden.

Im Vergleich zu den bekannten steuer- oder regelbaren hy­ draulischen Spannvorrichtungen resultiert der Gewinn an Ge­ nauigkeit zu einem wesentlichen Teil daraus, daß dort bis­ her das Druckmeßgerät am Pumpenauslaß, in Strömungsrichtung vor einem Druckausgleichsbehälter und dem Druckschlauch zu den Kraftzylindern an den Rohrspanneinheiten angeordnet ist. Das hydraulische System reagiert temperaturabhängig und träge, so daß es bei der Regelung mit verhältnismäßig großen Abweichungen um die Sollwerte pendelt. Demgegenüber ist die Regelung eines Elektromotors temperaturunabhängig und reagiert sehr schnell auf Abweichungen vom Sollwert. Der Motor liefert ein bestimmtes Drehmoment über den gesam­ ten Arbeitsbereich und wesentlich schnellere Geschwindig­ keitsänderungen als eine hydraulische Vorrichtung, so daß die zur Entfernung der Heizeinrichtung notwendige Umstell­ zeit zwischen dem Anwärmen und dem Fügen verkürzt und die Abkühlung in dieser Phase verringert werden kann. Weitere Vorteile des elektrischen Antriebs bestehen darin, daß er wartungs- und ölfrei ist.

Die bisherige, verhältnismäßig grobe Steuerung und Regelung basierte ausschließlich auf Druck- bzw. Kraftmessungen. In bevorzugt er Ausführung geht die Erfindung einen Schritt weiter und registiert zumindest während des Fügens die Re­ lativbewegung zwischen den Rohrspanneinheiten, um die Meß­ werte mit bestimmten Sollwerten zu vergleichen und dadurch eventuelle Fehler der Schweißverbindung automatisch zu ent­ decken. Die Feststellung des Fügeweges und der Fügege­ schwindigkeit mit der notwendigen Genauigkeit bereitet bei einem elektrischen Antrieb keine Schwierigkeiten, weil ein mit dem Motor verbundener Inkrementalgeber bzw. Impulsgeber den Weg in genügend kleine Schritte auflöst. Wenn die Rela­ tivbewegung beim Fügen mit dem vorbestimmten Fügedruck zu schnell oder zu langsam und/oder der Fügeweg zu kurz oder zu lang ist, kann ggf. noch durch eine angepaßte Druckände­ rung das Schweißergebnis korrigiert werden, auf jeden Fall aber geben solche während des Schweißvorgangs festgestell­ ten Unregelmäßigkeiten Veranlassung, die Qualität der Schweißnaht nach Fertigstellung zu überprüfen oder eventu­ ell sogar den Schweißvorgang abzubrechen.

In entsprechender Weise kann auch die Relativbewegung der Rohrspanneinheiten überwacht werden, während die Rohrenden durch axialen Andruck gegen die Heizeinrichtung auf Schweißtemperatur erwärmt werden.

Eine zusätzliche Kontrolle und Sicherheit gegen Meßfehler erhält man in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfin­ dung dadurch, daß die Meßwerte der an einem Antriebsorgan der verfahrbaren Rohrspanneinheit angeordneten Meßreinrich­ tung mit gleichzeitig gemessenen Werten der Stromaufnahme des elektrischen Antriebsmotors verglichen werden. Da auch die Stromaufnahme ein Maß für die Vorschubkraft ist, soll­ ten die Abweichungen zwischen den am mechanischen Antriebs­ strang gemessenen Kraft-Werten und den aus der Stromaufnah­ me ermittelten Werten für die Vorschubkraft ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.

Die Stromüberwachung kann auch noch auf den durch einen Elektromotor angetriebenen, rotierenden Hobel ausgedehnt werden. Sollte sich in einer der zu verschweißenden Rohr­ endflächen eine tiefe Kerbe befinden, so macht sich dies während der Hobeloperation durch einen unterbrochenen Schnitt und damit auch in der Stromaufnahmekurve bemerkbar. Durch Überwachung der Stromaufnahme des Hobels kann zu­ nächst festgestellt werden, ob sich Kerben oder andere Un­ regelmäßigkeiten in den zu verschweißenden Flächen befin­ den, und dann kann der Hobelvorgang automatisch solange fortgesetzt werden, bis die Unregelmäßigkeiten beseitigt sind.

Nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Rohrschweißvorrichtung anhand der beilie­ genden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung, zum Teil als Explosionsdarstellung, einer elektrisch antreibbaren Spannvorrich­ tung mit zwei Rohrspanneinheiten, zu denen jeweils zwei axial fest miteinan­ der verbundene Rohr-Spannelemente gehö­ ren;

Fig. 2 eine weitere perspektivische Darstel­ lung, zum Teil in Explosionsdarstel­ lung, der Spannvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Rohrhobels zur Glättung der Endflächen der zu verschweißenden Rohre;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines plattenförmigen Heizelements zur Erwär­ mung der zu verschweißenden Rohrenden auf die Schweißtemperatur;

Fig. 5 einen axialen Längsschnitt durch eine gegenüber Fig. 1 und 2 abgewandelte Ausführungsform einer elektromotorisch antreibbaren Spannvorrichtung;

Fig. 6 einen vereinfachten Querschnitt durch die Spannvorrichtung nach Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung der Rohr-Spannelemente nach Fig. 1 und 2 mit eingespannten Rohrenden in ver­ schiedenen Arbeitsphasen, nämlich A: beim Hobeln, B: beim Anwärmen und C: beim Fügen;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Ar­ beitsvorgänge, und zwar A: beim Anwär­ men, B: beim Fügen, C: der fertigen Verbindung;

Fig. 9 ein Druck/Zeit-Diagramm des gesamten Schweißvorgangs.

Fig. 1 zeigt den wesentlichen Teil einer Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischen Kunststof­ fen, nämlich eine Spannvorrichtung 1, welche zum Spannen von zwei miteinander zu verbindenden Rohrenden 2, 3 (siehe Fig. 7) zwei Rohrspanneinheiten aufweist, deren eine aus zwei axial fest miteinander verbundenen Rohr-Spannelementen 4, 5 und deren andere ebenfalls aus zwei fest miteinander verbundenen Rohr-Spannelementen 6, 7 besteht. Die Spannele­ mente 6, 7 sind fest mit einem Traggerüst verbunden, zu dem am anderen Ende der Spannvorrichtung 1 ein Element 8 ge­ hört. Außerdem gehören zum Traggerüst zwei mit Zwischenab­ stand angeordnete Achsen 9, 10, längs derer die Spannele­ mente 4, 5 als Einheit relativ zu den Spannelementen 6, 7 verfahrbar sind, wobei die geradlinig hintereinander ausge­ richteten Spannelemente 4-7 in axialer Flucht bleiben.

Für die Durchführung des Bewegungsvorgangs sorgen zwei Elektromotoren 11, 12, die Gewindespindeln 13, 14 rotierend antreiben, welche parallel zu den Achsen 9, 10 im Tragge­ rüst drehbar und axial unverschieblich gelagert sind und mit an den Spannelementen 4 und/oder 5 undrehbar angebrach­ ten Innengewinden zusammenwirken. Im Beispielsfall sind die Spannelemente 4 und 5 durch Verbindungsbolzen 15, 16 zu ei­ ner starren Rohrspanneinheit verbunden, so daß dann, wenn eines dieser Spannelemente durch die Gewindespindeln 13, 14 axial angetrieben wird, es das andere Spannelement mit­ nimmt. Zum Einspannen der Rohrenden 2 und 3 ist jedes im wesentlichen ringförmige Spannelement 4-7 mittig geteilt, wobei die eine Hälfte ein mittels Schraubenbolzen und von Hand betätigbarer Muttern 20, 21 festklemmbares Klemmstück 19 bildet. Zur Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmes­ ser lassen sich nicht dargestellte Füllelemente in jedes Spannelement 4-7 einsetzen.

Die Fig. 2a-c zeigen eine zum Teil demontierte Spann­ vorrichtung 1, um deren Aufbau zu verdeutlichen. So zeigt

Fig. 2a eine Endansicht eines Rohr-Spannelements und die Zusammenstellung der Fig. 2b und 2c in Explosionsdar­ stellung die Verbindung des Spannelements 7 mit dem Spann­ element 6 durch Verschraubung mittels Bolzen 17, 17′ und 18.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines an sich bekannten Rohrhobels 22 zum Hobeln der Stirnflächen der zu verschweißenden Rohrenden 2 und 3. Sein Einsatz ist in Fig. 7A dargestellt. Der Drehantrieb des mit rotierenden Mes­ sern arbeitenden Rohrhobels 22 erfolgt mit Hilfe eines Elektromotors 23, welcher über eine starre oder auch bieg­ same Welle 24 mit dem Getriebe 25 des Hobels verbunden ist.

Fig. 4 zeigt ein plattenförmiges Heizelement 26, dessen Einsatz in Fig. 5B dargestellt ist. Es kann direkt oder indirekt über einen Wärmeleiter beheizt sein. Im letzteren Fall wird die Wärme von eingebetteten elektrischen Heizkör­ pern bzw. Wärmeträgern durch einen gut wärmeleitenden Werk­ stoff zur Oberfläche des Heizelements übertragen. Bei dem in Fig. 4 dargestellten, direkt beheizten Element 26 wird die Wärme durch einen elektrischen Widerstand erzeugt und direkt an die Rohrenden abgegeben. Hierbei wird der als Heizband, Heizwendel oder Heizring ausgebildete elektrische Widerstand selbst als Heizelement genutzt. Das Heizelement 26 muß jeweils in Form und Abmessungen den Fügeflächen der Rohrenden 2 und 3 angepaßt sein. Die zu verschweißenden Flächen der Rohrenden müssen innerhalb der gegenüberliegen­ den, planparallelen Nutzflächen des Heizelements 26 liegen. Hierbei gilt als Nutzfläche der Teil des Heizelements, in dem die Temperatur und die abzugebende Wärmemenge innerhalb des geforderten Bereiches regelbar sind. Die Oberfläche des Heizelements 26 ist normalerweise mit einer Beschichtung oder Bespannung z. B. aus PTFE versehen, poliert oder in an­ derer Weise veredelt, um das Anhaften des erwärmten thermo­ plastischen Kunststoffs zu vermeiden.

Nicht dargestellt ist bei dem bisher beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel, daß zwischen den relativ zueinander verfahr­ baren Rohrspanneinheiten 4, 5 und 6, 7 Druck- und Tempera­ tursensoren angeordnet sind, deren Meßwerte einer Steuer- und Regelvorrichtung zuführbar sind, die mit einem program­ mierbaren Rechner verbunden ist, welcher die einzelnen Ar­ beitsabläufe für den gesamten Schweißvorgang unter Verwen­ dung der von den Sensoren aufgenommenen Werte automatisch steuert.

Während bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 der Antrieb der beiden Gewindespindeln 13, 14 jeweils einzeln durch Mo­ toren 11, 12 erfolgt, die elektrisch synchron gesteuert werden müssen, ist in Fig. 5 und 6 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem beide Gewindespindeln 13, 14 durch einen einzigen Motor 27 angetrieben werden. Dieser ist mit­ samt einem angeflanschten Getriebe 28 in achsparalleler La­ ge neben den Gewindespindeln 13, 14 am endseitigen Element 8 des Traggerüsts befestigt und treibt eine Zahnriemen­ scheibe 29 an, die das Drehmoment über einen Zahnriemen 30, der gemäß Fig. 6 über mehrere Umlenk- und Spannrollen 31 läuft, auf drehfest mit den Gewindespindeln 13, 14 verbun­ dene Riemenscheiben 32, 33 überträgt.

Bei der Spannvorrichtung nach Fig. 5 und 6 sind die Gewin­ despindeln 13, 14 im Spannelement 6 und im Endelement 8 des Traggerüsts mittels Wälzlagern radial gelagert. Das Axial­ lager der Gewindespindeln 13, 14 befindet sich im Spannele­ ment 6. Dieses sowie das mit ihm über die Bolzen 17, 18 axial fest verbundene Spannelement 7 sind auf dem mit 3 be­ zeichneten Ende des bereits verlegten langen Rohrstrangs festgeklemmt. Die auf dem Ende 2 eines an den Rohrstrang 3 anzuschweißenden Rohrstücks festgeklemmten Spannelemente 4 und 5 sind durch Distanzbüchsen 15′, 16′ starr miteinander verbunden, welche koaxial zu den durch sie hindurchgeführ­ ten Gewindespindeln 13, 14 angeordnet sind. Der Gewindeab­ schnitt der Gewindespindeln 13 und 14 reicht nur soweit wie der Verfahrweg des Spannelements 4. Das Spannelement 5 ist lediglich mittels Wälzkörpern axial verschieblich auf einem nicht mit Gewinde versehenen vorderen Teil der Gewindespin­ deln 13, 14 axial verschieblich geführt.

Die Gewindespindeln 13, 14 sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 Kugelumlaufspindeln, die mit drehfest am Spannele­ ment 4 befestigten Kugelumlaufmuttern 34, 35 zusammenwir­ ken. Letztere übertragen die auf sie durch die Gewindespin­ deln 13, 14 ausgeübten Druckkräfte allerdings nicht direkt auf das Spannelement 4 und das mit diesem über die Distanz­ büchsen 15′, 16′ verbundene Spannelement 5, sondern unter Zwischenschaltung jeweils einer Kraftmeßeinrichtung 36, welche im Beispielsfall die Form eines Ringes hat, der mit zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Vorsprüngen am Spannelement 4 und mit zwei um 90° zu diesen Vorsprüngen versetzten weiteren axialen Vorsprüngen jeweils an einer Kugelumlaufmutter 34 bzw. 35 abgestützt ist und jeweils zwischen zwei Vorsprüngen Dehnungsmeßstreifen trägt. Bei Druckbelastung biegen sich die vier Abschnitte des Ringes zwischen den Vorsprüngen, und die mittels der Dehnungsmeß­ streifen gemessene elastische Verformung des Ringes ist ein Maß für die von dem Ring auf das Spannelement 4 übertragene Druckkraft. Die Anordnung von vier Dehnungsmeßstreifen, die in Form einer Wheatstone-Brücke geschaltet sind, ergibt ein genaueres Meßergebnis als mit nur einem einzigen Dehnungs­ meßstreifen an einem durch die von einer Kugelumlaufmutter 34, 35 auf das Spannelement 4 übertragenen Kraft elastisch verformbaren Zwischenglied.

Es versteht sich, daß die Meßeinrichtung 36 auch an einem anderen mechanischen Antriebsorgan der verfahrbaren Rohr­ spanneinheit 4, 5 angeordnet und z. B. auch als Druckmeßein­ richtung oder Drehmomentmeßeinrichtung funktionieren kann. In der in Fig. 5 gezeigten Anordnung der Meßeinrichtung 36 unmittelbar zwischen der Rohrspanneinheit 4, 5 und dem di­ rekt vorgelagerten Antriebsorgan 34, 35 besteht allerdings der Vorteil, daß gerade die auf das verschiebliche Rohrende 2 wirkende äußere Kraft gemessen wird, und keine Reibungs­ kräfte mehr berücksichtigt werden müssen.

Die getroffene Anordnung der Meßeinrichtung im mechanischen Antriebsstrang der verfahrbaren Rohrspanneinheit 4, 5 be­ rücksichtigt, daß das Rohrende 3 der bereits verlegten lan­ gen Rohrleitung unverrückbar festliegt. Man kann also nicht, wie bei einer nur in einer Werkstatt zur Anwendung kommenden Spannvorrichtung, die gegenseitige Anpreßkraft der Rohrenden 2, 3 dadurch messen, daß man zwischen die Rohrspanneinheit 6, 7 und ein am Boden abgestütztes Tragge­ rüst eine Kraftmeßeinrichtung einschaltet. Wegen der norma­ lerweise unverrückbar festen Lage des Rohrendes 3 der be­ reits verlegten Rohrleitung spielt es prinzipiell auch kei­ ne Rolle, ob sich das Traggerüst 8, an welchem der Motor 27 gelagert ist, am Boden oder am Ende 3 der Rohrleitung axial abstützt. Die zuletzt genannte Ausführung hat lediglich den Vorteil, daß die Verankerung des Traggerüsts 8 mittels der fest mit ihr verbundenen Rohrspanneinheit 6, 7 am festlie­ genden Rohrende 3 einfach und schnell durchzuführen ist. Unabhängig davon, ob die einen Teil des Traggerüsts bilden­ den Gewindespindeln 13, 14 am Boden oder am Ende des fest­ liegenden Rohrstrangs 3 axial abgestützt sind, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, mit einer Kraft­ meßeinrichtung entsprechend der Meßeinrichtung 36 die am Axiallager der Gewindespindeln 13, 14 abgestützte Reak­ tionskraft zu messen, welche mit der auf die angetriebene Rohrspanneinheit 4, 5 ausgeübten Vorschubkraft überein­ stimmt.

Mit der Meßeinrichtung 36 sind nur Druckkräfte zu messen. Dies genügt für die Praxis. Wenn damit zu rechnen ist, daß das Ende 2 des verschiebbaren Rohrstücks an einem Abhang infolge Schwerkraft die Tendenz hat, gegen das Rohrende 3 zu drücken, könnte zur Messung der dagegen aufzubringenden Stützkraft zusätzlich jeweils eine weitere Meßeinrichtung 36 auf der mit Bezug auf Fig. 5 rechten Seite des Spannele­ ments 4 zwischen diesem und einem rechten Endflansch einer in diesem Fall sich axial vollständig durch das Spannele­ ment 4 erstreckenden Kugelumlaufmutter 34, 35 vorgesehen werden. Im übrigen hat der bevorzugte Antrieb der Rohr­ spanneinheit 4, 5 über Schraubgetriebe 13, 35 und 14, 34 den Vorteil, daß sie bei Ausfall des elektrischen Antriebs das Rohrende 2 durch Selbsthemmung halten.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist am Elektromotor 27 ein In­ krementalgeber 37 angebracht, welcher den Drehweg des Läu­ fers des Motors in kleinen Winkelschritten erfaßt, wobei jedem Winkelschritt ein sehr kleiner Verschiebeweg der Rohrspanneinheit 4, 5 entspricht. Mit dieser Wegmeßeinrich­ tung und ggf. einem Taktgeber in der Steuer- und Regelein­ richtung des Motors 27 besteht die Möglichkeit, die Rela­ tivbewegung der Rohrenden 2, 3 beim Fügen, d. h., den Füge­ weg und die Geschwindigkeit des Ineinanderdringens der Roh­ renden, genau zu erfassen und mit vorgegebenen Sollwerten zu vergleichen. In gleicher Weise kann die Verformung der Rohrenden 2, 3 beim Anwärmvorgang kontrolliert und, falls gewünscht, protokolliert werden. Außerdem können Abweichun­ gen von den vorgegebenen Weg- und/oder Geschwindigkeits- Sollwerten in die Regelung des Motordrehmoments einbezogen werden, mit dem die Vorschubkraft des Rohrendes 2 erzeugt wird.

Wegen der Abhängigkeit des Drehmoments von der Stromauf­ nahme des Motors 27 wird vorzugsweise auch diese von der Regeleinrichtung erfaßt und mit den Meßwerten der Meßein­ richtung 36 verglichen. Abweichungen zwischen den aus der Stromaufnahme errechneten Drehmoment- bzw. Kraftwerten und den Meßwerten der Meßeinrichtung 36 am Spannelement 4 sind auf die ggf. schwankende Reibung im Antriebsstrang der ver­ fahrbaren Rohrspanneinheit 4, 5 zurückzuführen.

Die Fig. 7A-C zeigen in Verbindung mit Fig. 8A-C und Fig. 9 die verschiedenen Verfahrensschritte: Zunächst werden gemäß Fig. 7A die Rohrenden 2 und 3 mit Hilfe des Hobels 22 auf ihren Stirnflächen plangehobelt. Hierzu wer­ den die Rohrenden 2 und 3 sowie der Hobel 22 in die Spann­ einrichtung 1 so eingespannt, daß der axial verschieblich gelagerte Hobel an beiden Rohrenden anliegt. Dann werden die Motoren 11, 12 gemäß Fig. 1 bzw. der Motor 27 gemäß Fig. 5 und der Antriebsmotor 23 des Hobels 22 eingeschal­ tet, und mit Hilfe der nicht näher dargestellten Steuervor­ richtung wird der gesamte Prozeß gesteuert. Wie oben er­ wähnt, läßt hierbei die Überwachung der Stromaufnahme des Motors 23 erkennen, ob Kerben oder Unregelmäßigkeiten in den Stirnflächen der Rohrenden 2, 3 vorhanden sind.

Anschließend wird der Hobel 22 entfernt und die Heizein­ richtung 26 zwischen den Rohrenden 2, 3 in die Spannein­ richtung 1 eingesetzt, wie dies in Fig. 5B dargestellt ist. Auch die Heizeinrichtung 26 ist axial verschieblich am Traggerüst gelagert, so daß sie nach dem zum Entfernen des Hobels 22 zweckmäßigen Zurückziehen des Rohrendes 2 und dessen anschließendem Vorschieben in Richtung des Rohrendes 3 zwischen beiden Rohrenden 2, 3 eingespannt wird.

Gemäß Fig. 9 werden in einer ersten Phase die Rohrenden 2, 3 während einer bestimmten Angleichzeit mit einem bestimm­ ten Angleichdruck gegen die erwärmte Heizplatte angedrückt. Hierbei soll eine begrenzte Verformung des erwärmten Mate­ rials stattfinden, um nach der spanenden Bearbeitung evtl. vorhandene Ungleichmäßigkeiten zu beseitigen. Nach dieser begrenzten Verformung, die zur absolut planparallelen An­ gleichung der zu verschweißenden Stirnflächen der Rohrenden 2, 3 führt, wird der Druck auf die Rohrenden soweit redu­ ziert, daß nur noch eine wärmeübertragende Anlage am Heiz­ element gewährleistet ist, aber keine weitere Verformung mehr stattfindet. Man würde sonst das erwärmte Material verdrängen und dadurch die Tiefe der erwärmten Zone verrin­ gern.

Nach der in Fig. 9 gezeigten Anwärmzeit haben die Rohrenden 2, 3 die zum Verschweißen notwendige Temperatur. Jetzt muß innerhalb einer kurzen Umstellzeit das Rohrende 2 durch die Rohrspanneinheit 4, 5 zurückgezogen, die Heizeinrichtung 26 entfernt und dann zum Fügen das Rohrende 2 wieder vorgefah­ ren und gegen das Rohrende angedrückt werden. Dabei wird der Fügedruck mit einem bestimmten Gradienten aufgebaut und dann während einer bestimmten Abkühlzeit aufrechterhalten, wie aus Fig. 9 ersichtlich. Das Fügen ist in Fig. 7C und in Fig. 8B veranschaulicht. Fig. 8C zeigt dann einen Längsschnitt durch die fertige Schweißverbindung.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermo­ plastischem Kunststoff mit zwei relativ zueinander in Flucht ausgerichteten Rohrspanneinheiten (4, 5; 6, 7), von denen die eine (4, 5< mit einem darin eingespannten Rohrende (2) durch einen Elektromotor (11, 12; 27< über mechanische Antriebsorgane (12, 14; 28-35) in Flucht­ richtung verfahrbar und mit einer durch eine Meßein­ richtung (36) meßbaren Kraft gegen ein in der anderen Rohrspanneinheit (6, 7) eingespanntes Rohrende (3) an­ drückbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmo­ ment des Elektromotors (11, 12; 27) in einem geschlos­ senen Regelkreis in Abhängigkeit der Meßwerte einer Kraft-, Druck- oder Drehmoment-Meßeinrichtung (36) re­ gelbar ist, die an einem mechanischen Antriebsorgan (34, 35) der verfahrbaren Rohrspanneinheit (4, 5) ange­ ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (36) zwischen der verfahrbaren Rohrspanneinheit (4, 5) und dem dieser unmittelbar vor­ geschalteten mechanischen Antriebsorgan (34, 35) ange­ ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskraft der durch den Elektromotor (11, 12; 27) erzeugten axialen Vorschubkraft über eine der Rohrspanneinheiten (6, 7) an einem ortsfest liegenden Rohrende (3) abgestützt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektromotor (11, 12; 27) wenig­ stens eine Gewindespindel (13, 14) rotierend antreibt, die an der einen Rohrspanneinheit (6, 7) axial festge­ legt ist und mit einer Mutter, insbesondere einer Ku­ gelumlaufmutter (34, 35), zusammenwirkt, die drehfest mit der anderen Rohrspanneinheit (4, 5) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (11, 12; 27) über zwei rotierend angetriebene Gewindespindeln (13, 14) auf zwei Muttern (34, 35) wirkt, die an der mit ihnen drehfest verbun­ denen Rohrspanneinheit (4, 5) diametral gegenüberlie­ gend angeordnet sind und jeweils über eine Meßeinrich­ tung (36) eine axiale Kraft auf die Rohrspanneinheit (4, 5) ausüben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (36) unter axialer Belastung der Muttern (34, 35) auf Biegung beanspruchte Glieder enthalten, an denen Dehnungsmeßstreifen angebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Biegung beanspruchten Glieder Ringe sind, die jeweils auf einer axialen Seite über zwei diametral gegenüberliegende axiale Vorsprünge an der Mutter (34, 35) und auf der anderen Seite über zwei ebenfalls dia­ metral gegenüberliegende Vorsprünge, die jeweils am Um­ fang um 90° zu den erstgenannten Vorsprüngen versetzt angeordnet sind, an der Rohrspanneinheit (4, 5) abge­ stützt sind, wobei jeweils zwischen den Vorsprüngen am Ring Dehnungsmeßstreifen angebracht sind.

8. Mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführtes Verfahren zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischem Kunststoff, deren Enden (2, 3) auf eine bestimmte Schweißtemperatur erwärmt und dann durch einen elektrischen Antrieb (11, 12; 27) mit einer bestimmten Fügekraft gegeneinander angedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während des gegenseitigen Andrucks der Rohrenden (2, 3) beim Fügen die Relativbe­ wegung der Rohre gemessen und mit vorgegebenen Grenz­ werten verglichen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erwärmen der Rohrenden (2, 3) auf Schweißtempera­ tur durch axialen Andruck gegen eine zwischen sie ein­ geführte Heizeinrichtung (26) die Relativbewegung der Rohre (2, 3) gemessen und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen wird.

10. Mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführtes Verfahren zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischem Kunststoff, deren zu verschweißen­ de Endflächen durch einen elektrisch angetriebenen, rotierenden Hobel (22) spanend bearbeitet, dann durch axialen Andruck gegen eine Heizeinrichtung (26) auf ei­ ne bestimmte Schweißtemperatur erwärmt und dann mit ei­ ner bestimmten Fügekraft gegeneinander gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromaufnahme des Ho­ bels (22) gemessen und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen wird.

11. Mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführtes Verfahren zum Stumpfschweißen von Rohren aus thermoplastischem Kunststoff, deren Enden (2,3) durch axialen Andruck gegen eine Heizeinrichtung (26) auf eine bestimmte Schweißtemperatur erwärmt und dann mit einer bestimmten Fügekraft gegeneinander gedrückt werden, wobei die auf eine verfahrbare Rohrspanneinheit (4, 5) ausgeübte Vorschubkraft durch eine an einem me­ chanischen Antriebsorgan (34, 35) der Rohrspanneinheit (4, 5) angeordnete Meßeinrichtung (36) direkt oder in­ direkt gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der Meßeinrichtung (36) mit gleichzeitig ge­ messenen Werten der Stromaufnahme des elektrischen An­ triebsmotors (11, 12; 27) verglichen werden.