DE4138608A1 - Heizelement-schweissverfahren fuer kunststoffelemente und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Merkblatt DVS 2207, Teil 11, (April 1985), "Heizelementschweißen von thermoplastischen Kunststoffen, Rohrleitungen aus Polypropylen (PP)" des Deutschen Verbands für Schweißtechnik E.V., Seite 3, 3.2 ist ein Heizelement- Schweißverfahren bekannt, bei dem ein Rohr und eine Muffe überlappend miteinander verschweißt werden. Das Rohr und der Fitting werden im Fügebereich mittels eines Heizwerkzeuges auf Schweißtemperatur gebracht. Das Heizwerkzeug weist an seinem einen Ende einen Heizdorn zur Aufnahme der Muffe und auf seinen anderen Ende eine Heizbuchse zur Aufnahme des Rohrs auf und wird mit einem Heizelement auf Schweißtemperatur aufgeheizt. Nach Erreichen der Schweißtemperatur wird das Heizwerkzeug entfernt und das Rohr in die Muffe eingeschoben und sodann zusammengefügt. Das Rohr, das Heizelement und die Muffe sind maßlich so aufeinander abgestimmt, daß sich beim Fügen ein Fügedruck aufbaut. Das Schweißen der beiden Kunststoffteile im Fügebereich wird durch atomare Bindungskräfte und durch Fusion zwischen den Kunststoffen bewirkt, ohne daß jedoch eine schmelzflüssige Phase im Fügebereich entsteht.

Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist darin zu sehen, daß die zu fügenden Kunststoffteile während des Schweißverfahrens mehrmals aus ihrer Position verschoben werden müssen, bevor sie letztendlich in der Endmontageposition ineinander geschweißt werden. Insbesondere dann, wenn große und/oder mehrere Bauteile ineinander geschweißt werden, wie beispielsweise eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren in einem Wärmetauscherboden, erfordert dies ein hohes Maß an gerätetechnischen Aufwand, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat.

Ein weiterer Nachteil ist in der genauen maßlichen Abstimmung zwischen den zu fügenden Bauteilen einerseits und dem Heizwerkzeug andererseits zu sehen, was ebenfalls einen hohen Fertigungsaufwand und damit verbundene hohe Fertigungskosten bedingt.

Es ist weiterhin von Nachteil, daß gemäß Seite 4, Tabelle 3 des angegebenen Stands der Technik nur Rohre mit einer minimalen Rohrwanddicke bezogen auf den jeweiligen Rohraußendurchmesser nach diesem Verfahren verschweißt werden können. Das Schweißen von Rohren, die dünner als die in Tabelle 3 aufgeführten minimalen Rohrwanddicken sind, ist nach diesem Schweißverfahren nicht vorgesehen, da die Gefahr des Zusammenfallens der Rohrwände beim Aufheizen der Rohre besteht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Heizelementschweißen anzugeben, bei dem mehrmaliges Positionieren der Fügeteile vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch daß die Fügeteile vor dem Aufheizen in Fügeposition gebracht werden und diese Position während des Heizens und Schweißens nicht mehr verändert wird, also die Fügeteile von vornherein in den Endmontagezustand gebracht werden, ist das Verfahren vereinfacht, da weitere Positionsänderungen der Fügeteile entfallen und somit ein größerer Fertigungsaufwand und die damit verbundenen Fertigungskosten vermieden werden.

Dadurch daß das Rohr durch Aufweiten mittels eines weiteren in das Rohr eingreifenden Werkzeuges in dem Bereich an das Kunststoffbauteil gepreßt wird, aus dem zuvor beim Aufheizen Material so verdrängt wurde, daß eine trichterförmige Fügefläche vorliegt, ist ein Fügebereich mit einem zusätzlichen Formschluß zwischen Rohr und Kunststoffbauteil entstanden, der insbesondere in einer Achsrichtung des Rohres wirkende hohe Zugkräfte aufnehmen kann.

Da die Verschweißung letztendlich bei der plastischen Verformung des Rohres erfolgt, ist eine genaue maßliche Abstimmung der Fügeteile nicht mehr nötig, wodurch der Fertigungsaufwand und die damit verbundenen Kosten ebenfalls verringert werden.

Durch das bevorzugte Abstützen des Rohres an seiner Innenseite zumindest im Fügebereich wird sichergestellt, daß die plastifizierte Rohrwand insbesondere von dünnwandigen Rohren nicht nach innen zusammenfällt.

Vorzugsweise entspricht der Fügebereich ein Drei- bis Vierfaches der Wandstärke des Rohres, wodurch eine besonders feste Verbindung hergestellt ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem mindestens aus einem Heizelement und einer Heizbuchse aufgebauten Heizwerkzeug. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß die Heizbuchse an ihrer Außenseite einen konischen Verlauf und auf ihrer Innenseite einen an dem Durchmesser des Rohres angepaßten geradzylindrischen Verlauf aufweist und zur Pressung ein weiteres an seiner Außenseite konisch ausgebildetes Werkzeug vorgesehen ist. Beim Aufheizen der Fügeteile verdrängt das Heizwerkzeug entsprechend des konischen Verlaufs der Heizbuchse Material im Kunststoffbauteil, so daß das Loch zumindest teilweise einen trichterförmigen Verlauf aufweist.

Des weiteren ist es von Vorteil, daß zentral innerhalb der Heizbuchse ein Dorn angeordnet ist, derart, daß der Dorn und die Heizbuchse einen Ringspalt zur Aufnahme des Rohres begrenzen. Der Dorn stützt die Rohrwand insbesondere dünnwandiger Rohre während des Aufheizens an ihrer Innenseite ab.

Es ist weiterhin von Vorteil, daß der Dorn aus der Heizbuchse hinausragt, so daß eine Stützwirkung auch dort gegeben ist, wo die Schweißtemperatur nicht mehr ganz erreicht wird, die Gefahr des Zusammenfallens beim Aufheizen der Rohrwand insbesondere bei dünnwandigen Rohren aber dennoch gegeben ist.

Vorteilhaft ist es auch, daß der Dorn als Heizdorn ausgebildet ist, wodurch die Rohrwand von beiden Seiten aufgeheizt wird wobei die Aufheizphase verkürzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Ausführungsform einer zur Durchführung des Verfahrens benötigten Vorrichtung, sollen anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Platte mit einem darin einzuschweißenden Rohr;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung vergleichbar mit Fig. 1 mit einem eingreifenden Heizwerkzeug;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Platte mit einem in ihr eingeschweißten Rohr und einem weiteren Werkzeug.

Um ein Kunststoffrohr 1 in ein Loch 2 einer Kunststoffplatte 3 nach dem erfindungsgemäßen Heizelement- Schweißverfahren zu fügen, werden die Fügeteile 1, 3 gemäß Fig. 1 in Schweißposition, die gleichermaßen dem Endmontagezustand entspricht, gebracht. Das Rohr 1 ist so in das zur Aufnahme des Rohres 1 vorgesehene Loch 2 in der Platte 3, von der ein Ausschnitt dargestellt ist, eingeschoben, daß das Ende des Rohres 1 geringfügig an der Oberseite 4 der Platte 3 herausragt.

Das der Platte zugeordnete Ende des Rohres kann auch in weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen bündig mit der Oberseite abschließen oder in der Platte enden. Es ist ebenfalls vorgesehen das Rohr anstatt in eine Platte in einen gewölbten Boden einzuschweißen.

Platte 3 und Rohr 1 sind Bestandteile eines nicht vollständig dargestellten Wärmetauschers, in dem eine Vielzahl parallel verlaufender Wärmetauscherrohre an ihren Enden mit jeweils einem Wärmetauscherboden verbunden sind, wobei die Rohre und der Boden durch eine Montagevorrichtung gehalten bzw. gestützt sind.

Rohr 1 und Platte 3 werden, wie Fig. 2 zeigt, in Schweißposition mit einem Heizwerkzeug gleichzeitig auf Schweißtemperatur aufgeheizt.

Das Heizwerkzeug bestehend aus einer Heizbuchse 7 und einem zentral im Innern der Heizbuchse 7 angeordneten Dorn 8 ist wird mit einem elektrischen Heizelement 9 aufgeheizt. Die Heizbuchse 7 weist an ihrer Außenseite 10a einen konischen Verlauf und auf ihrer Innenseite 10b einen an den Außendurchmesser des Rohres 1 geradzylindrischen Verlauf auf und bildet so bei stetig abnehmender Wanddicke längs ihrer Längsachse einen Querschnitt in Keilform. Ein zwischen Buchse 7 und Dorn 8 konzentrisch zur Längsachse des Heizwerkzeuges ausgebildeter Ringspalt 11 dient der Aufnahme des Rohres 1 derart, daß die Heizbuchse 7 das Rohr 1 an seiner Außenseite 5 umgreift, wobei der Dorn 8 in das Rohr 1 die lichte Weite des Rohres 1 im wesentlichen überdeckend eingreift. Heizbuchse 7 und Dorn 8 sind vorzugsweise einstückig ausgebildet, so daß der Dorn 8 auch als Heizdorn 8 wirkt.

Die Heizbuchse 7 des Heizwerkzeuges wird ausgehend von der Oberseite 4 der Platte 3 fortlaufend zwischen Platte 3 und Rohrwand 6 eingeführt, wobei der Heizdorn 8 fortlaufend in das Rohr 1 eingreift. Das Aufheizen des Rohres 1 erfolgt seitens des Heizdorns 8 an der Innenseite 12 und seitens der Heizbuchse 7 an der Außenseite 5 der Rohrwand 6, wobei die Platte 3 seitens der Außenseite 10a der Heizbuchse 7 aufgeheizt wird.

Der Heizdorn 8 stützt die Rohrwand 6 zusätzlich an ihrer Innenseite 12 ab. Insbesondere bei dünnwandigen Rohren, d. h. bei den Rohren, die die minimale Wandstärke gemäß Tabelle 3 des angegebenen Stands der Technik unterschreiten ist es wichtig, diese während des Aufheizens an ihren Innenseiten abzustützen, um der Gefahr des Einfallens der Rohrwände nach innen entgegenzuwirken.

Beim Einführen des Heizwerkzeuges 7, 8 wird durch die Keilwirkung der Heizbuchse 7 mit zunehmender Eindringtiefe der Heizbuchse 7 plastifiziertes Plattenmaterial an die Oberfläche 4 der Platte 3 verdrängt und bildet hier eine das Loch 2 umgebende Wulst 13.

Nach Entfernen des Heizwerkzeuges wird bei unveränderter Position der Fügeteile 1, 3 gemäß Fig. 3 mittels eines weiteren an seinen unteren Ende konisch ausgebildeten Werkzeuges 14, dessen konischer Teil 15 so bemessen ist, daß er in das Ende des Rohres 1 eingreift, die plastifizierte Rohrwand 6 an die Platte 3 gepreßt, wobei der aufgebaute Wulst 13 ebenfalls als Fügebereich 16, der in Fig. 3 gestrichelt markiert ist, genutzt wird.

Zur Erzielung einer besonders festen Schweißverbindung mißt der Fügebereich 16 ein Drei- bis Vierfaches der Wandstärke des Rohrs 1.

Beim Verschweißen des Rohres 1 in eine zum Verhältnis zum Durchmesser des Rohrs 1 dünnwandigen Platte 3 stellt der Wulst 13 einen wesentlichen Teil des Fügebereiches 16 für eine besonders feste Schweißverbindung dar, der umso größer wird, je dünner die Platte 3 wird. Um in dünnen Platten eine besonders feste Schweißverbindung bzw. einen großen Fügebereich 16 zu schaffen ist es auch vorgesehen, den Keilwinkel der konisch ausgeformten Heizbuchse 7 zu vergrößern, wobei beim Einführen des Heizwerkzeuges in die Platte 3 entsprechend mehr Material an die Oberseite 4 verdrängt wird und der Fügebereich 16 vergrößert wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Fügen eines Kunststoffrohres in ein Loch eines Kunststoffbauteils nach dem Heizelement-Schweißverfahren, wobei die Fügeteile mittels einer in das Loch eingreifenden und das Rohr umgreifenden Heizwerkzeug aufgeheizt und nach dem Entfernen des Heizwerkzeuges im plastifizierten Zustand unter Aufbau eines Fügedrucks auf einen vorgesehenen Fügebereich miteinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr vor dem Aufheizen in Fügeposition in dem in einem flächig ausgebildeten Bauteil ausgebildeten Loch gebracht wird und ein an seiner Außenseite konisch ausgebildetes Heizwerkzeug unter Verdrängung von aufgeheiztem Bauteilmaterial zwischen dem Rohr und dem Bauteil eingeführt wird und danach die Rohrwand mittels eines weiteren in das Rohr eingreifenden Werkzeuges an das plastifizierte Bauteil gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Rohres zumindest im Fügebereich während des Aufheizens an ihrer Innenseite abgestützt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fügebereich ein Drei- bis Vierfaches der Wandstärke des Rohres entspricht.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1-3 mit einem mindestens aus einem Heizelement und einer Heizbuchse aufgebauten Heizwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizbuchse (7) an ihrer Außenseite (10a) einen konischen Verlauf und auf ihrer Innenseite (10b) einen an dem Durchmesser des Rohres (1) angepaßten geradzylindrischen Verlauf aufweist und zur Pressung ein weiteres an seiner Außenseite konisch ausgebildetes Werkzeug (15) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zentral innerhalb der Heizbuchse (7) ein Dorn (8) angeordnet ist, derart, daß der Dorn (8) und die Heizbuchse (7) einen Ringspalt (11) zur Aufnahme des Rohres (1) begrenzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (8) als Heizdorn (8) ausgebildet ist.