DE4136349C2 - Schweißvorrichtung für Kunststoffrohre - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von
rohrförmigen Teilen aus Kunststoff, insbesondere Polyvinylidenfluorid,
Polypropylen oder Polyethylen, welche Teile etwa gleichen Durchmesser
aufweisen, mit einem Heizelement zum Erweichen des Bereichs der Stoßfläche
mindestens eines rohrförmigen Teils, wobei die Anlagefläche des Heizelements an
der Stoßfläche des rohrförmigen Teils korrespondierend zu der Stoßfläche
ausgebildet und an einem ringförmigen oder scheibenförmigen Ansatz an dem
Heizelement vorgesehen und das Heizelement mit einem Stabilisierungsansatz 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 Erweichungs-
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
Ablagerungen im Rohr im Bereich dieser Schweißwülste nach sich zieht. Oftmals
ist es jedoch technisch überhaupt nicht möglich, solche Schweißnähte an der
Rohrinnenwandung nachträglich zu bearbeiten. In diesem Fall kommt es dann zu
einem unerwünschten Anstieg des Strömungswiderstandes 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 35 10 552 A1 die Anbringung
fertigungstechnisch relativ aufwendiger Ausnehmungen längs der Stoßflächen der
beiden miteinander zu verschweißenden Rohrteile. Diese Ausnehmungen werden
dann mittels eines sie teilweise ausfüllenden Werkzeugs erweicht, so daß nach
dem Entfernen des Werkzeugs die Rohrteile aneinandergefügt und miteinander
verbunden werden können. Auch bei Benutzung dieses bekannten Verfahrens
stellt sich jedoch ein signifikanter Innenwulst ein, der zudem bereits erwähnten,
unerwünschten Anstieg des Strömungswiderstandes im Rohr führt. Auch in der
DD 197 216 ist darauf hingewiesen, daß u. a. Formheizelemente sowie
Innenfasen und auch Herabsetzen des Schweißdrucks zu einer Verringerung der
Innenwülste führen sollen.
In der WO 88/06966 A1 ist eine Vorrichtung zum zuverlässigen Herstellen einer
Rohrschweißverbindung mit praktisch glatter Innenwandung geoffenbart.
Hierbei ist die Anlagefläche des Heizelements 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 Rohrteile 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 bisher
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 Anlageteile 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 geschaffen,
der beim Stoßen der beiden angeschmolzenen Teile bewegt wird und bisher an
der Innenwandung des gebildeten rohrförmigen Teils in Form einer Wulst
ausgetreten ist. Auf diese Weise verbleibt der beim Zusammenfügen verdrängte
flüssige oder erweichte Kunststoff im wesentlichen in dem durch die
Hinterschneidung oder Auskehlung gebildeten Raum und tritt nicht mehr als den
freien Querschnitt des Rohres beeinträchtigenden Hindernis in Erscheinung.
Es hat sich indessen gezeigt, daß beim Schweißen von Rohren größeren
Durchmessers mit der bekannten Vorrichtung Schwierigkeiten bei der Einhaltung
der erforderlichen Toleranzen auftreten können. Kunststoffrohre mit einem
Durchmesser von etwa 150 bis 250 mm konnten unter Umständen mit der
bekannten Vorrichtung überhaupt nicht verschweißt werden.
Aus der FR 13 08 941 ist eine Heizvorrichtung zum Verschweißen von Rohrteilen
unterschiedlichen Durchmessers bekannt. Sie besteht im wesentlichen aus zwei
Muffen, in die die beiden zu verschweißenden Rohrteile eingesteckt bzw.
darübergeschoben und dort erhitzt werden. Nachdem vergleichsweise große
Flächen an den inneren und äußeren Oberflächen der ineinander zu steckenden
und so zu verschweißenden Rohrteile aufgeschmolzen sind, werden die Rohrteile
von der Heizvorrichtung abgenommen und ineinandergesteckt. Nach dem
Erkalten und Verfestigen des zunächst erweichten Kunststoffes sind die Rohrteile
dann verschweißt. Ein Verschweißen der Stoßflächen der Rohrteile erfolgt bei der
bekannten Vorrichtung nicht. Bei der Entgegenhaltung geht es darum,
konzentrische Zylinderflächen einer Rohrsteckverbindung mittels erhitzter,
rohrförmiger Muffenansätze zu erweichen.
Generell ist die Verwendung von Aluminium zur Herstellung von Heizspiegeln
von Rohrschweiß-Vorrichtungen aus der DE-OS 22 06 189 bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Schweißen von
Kunststoffrohren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in zuverlässiger
und wirtschaftlicher Weise Rohre aus Kunststoff gleichen Durchmessers
miteinander verbunden werden können unter Einhaltung der Bedingung, daß die
Schweißverbindung praktisch innenwulstfrei erfolgt, um Strömungsstörungen des
in den Rohren fließenden Mediums zu vermeiden.
Diese Erfindung ist gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß das Heizelement
eine an ihm anliegende Heizscheibe aufweist, die zusammen mit der
Stabilisierungsscheibe jeweils aus metallischem Werkstoff gefertigt und als Käfig
zur Halterung eines hitzebeständigen Kunststoffrings mit vergleichsweise großem
Innendurchmesser ausgebildet sind, wobei der Kunststoffring im Bereich seines
Außendurchmessers die Anlagefläche für die Stoßfläche des zu verschweißenden
rohrförmigen Teils ist.
Bei der bekannten Schweißvorrichtung nach der WO 88/06 966 besteht der Ansatz
des Heizelements mit der Anlagefläche für die Stoßfläche des Rohres sowie der
Zentrierungs- und/oder Kalibrierungsansatz 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 Nachteile
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 metallischem Werkstoff, vorzugsweise Aluminium oder
eine Aluminiumlegierung, besteht und wenn der so gebildete Vorsprung an dem
Heizelement einen vergleichsweise dünnen Kunststoffring, also mit relativ
großem Innendurchmesser dergestalt auf weist, daß er während des
Schweißvorgangs als korrespondierende Anlagefläche an der Stoßfläche des einen
zu verschweißenden Rohres vorgesehen ist. Es wird angenommen, daß die
beschriebenen Toleranzschwierigkeiten bei der bekannten Vorrichtung
insbesondere auf Wärmedehnungen bzw. Wärme Spannungen zurückgehen, die
von massiven PTFE-Ansätzen des Heizelements 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 möglich ist, Kunststoffröhre
mit einem größeren Durchmesser, etwa 150 bis 250 mm, insbesondere 160 bis 225
mm, innenwulstfrei miteinander zu verschweißen.
Auch sei festgehalten, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die
Baueinheit, die aus Aluminiumsätzen 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.
Die Erfindung
wird anhand der folgenden Beschreibung eines bevor
zugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie
der schematischen Zeichnung näher erläutert.
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 Zentner 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 Zentner
schraube am Heizelement 20 angeordnet.
Die Zentner- 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 PTFE.
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 hervor. Es ist dort die
Baugruppe gezeigt, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung anstelle der
Bauteile 21, 23 und 25 am Heizelement 20 vorgesehen sind. Erfindungsgemäß
sind dies eine Stabilisierungsscheibe 23' sowie eine Heizscheibe 23'', die jeweils
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind. Im Bereich der
Stoßfläche der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellenden
Schweißnaht der zu verschweißenden Rohre 10 und 11 ist ein Kunststoffring 21'
in eine entsprechende Nut zwischen die beiden Scheiben 23' und 23'' eingelegt.
Die freiliegende Fläche des Kunststoffrings 21', der insbesondere aus PTFE
gefertigt ist, und die Scheibe 23' sind im wesentlichen die korrespondierende
Fläche zur Stoßfläche des zu verschweißenden 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 Baugruppe wird
die Heizscheibe 23'' soweit erhitzt, daß die Kunststoffrohre 10, 11 aus
Polyvinylfluorid. Polypropylen. Polyethylen oder dgl. im Bereich ihrer
Kontaktfläche zur freien Oberfläche der Heizscheibe 23'' erweicht bzw.
aufgeschmolzen werden. Wie sich aus Fig. 2 weiter ergibt, weist die Scheibe 23''
im Bereich des äußeren Umfangs des Kunststoffrings 21' einen umlaufenden
Vorsprung 36 auf, der den Ring im Bereich seiner äußeren Oberfläche teilweise
umfaßt und ihn auf diese Weise in seiner angestrebten Position zuverlässig
festhält. Fig. 1 zeigt weiterhin, daß der Kunststoffring 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 Heizelements 20 mit seinen Stabilisierungs- und Heizscheiben sowie dem
Kunststoffring einstellt.
Zum Abschluß sei darauf hingewiesen, daß der Inhalt der WO 88/06966 zum
Gegenstand der Offenbarung der hier vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Stumpfschweißen von rohrförmigen Teilen (10, 11) aus
Kunststoff, insbesondere Polyvinylidenfluorid, Polypropylen oder
Polyethylen, welche Teile (10, 11) etwa gleichen Durchmesser aufweisen,
mit einem Heizelement (20) zum Erweichen des Bereichs der Stoßfläche
(12, 13) mindestens eines rohrförmigen Teils (10, 11), wobei die
Anlagefläche des Heizelements (20) an der Stoßfläche (12, 13) des
rohrförmigen Teil (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
Stabilisierungsansatz (23, 24) für das rohrförmige Teil versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) eine an ihm anliegende
Heizscheibe (23'') aufweist, die zusammen mit der Stabilisierungsscheibe
(23') jeweils aus metallischem Werkstoff gefertigt und als Käfig zur
Halterung eines hitzebeständigen Kunststoffrings (21') mit vergleichsweise
großem Innendurchmesser ausgebildet sind, wobei der Kunststoffring (21')
im Bereich seines Außendurchmessers (12, 13) die Anlagefläche für die
Stoßfläche des zu verschweißenden rohrförmigen Teils (10, 11) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kunststoffring (21) im Bereich der der Stoßfläche (12, 13) des
rohrförmigen Teils (10, 11) abgewandten Seite von einem Vorsprung (36)
des Ansatzes (23'') radial umfaßt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus
Heizscheibe (23'') und Stabilisierungsscheibe (23') bestehende Baueinheit
im Bereich des Kunststoffrings (21') parallel zu dessen Hauptebene geteilt
ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffring (21') aus
Polytetrafluorethylen besteht.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß Heizscheibe (23'') und Stabilisierungsscheibe (23')
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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DE4136349A Expired - Fee Related DE4136349C2 (de) | 1991-11-05 | 1991-11-05 | Schweißvorrichtung für Kunststoffrohre |
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