DE4329472C2 - Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoffrohrteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verschweißen von thermopla­ stischen Kunststoffrohrteilen im wesentlichen gleichen Durchmessers durch Erhitzen der Enden der zu verschweißenden Rohrteile mittels eines Heizringes unter Einfüh­ rung eines Innenstopfens in die Rohrteile im Bereich der zu erzeugenden Schweiß­ naht, wobei die Rohrteile im wesentlichen axial fluchtend unter Bildung eines Spal­ tes mit Abstand zueinander auf dem Innenstopfen angeordnet sind und Heißluft im wesentlichen radial über den Heizring von außen zum Erweichen der den Spalt bil­ denden Rändern der Rohrteile zuführbar ist.

Aus der GB 22 07 882 A ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststoffrohren gleichen Durchmessers mittels Heißluft bekannt. Hierbei liegt der die Heißluft zuführende Ringkanal großflächig und fest an den Enden der zu verschweißenden Rohrteile an, die darüber hinaus an ihrer Innenfläche mit einer ebenfalls eng anliegenden Muffe miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ge­ langt Heißluft nur direkt an die Stoßflächen der Enden der Rohrteile. Die angren­ zenden innen- und Außenflächen der Rohrteilenden sind hingegen stark abge­ schirmt und nehmen an dem Wärmeübertragungsprozeß im Endenbereich nur sehr beschränkt teil. Einem automatisierten Schweißvorgang ist die bekannte Vorrichtung nicht zugänglich. Die enganliegende Muffe muß nach dem Schweißvorgang und dem Abkühlen der Schweißnaht jeweils aufwendig von Hand aus dem Schweißbe­ reich entfernt werden. Bezüglich des Heizelementes spricht der Vorerfinder selbst von Vorkehrungen, die zu treffen sind, um ein Verkleben der erweichten Rohrenden mit dem Heizelement zu vermeiden.

In der DE 36 40 105 A1 ist ein an sich bekannter dehnbarer Stopfen zur Unterstüt­ zung der Schweißfläche zweier Rohrenden beschrieben. Gleiches gilt für die DE 36 36 891 A1. Das in den Bereich des Schweißspaltes hineinragende Heizelement ge­ mäß DE 41 13 408 A1 ist mit dem Gegenstand der Erfindung nicht vergleichbar, da es sich um ein Strahlungswärme abgebendes Heizelement handelt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht grundsätzlich darin, eine Schweißvorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, ein im wesentlichen automatisiertes Schweißen von Kunststoffrohren durchzuführen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs dadurch gelöst, daß der die Heißluft führen­ de Heizring mit Abstand zu den zu verschweißenden Rohrteilen angeordnet und die Heißluft auf den Bereich der aneinander gegenüberliegenden Enden der Rohrteile lenkbar ist, und daß der Durchmesser des Innenstopfens in radialer Richtung verän­ derbar ist.

Das Zusammenwirken der erfindungsgemäß gemeinsam wirksam werdenden Merk­ male - nämlich einmal Heißluftring mit Abstand zu den zu verschweißenden Rohrtei­ len und Heißluft auf deren Endbereich sowie zum anderen anpreßbarer und im Durchmesser verringerbarer Innenstopfen - ermöglichen die Erreichung des erfin­ dungsgemäß gesetzten Zieles. Dadurch, daß der die Heißluft führende Heizring er­ findungsgemäß nicht mit den Rohrenden in Berührung kommt, besteht während kei­ ner Phase des Schweißvorganges die Gefahr seines Verklebens mit dem erweichten Kunststoff. Es kann somit zügig und ohne Betriebsunterbrechungen aufgrund evtl. Verklebungen gesteuert gearbeitet werden. Zum gleichen Zweck wird der an die In­ nenrohrwandung anpreßbare und dort auch wieder lösbare Innenstopfen herange­ zogen. Nach dem Erhärten der gebildeten Schweißnaht wird er im Umfang verringert und kann sodann auf einfache Weise und ebenfalls gesteuert entnommen bzw. zur nächsten Schweißstelle verbracht werden.

Erfindungsgemäß wird das Gas mittels des Heizringes im wesentlichen radial den Stirnflächen der Enden der beiden zu verbindenden Rohrteile zugefügt, so daß diese dort in einem in axialer Richtung sehr beschränkten Bereich er­ weicht werden. Das erhitzte Gas ist vorzugsweise aus ei­ ner Gasflasche zuströmender Stickstoff, der in einem Wär­ metauscher vor Eintritt in den Heizring erhitzt wird. Der in seinem Außendurchmesser veränderbare Innenstopfen, der während des Schweißvorgangs eng und unter Ausübung eines nach außen gerichteten Druckes an den Rohrinnenwandungen anliegt, wird nach Verfestigung der Schweißnaht in seinem Außenumfang verringert und kann dann auf einfache Weise aus dem gebildeten Rohr entfernt werden.

Der Heizring ist im Bereich der herzustellenden Schweiß­ naht vorzugsweise so dimensioniert, daß er in den von den beiden Rohren vor dem Verschweißen gebildeten Spalt hin­ einragt und dort das erhitzte Gas auf die beiden mitein­ ander zu verbindenden Flächen richtet. Eine solche Aus­ bildung ist insbesondere dann möglich, wenn der Heizring zweigeteilt ist und beide Teile miteinander gelenkig ver­ bunden sind, so daß sie auseinandergeklappt und um das Rohr herum angeordnet werden können.

Der erfindungsgemäße Innenstopfen ist grundsätzlich so ausgeführt, daß in einem Kernteil radial verschiebbare Segmentteile, vorzugsweise deren vier, vorgesehen sind, die einen radialen Druck nach außen ausüben und die Ober­ fläche des Innenstopfens bilden, die an der Innenwandung der zu verschweißenden thermoplastischen Kunststoffrohr­ teile anliegen. Gemäß der Erfindung sind sie entweder an dieser ihrer Oberfläche mit einem Kunststoff beschichtet, dessen Erweichungstemperatur über der der zu verschwei­ ßenden Kunststoffe liegt. Auch können sie in einen Kunst­ stoffschlauch mit einem derart höheren Erweichungspunkt, vorzugsweise einem Silikonschlauch, angeordnet sein, der die Radialbewegung der Segmentteile mit ausführt.

Gemäß der Erfindung können die Segmentteile über zuge­ führte Druckluft nach außen gedrückt werden. Auch die An­ ordnung eines Elektromagneten im Kernteil des Innenstop­ fens wird vorgeschlagen, denen Dauermagneten an den Fuß­ teilen der Segmentteile gegenüberliegen. Durch Erregung des Elektromagnetes kann dann eine radial gerichtete Be­ wegung der Segmentteile induziert werden.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, daß zwischen den einzelnen Segmentteilen und dem Kernteil je­ weils eine Feder angeordnet ist, die die Segmentteile un­ ter Anlage an den Silikonschlauch nach außen drückt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung können thermoplastische Kunststoffe jeglicher Art miteinander verschweißt werden, so z. B. PE, PP, PVDF, ECTTE, sowie PFIA, PEEK und PPS.

Durch die gezielte Aufbringung der Wärmeenergie auf einen relativ begrenzten Bereich ist es gemäß der Erfindung darüberhinaus möglich die Schweißzeiten gegenüber her­ kömmlichen Schweißverfahren und -vorrichtungen erheblich zu verringern, z. B. von bisher etwa 20 auf 6 bis 8 Minu­ ten. Der Spalt, mit dem die beiden zu verschweißenden Rohrteile zueinander angeordnet werden sollen, beträgt etwa 8 bis 10 mm. Diese Abmessung ermöglicht es mit be­ sonderem Vorteil, den Synergieeffekt beim Zusammenwirken von radialer Wärmezufuhr mittels erhitztem Gas und eng anliegendem Innenstopfen zu verifizieren.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf einer berüh­ rungslosen Erwärmung der Schweißoberfläche. Es können de­ finierte Schweißparameter, wie Druck, Schweißtemperatur und Schweißzeit vorgegeben werden, so daß ein automati­ scher Schweißprozeß durchgeführt werden kann, der auch die automatische Steuerung des variablen Innenstopfens beim Auf- und Zufahren übernehmen kann, so daß die Schweißung in der Tat von einer einzigen Person ausge­ führt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für den gesamten Dimensionsbereich von Rohren von 20 bis 250 mm Durchmesser einsetzbar. Neben der bereits erwähnten erheblichen Verkürzung der Schweißzeiten gegenüber dem Stand der Technik ist auch die Qualität der erzeugten Schweißnähte technisch einwandfrei und jederzeit reprodu­ zierbar.

Die Schweißvorrichtung kann sowohl auf Standard-Stumpf­ schweißmaschinen als auch auf automatisch gesteuerten Schweißmaschinen angewendet werden. Der Schweißablauf ist dann grundsätzlich wie folgt:

• a) Einspannen der Rohre in der Schweißvorrichtung,
• b) mechanisches Planhobeln der Schweißflächen,
• c) Einbringen des variablen Innenstopfens (mit verrin­ gertem Außendurchmesser),
• d) Positionierung der Rohrenden auf dem variablen In­ nenstopfen, wobei ein Spalt zwischen den beiden Rohrenden von etwa 8 bis 10 mm eingehalten wird (axiales Ausrichten),
• e) Aufweiten des Innenstopfens zur engen Anlage an bei­ den Rohrenden,
• f) Einbringen des Ringheizelementes,
• g) Beginn der Erwärmung, wobei erhitzter Stickstoff als inertes Gas über das Ringheizelement auf die Rohren­ den, vorzugsweise auf die Stoßflächen geblasen wird,
• h) nach Abschluß der Erwärmung werden die beiden Rohr­ enden unter Druck zusammengefügt, wobei sich der va­ riable Innenstopfen in seiner ausgefahrenen Position weiterhin an die Innenoberflächen der zu verschwei­ ßenden Rohrenden preßt.

Hierdurch wird beim Fügevorgang eine Innenwulstbildung vermieden. Nach Abkühlung der Schweißnaht wird der va­ riable Innenstopfen wieder in seinem Außendurchmesser verringert und zwar um einen Betrag von mindestens 2 bis 4 mm im Durchmesser. Dadurch kann er auf einfache Weise an seinem Druckluftschlauch oder einer anderen Verbindung aus dem verschweißten Rohr gezogen werden.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Aus­ führungsbeispiele sowie der schema­ tischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Teilschnitt durch zwei miteinander zu verschweißenden Rohr­ teil mit zugeordnetem Heizring;

Fig. 2 und 3 abgeänderte Ausführungsformen des Ge­ genstandes der Fig. 1;

Fig. 4 eine grundsätzliche Stirnansicht des Heizringes gemäß den Fig. 1 bis 3;

Fig. 5 bis 7 Querschnitte durch Ausführungsformen des Innenstopfens gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 8 eine Ansicht des Gegenstandes der Fig. 9 im Querschnitt in einer Ebene parallel zur Stirnansicht;

Fig. 9 bis 12 Querschnitte durch zwei weitere Aus­ führungsbeispiele rotationssymmetri­ scher Innenstopfen mit je einem Sili­ konring, der durch axiale Druckbeauf­ schlagung in seinem Außendurchmesser veränderbar ist.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 werden Rohrteile 1, 2 aus thermo­ plastischem Kunststoff unter Hinzuziehung eines Heizrin­ ges 3 sowie eines Innenstopfens 4 miteinander ver­ schweißt. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 3 wird über eine Leitung 5 erhitztes inertes Gas dem Heizring 3 zugeführt. Dieser ist über ein Gewinde 6 mit der Leitung 5 verbunden. Der Innenraum des Gewindes 6 steht mit einer umlaufenden Ringleitung 7 in Verbindung, die über Abzweigleitungen 8 in Austrittsdüsen 9 mündet, von denen das erhitzte Gas im wesentlichen auf die zu er­ hitzenden Stoßflächen der miteinander zu verschweißenden Rohrteile 1 und 2 auftrifft. Die Gasströmung ist mit den Pfeilen 10 angedeutet.

In Fig. 4 ist ein Heizring gemäß den Fig. 1 bis 3 in ei­ ner Stirnansicht gezeigt. Gleiche Teile sind dort mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Fig. 4 ergibt, daß der Heizring kreisförmig ausgebildet ist. Bei seinem Ein­ satz umschließt er die Rohrteile 1 und 2 und den darin angeordneten Innenstopfen 4 vollständig. Zur besseren Handhabbarkeit ist der Heizring 3 geteilt und entspre­ chend dem Pfeil 11 auseinanderklappbar. In der Regel sind seine beiden Teile an der dem Pfeil 11 gegenüberliegenden Ende aneinander angelenkt, so daß nach Auseinanderklappen beider Teile der Heizring auf einfache Weise um die zu verschweißenden Rohrteile 1 und 2 herum angeordnet werden kann.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Heizringe, die so dimensio­ niert sind, daß sie in den zwischen den beiden Rohrteilen 1 und 2 vor dem Verschweißen gebildeten Spalt hineinra­ gen. Hierdurch kommt es zu einer besonders intensiven und gezielten Wärmeübertragung im Bereich der beiden mitein­ ander zu verschweißenden Stoßflächen der Rohrteile 1 und 2. Auch der Heizring 3 nach Fig. 3 weist eine gegenüber dem Stand der Technik noch wesentlich gesteigerte präzise Aufbringung der Wärmeenergie auf einen lokal begrenzten Bereich bei­ der Stoßflächen auf, so daß auch dieses Ausfüh­ rungsbeispiel erheblich geringere Schweißzei­ ten gegenüber dem Stand der Technik erbringt.

Die Fig. 5 bis 12 zeigen Innenstopfen 4, wie sie mit be­ sonderem Vorteil hinsichtlich Schweißzeit und Qualität der Schweißnaht in Verbindung mit dem Heizring 3 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz gelangen.

Der Heizring 3 besteht aus einem Kernteil 12 und - wie Fig. 8 zeigt - aus vier Segmentteilen 13, wobei letztere zur Veränderung des Außendurchmessers des Innenstopfens 4 radial verschieblich über ein Fußteil 15 in korrespondie­ renden Ausnehmungen 16 des Kernteils 12 gelagert sind. Diese Ausbildung gilt gleichermaßen für die Gegenstände der Fig. 5 bis 8. Auch sind deren Segmente 13 an den ih­ ren beiden Stirnseiten 14 zugewandten Enden jeweils bal­ lig ausgeführt. Sämtliche Segmente eines Innenstopfens, deren Zahl natürlich von der Zahl vier abweichen kann, sind von einem Schlauch 17 aus einem Silikon umschlossen, der den Radialbewegungen der Segmentteile 13 folgt.

Die Betätigung der Segmentteile 13 erfolgt bei den drei Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5, 6 und 7 auf ver­ schiedene Weise.

Fig. 8 zeigt einen Druckluftkanal 18, über den Druck in die Ausnehmung 16 geleitet und das Segmentteil 13 ent­ sprechend nach außen oder innen bewegt werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist im Bereich der Nabe des Kernteils 12 ein elektrisch erregbarer Magnet vorgesehen. Ihm liegen an den Fußteilen 15 der Segment­ teile 13 Permanentmagneten gegenüber. Durch Erregung des Elektromagneten kommt es zum Abstoßen oder Anziehen der mit den Dauermagneten versehenen Segmenten 13 und einer entsprechenden Vergrößerung oder Verkleinerung des Außen­ umfangs des Innenstopfens 4.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 und 8 sind in den Ausnehmungen 16 Federn vorgesehen, die die Segmente 13 gegen den Silikonschlauch 14 vorspannen und von dort eindrückbar sind.

Die ballige Ausführung des Außenumfangs des Innenstopfens 4 im Bereich der Enden 14 erleichtert insbesondere das Ein- und Ausführen der Ausführungsform des Innenstopfens 4 gemäß Fig. 7 und 8 mit Bezug auf die zu verbindenden Rohrteile 1 und 2.

In den Fig. 10 und 12 ist ein Kunststoffelement 20 in Form eines im Querschnitt viereckigen Ringes, vorzugs­ weise aus Silikonmaterial, im entspannten Zustand ge­ zeigt. Werden die beiden Gehäuseteile 21, 22 aufeinander zubewegt, so wird Druck auf das Kunststoffelement 20 aus­ geübt, wodurch es sich in seinem Außendurchmesser vergrö­ ßert und an der Oberfläche ballig verformt; vgl. Fig. 11 bzw. 13.

Die Relativbewegung der beiden Gehäuseteile 21 und 22 er­ folgt gemäß Fig. 9 und 10 dadurch, daß über eine Leitung 23 ein Fluid, vorzugsweise wiederum Druckluft, in eine Kammer 24 geleitet wird. Hierdurch wird das Volumen der Kammer 24 vergrößert und Druck auf das Kunststoffelement 20 ausgeübt; vgl. Fig. 9 Zum Entspannen des Kunststoff­ elementes 20 wird die Druckluftzufuhr über die Leitung 23 unterbrochen und Fluid über die Leitung 25 aufgebracht. Hierdurch kommt es zu einer Vergrößerung der Kammer 26 und zu einer Entspannung des Kunststoffelementes 20; vgl. Fig. 10.

In vergleichbarer Weise erfolgt die Veränderung des Kunststoffelementes 20 gemäß in Fig. 11 und 12. Die Ver­ änderung der Stellung der beiden Gehäuseteile 21 und 22 zueinander und somit die Beaufschlagung des Kunststoff­ elementes 20 erfolgt über die Betätigung eines Bowdenzugs 28, der aus dem Kunststoffrohr herausgeführt ist. Dadurch kommt es auch zu einer Veränderung der Größe der Kammer 27.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Verschweißen von thermoplastischen Kunststoff­ rohrteilen (1, 2) im wesentlichen gleichen Durchmessers durch Erhitzen der En­ den der zu verschweißenden Rohrteile (1, 2) mittels eines Heizringes (3) unter Einführung eines Innenstopfens (4) in die Rohrteile (1, 2) im Bereich der zu er­ zeugenden Schweißnaht, wobei die Rohrteile (1, 2) im wesentlichen axial fluch­ tend unter Bildung eines Spaltes mit Abstand zueinander auf dem Innenstopfen (4) angeordnet sind und Heißluft im wesentlichen radial über den Heizring (3) von außen zum Erweichen der den Spalt bildenden Rändern der Rohrteile (1, 2) zu­ führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Heißluft führende Heizring (3) mit Abstand zu den zu verschweißenden Rohrteilen (1, 2) angeordnet und die Heißluft auf den Bereich der einander gegenüberliegenden Enden der Rohrteile (1, 2) lenkbar ist, und daß der Durchmesser des Innenstopfens (4) in radialer Richtung veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring (3) im Bereich seines Innendurchmessers teilweise in den Spalt ragt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring (3) im Bereich des Spaltes mit Gasaustrittsöffnungen (9) versehen ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizring (3) in zwei Teile unterteilt ist, die einenends aneinander angelenkt sind.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenstopfen (4) mehrere radial verstellbare Segmenttei­ le (13) aufweist, die mit einem Kunststoff höherer Erweichungstemperatur als die zu verschweißenden Rohrteile (1, 2) beschichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentteile (13) ebenso wie ein Kernteil (12), in dem sie verschiebbar gelagert sind, aus Metall, wie Aluminium, gefertigt sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihrem Außenumfang den Außenumfang des Innen­ stopfen (4) bildenden Segmentteile (13) an ihren beiden Stirnflächen ballig ausge­ führt sind.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentteile (13) von einem Silikonschlauch (17) um­ geben sind.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentteile (13) Fußteile (15) aufweisen, mit denen sie verschiebbar in korrespondierenden Ausnehmungen (16) im Kernteil (12) gelagert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentteile (13) unter Federkraft im Kernteil (12) verschiebbar gelagert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Kernteil (12) ein oder mehrere Elektromagnete vorgesehen sind, denen an den Fußteilen (15) der Segmentteile (13) angeordnete Dauermagnete zugeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in ei­ nen zwischen Fußteil (15) und Kernteil (12) vorgesehenen Raum (16) ein Fluid, wie Druckluft, einleitbar und von dort abführbar ist.