DE4136349A1 - Schweissvorrichtung fuer kunststoffrohre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ver­ binden von rohrförmigen Teilen aus Kunststoff, insbeson­ dere Polyvinylidenfluorid, Polypropylen oder Polyethylen, welche Teile etwa gleichen Durchmesser aufweisen, mit einem Heizelement zum Erweichen des Bereichs der ange­ fasten Stoßfläche, mindestens eines rohrförmigen Teiles, wobei die Anlagefläche des Heizelementes an der Stoß­ fläche des rohrförmigen Teils korrespondierend zu der Stoßfläche ausgebildet und an einem ringförmigen oder scheibenförmigen Ansatz an dem Heizelement vorgesehen und das Heizelement mit einem Zentrierungs- und/oder Kali­ brierungsansatz für das rohrförmige Teil versehen ist.

Das Zusammenfügen oder Verbinden von Rohren, Fittings oder anderen rohrförmigen Teilen aus Kunststoff (PE, PP, PVDF, ECTFE, PPS PEEK) erfolgt bisher im wesentlichen im Wege der Stumpfschweißung. Die rohrförmigen Teile werden hierbei glatt abgelängt und sodann stumpf gestoßen. Sodann wird längs des Stoßes das Material der beiden zu verbindenden Teile bis zum Erwei­ chungs- oder Schmelzpunkt erhitzt, worauf es dann durch das Zusammenfließen des Kunststoffs beider Teile zu einem Verschweißen kommt. Bei dieser bekannten Stumpfschweißung entsteht auch an der Innenfläche des so hergestellten Rohres ein mindestens zwei bis vier Millimeter dicker Schweißwulst, der, sofern er nicht in aufwendiger Weise entfernt wird, erhebliche Strömungsverluste und/oder Ab­ lagerungen im Rohr im Bereich dieser Schweißwülste nach sich zieht. Oftmals ist es jedoch technisch überhaupt nicht möglich, solche Schweißnähte an der Rohrinnenwan­ dung nachträglich zu bearbeiten. In diesem Fall kommt es dann zu einem unerwünschten Anstieg des Strömungswider­ standes im Rohr sowie zu den erwähnten Ablagerungen, von Feststoffen Partikeln oder Bakterien.

Es wurden bereits verschiedene Wege zur Verringerung dieser Schweißwülste vorgeschlagen. So erläutert die DE-A-35 10 552 die Anbringung fertigungstechnisch rela­ tiv aufwendiger Ausnehmungen längs der Stoßflächen der beiden miteinander zu verschweißenden Rohrteile. Diese Ausnehmungen werden dann mittels eines sie teilweise aus­ füllenden Werkzeugs erweicht, so daß nach dem Entfernen des Werkzeugs die Rohrteile aneinandergefügt und mit­ einander verbunden werden können. Auch bei Benutzung dieses bekannten Verfahrens stellt sich jedoch ein sig­ nifikanter Innenwulst ein, der zu dem bereits erwähnten, unerwünschten Anstieg des Strömungswiderstandes im Rohr führt. Auch in der DD-A-1 97 216 ist darauf hingewiesen, daß u. a. Formheizelemente sowie Innenfasen und auch Herabsetzen des Schweißdruckes zu einer Verringerung der Innenwülste führen sollen.

In der WO 88/06 966 ist eine Vorrichtung zum zuverlässigen Herstellen einer Rohrschweißverbindung mit praktisch glatter Innenwandung geoffenbart.

Hierbei ist die Anlagefläche des Heizelementes an der Stoßfläche des rohrförmigen Teils korrespondierend zu der hinterschnittenen oder ausgekehlten Stoßfläche des Rohres ausgebildet.

Dieser bekannten Vorrichtung liegt der Gedanke zugrunde, die Stoßflächen der beiden miteinander zu verbindenden Teile so zu hinterschneiden, daß zusammen mit einem definierten Erweichen oder Aufschmelzen der beiden Rohr­ teile im Bereich der Stoßflächen für den aufgeschmolzenen Kunststoff beim anschließenden Stoßen der angeschmolzenen Teile keine Veranlassung besteht, an der Innenfläche des gebildeten rohrförmigen Teils auszutreten und so den bis­ her entstehenden Innenwulst zu bilden. Unter definiertem Aufschmelzen wird hierbei verstanden, daß die Rohrwandung der beiden miteinander zu vereinigenden Teile durch zu den hinterschnittenen Stoßflächen korrespondierende An­ lageteile des Heizelementes im wesentlichen gleich tief in axialer Richtung aufgeschmolzen werden. Die Grenze fest/flüssig bzw. fest/erweicht soll also etwa parallel oder konturengleich zur Stoßfläche des jeweiligen Teils verlaufen, die durch die Hinterschneidung oder Auskehlung gebildet wurde. Auf diese Weise wird Platz innerhalb der Dicke der Rohrwandung für den erweichten Kunststoff ge­ schaffen, der beim Stoßen der beiden angeschmolzenen Teile bewegt wird und bisher an der Innenwandung des gebildeten rohrförmigen Teils in Form einer Wulst ausge­ treten ist. Auf diese Weise verbleibt der beim Zusammen­ fügen verdrängte flüssige oder erweichte Kunststoff im wesentlichen in dem durch die Hinterschneidung oder Aus­ kehlung gebildeten Raum und tritt nicht mehr als den freien Querschnitt des Rohres beeinträchtigenden Hinder­ nis in Erscheinung.

Es hat sich indessen gezeigt, daß beim Schweißen von Rohren größeren Durchmessers mit der bekannten Vorrich­ tung Schwierigkeiten bei der Einhaltung der erforder­ lichen Toleranzen auftreten können. Kunststoffrohre mit einem Durchmesser von etwa 150 bis 250 mm konnten unter Umständen mit der bekannten Vorrichtung überhaupt nicht verschweißt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vor­ richtung zum Schweißen von Kunststoffrohren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in zuverlässiger und somit wirtschaftlicher Weise auch Rohre aus Kunststoff des genannten Durchmessers miteinander verbunden werden können unter Einhaltung der Bedingung, daß die Schweiß­ verbindung praktisch innenwulstfrei erfolgt, um Strömungs­ störungen des in den Rohren fließenden Mediums zu ver­ meiden.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ansatz sowie der Zentrierungs- und/oder Kalibrie­ rungsansatz jeweils aus metallischem Werkstoff gefertigt sind und als Käfig zur Halterung eines hitzebeständigen Kunststoffringes mit vergleichsweise großem Innendurch­ messer ausgebildet sind, wobei der Kunststoffring im Be­ reich seines Außendurchmessers die Anlagefläche für die Stoßfläche des zu verschweißenden rohrförmigen Teils ist.

Bei der bekannten Schweißvorrichtung besteht der Ansatz des Heizelementes mit der Anlagefläche für die Stoßfläche des Rohres sowie der Zentrierungs- und/oder Kalibrie­ rungsansatz aus massivem Polytetrafluorethylen (PTFE), sie können auch als zwei voneinander getrennte Scheiben vorgesehen sein. Nichtsdestoweniger bestehen sie aber in ihrer Gesamtheit aus dem genannten Kunststoff. Es hat sich nunmehr gezeigt, daß sich die beschriebenen Nach­ teile einer problematischen Toleranzgenauigkeit der Schweißverbindung, insbesondere bei größeren Durchmessern dann vermeiden lassen, wenn in der angegebenen Weise der Ansatz und der Zentrierungs- und/oder Kalibrierungsansatz im wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff, vor­ zugsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und wenn der so gebildete Vorsprung an dem Heizelement einen vergleichsweise dünnen Kunststoffring, also mit relativ großem Innendurchmesser dergestalt aufweist, daß er während des Schweißvorganges als korrespondierende Anlagefläche an der Stoßfläche des einen zu verschwei­ ßenden Rohres vorgesehen ist. Es wird angenommen, daß die beschriebenen Toleranzschwierigkeiten bei der bekannten Vorrichtung insbesondere auf Wärmedehnungen bzw. Wärme­ spannungen zurückgehen, die von den massiven PTFE-Ansät­ zen des Heizelementes ausgehen. Es hat sich jedenfalls überraschenderweise gezeigt, daß die bisher beobachteten Toleranzabweichungen vermieden werden, wenn Ansätze und Kunststoffring in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet werden. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, daß es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung überhaupt erstmals mög­ lich ist, Kunststoffrohre mit einem größeren Durchmesser, etwa 150 bis 250 mm, insbesondere 160 bis 225 mm, innen­ wulstfrei miteinander zu verschweißen.

Auch sei festgehalten, daß bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung, die Baueinheit, die aus Aluminiumansätzen und Kunststoffring besteht, preiswerter herzustellen ist, als der massive Kunststoffansatz gemäß der vorbekannten Vorrichtung.

In dieser Hinsicht ist die Baueinheit besonders wirt­ schaftlich herzustellen, wenn sie im Bereich des Kunst­ stoffringes parallel zu dessen Hauptebene geteilt ist. Hierbei kann der PTFE-Ring auf einfache Weise zwischen die beiden Ansätze eingelegt werden, die sodann miteinan­ der verschraubt werden.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kunststoffring im Bereich der der Stoßfläche des rohrförmigen Teils abgewandten Seite von einem Vorsprung des Ansatzes radial umfaßt ist. Auf diese Weise wird der Kunststoffring nicht nur zuverlässig festgelegt, sondern es wird auch eine denkbare Radialausdehnung unter Wärme­ einfluß beim Schweißvorgang begrenzt, was der angestreb­ ten Maßhaltigkeit der Verbindung besonders zuträglich ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der schematischen Zeichnung und der Patentansprüche. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine wesentliche Baugruppe einer Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststoffrohren nach dem Stand der Technik und

Fig. 2 das Heizelement gemäß Fig. 1 in seiner erfin­ dungsgemäßen Ausbildung.

In Fig. 1 ist ein Axialschnitt durch zwei miteinander zu verschweißende rohrförmige Teile 10 und 11 zusammen mit einem Werkzeug zur Erhitzung der Stoßflächen 12 und 13 gezeigt. Das Werkzeug ist grundsätzlich ein Heizelement 20, welches beispielsweise durch eine nicht gezeigte elektrische Widerstandsheizung beheizt wird. Hierzu können beispielsweise in wiederum nicht gezeigten Kanälen elektrische Heizspiralen angeordnet sein. Auch kann in diesen Kanälen eine erhitzte Wärmeaustauscherflüssigkeit strömen. Wie sich aus Fig. 1 weiter ergibt, ist bei dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Heizein­ richtung symmetrisch aufgebaut, so daß die beiden rohr­ förmigen Teile 10 und 11 gleichzeitig bei Anlage an der Heizeinrichtung in der gezeigten Weise im Bereich ihrer Stoßflächen 12 und 13 erhitzt und erweicht bzw. verflüs­ sigt werden können. Zu diesem Zweck sind gemäß Fig. 1 seitlich am Heizelement 20 je ein Ansatz 21, 22 oder Heizring sowie ein Zentrier- und Kalibrierungsansatz oder -stopfen 23, 24 vorgesehen. Diese Stopfen 23, 24 dienen zur Zentrierung und Kalibrierung der beiden Rohrteile 10 und 11. Beide Stopfen 23, 24 weisen darüber hinaus je einen Zentriervorsprung 25 zur Zentrierung bezüglich des Ringes 21 auf. Die Teile 21, 22, 23, 24 und 25 sind mittels einer insgesamt mit 26 bezeichneten Zentrier­ schraube am Heizelement 20 angeordnet.

Die Zentrier- und Kalibrierungsstopfen 23, 24 sind bei der gezeigten Ausführungsform aus Polytetrafluor­ ethylen oder einem ähnlichen Kunststoff gefertigt. Die Ringe 21, 22 sind aus Aluminium oder Legierungen gefertigt, Oberfläche beschichtet mit Teflon. Das Heizelement 20 wird soweit erhitzt, daß im Wege der Wärmeübertragung die Ringe 21 und 22 eine solche Tempe­ ratur annehmen, daß bei Anlage der rohrförmigen Teile 10 und 11, wie in Fig. 1 dargestellt, die späteren Stoß­ flächen dieser Teile, die, wie wiederum in Fig. 1 gezeigt ist, an den Ringen 21 und 22 im Bereich ihrer Stoßflächen 12 und 13 vollflächig an den Ringen 21 und 22 anliegen, soweit erhitzt werden, daß sie anschmelzen oder erweichen.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, sind die Ringe 21 und 22 im Bereich ihrer Kontaktfläche mit den späteren Stoßflächen 12 und 13 der Rohrteile 10 und 11 hinsichtlich ihrer Topographie korrespondierend zu den Stoßflächen 12 und 13 ausgebildet. Auf diese Weise kommt es zu einer satten Anlage von Stoßflächen 12 und 13 und Ringen 21 bzw. 22.

Diese Anlage bewirkt wiederum ein praktisch gleichtiefes Eindringen der Wärmeenergie von den Ringen 21 und 22 in dem Bereich der Stoßflächen 12 und 13, so daß es zu dem gleichtiefen Erweichen oder Aufschmelzen der rohrförmigen Teile 10 und 11 im Bereich der Stoßflächen 12 und 13 kommt. Somit erstreckt sich der erweichte Bereich der Rohrteile 10 und 11 in Axialrichtung über sämtliche Durchmesser der Rohrwandungen gleich tief.

Nachdem dieser Zustand erreicht wurde, werden die Rohr­ teile 10 und 11 in Richtung ihrer Längsachse vom Heiz­ element 20 weg verfahren, so daß das Heizelement 20 in seiner Gesamtheit aus seiner Stellung zwischen den beiden Rohrteilen 10 und 11 herausbewegt werden kann.

Sodann werden beide Rohrteile 10 und 11 zusammen bewegt und zur Anlage gebracht, worauf es beim Abkühlen der so gebildeten Schweißnaht 19 zu einer dauerhaften Verbin­ dung beider Rohrteile 10 und 11 kommt.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß es grundsätz­ lich auch möglich ist, die Hinterschneidung oder Auskeh­ lung der Stoßflächen 12, 13 dadurch zu erzeugen, daß die Ringe 21, 22, die zunächst nicht hinterschnittene Stoß­ fläche, die also in diesem Fall senkrecht zur Längsachse der Rohrteile 10, 11 verläuft, aufschmelzen und in die hinterschnittene Form, wie sie in den Zeichnungen wieder­ gegeben ist, bringen.

Aus der Fig. 2 geht die erfindungsgemäße Vorrichtung her­ vor. Es ist dort die Baugruppe gezeigt, die bei der er­ findungsgemäßen Vorrichtung anstelle der Bauteile 21, 23 und 25 am Heizelement 20 vorgesehen sind. Erfindungsge­ mäß sind dies ein Stabilisierungs­ ansatz 23′ sowie ein Heizring 21′′, die jeweils scheiben­ förmig ausgebildet und aus Aluminium oder einer Alumi­ niumlegierung hergestellt sind. Im Bereich der Stoß­ fläche der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzu­ stellenden Schweißnaht der zu verschweißenden Rohre 10 und 11 ist ein Kunststoffring in eine entsprechende Nut zwischen den beiden Ansätzen 23′ und 23′′ eingelegt. Die freiliegende Fläche des Kunststoffringes, der insbeson­ dere aus PTFE gefertigt ist, und die Scheibe 23′′ sind im wesentlichen die korrespondierende Fläche zur Stoßfläche des zu ver­ schweißenden Rohres. Die drei Bauteile 21′, 23′ und 23′′ sind über eine oder mehrere Schraubverbindungen mit je einer Schraube 30 miteinander verbunden. Die so gebildete Baueinheit wird gemäß Fig. 1 mit einem Bolzen 26 über die Ausnehmung 35 mit dem Heizelement 20 verbunden. Auf dem Wege des Wärmeübergangs von Heizelement 20 auf die Bau­ gruppe wird der Heizring 23′′ soweit erhitzt, daß die Kunststoffrohre 10, 11 aus Polyvinylidenfluorid, Polypro­ pylen, Polyethylen od. dgl. im Bereich ihrer Kontaktflä­ chen zur freien Oberfläche der Heizring 23′′ erweicht bzw. aufgeschmolzen werden. Wie sich aus Fig. 2 weiter ergibt, weist der Ansatz 23′′ im Bereich des äußeren Umfangs des Kunststoffringes 21′ einen umlaufenden Vorsprung 36 auf, der den PTFE-Ring im Bereich seiner äußeren Oberfläche teilweise umfaßt und ihn auf diese Weise in seiner ange­ strebten Position zuverlässig festhält. Fig. 1 zeigt weiterhin, daß der PTFE-Ring 21′ vergleichsweise großen Innendurchmesser aufweist. Auf diese Weise benötigt dieser Ring 21′ nur eine praktisch geringe Menge an PTFE-Material.

Die Baugruppe, bestehend im wesentlichen aus den Teilen 21′, 23′ und 23′′ wird bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 gleichermaßen auch anstelle der dort gezeigten Teile 22 und 24 eingesetzt, so daß sich also wiederum ein symmetrischer Aufbau des Heizelementes 20 mit seinen Ansätzen, Zentrierungs- und/oder Kalibrierungsansätzen sowie dem PTFE-Ring einstellt.

Zum Abschluß sei darauf hingewiesen, daß der Inhalt der WO 88/06 966 zum Gegenstand der Offenbarung der hier vor­ liegenden Anmeldung gemacht wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Verbinden von rohrförmigen Teilen (10, 11) aus Kunststoff, insbesondere Polyvinyli­ denfluorid, Polypropylen oder Polyethylen, welche Teile (10, 11) etwa gleichen Durchmesser aufweisen, mit einem Heizelement (20) zum Erweichen des Be­ reichs der Stoßfläche, (12, 13) mindestens eines rohrförmigen Teiles (10, 11), wobei die Anlagefläche des Heizelementes (20) an der Stoßfläche (12, 13) des rohrförmigen Teils (10, 11) korrespondierend zu der Stoßfläche (12, 13) ausgebildet und an einem ringförmigen oder scheibenförmigen Ansatz an dem Heizelement (20) vorgesehen und das Heizelement (20) mit einem Zentrierungs- und/oder Kalibrierungsansatz (23, 24) für das rohrförmige Teil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring (23′′) sowie die Fixierscheibe (23′) jeweils aus metallischem Werkstoff gefertigt sind und als Käfig zur Halterung eines hitzebeständigen Kunststoffringes (21′) mit vergleichsweise großem Innendurchmesser ausgebildet sind, wobei der Kunst­ stoffring (21′) im Bereich seines Außendurchmessers (12, 13) die Anlagefläche für die Innenfläche des zu verschweißenden rohrförmigen Teils (10, 11) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffring (21) im Bereich der Stoßflä­ che (12, 13) des rohrförmigen Teils (10, 11) abge­ wandten Seite von einem Vorsprung (36) des Ansatzes (23′′) radial umfaßt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus Heizring (23′′) und Fixierscheibe (23′) bestehende Baueinheit im Bereich des Kunststoffrings (21′) pa­ rallel zu dessen Hauptebene geteilt ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff­ ring (21′) aus Polytetrafluorethylen besteht.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Heizring (23′′) und Fixierscheibe (23′) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.