DE4444914A1 - Kunststoff-Schweißverbindung - Google Patents

Kunststoff-Schweißverbindung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Schweißfitting für Kunststoffrohre mit einer Außen-Kunststoffschicht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Schweißver­ bindung zwischen einem Kunststoff-Anschlußkörper und einem Kunststoffrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Verbinden eines Kunststoff- Fittings mit einem Kunststoffrohr. Insbesondere be­ trifft die Erfindung den Fall, daß das Kunststoffrohr ein Mehrschicht-Verbundrohr mit einer Metallschicht als Dampfsperre und mindestens einer Außen-Kunststoff­ schicht um die Metallschicht herum ist.
Kunststoff-Schweißfittinge und Schweißverbindungen zwi­ schen derartigen Fittingen und Kunststoffrohren sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt. So sind beispielsweise in DE-U1 94 01 411.6, DE-U1 87 03 524, DE-C1 32 26 575, DE-C2 28 54 618 und DE-A1 20 15 632 Kunststoff-Schweißfittinge beschrieben, die einen Auf­ nahmeraum in einem Anschlußkörper zur Aufnahme eines Endes des Verbundrohres aufweisen. An der Innenseite des Aufnahmeraumes ist ein insbesondere elektrisches Heizelement meist in Form einer Heizwendel angeordnet. Das Heizelement liegt direkt an der Außenseite des Kunststoffrohres an. Beim Stromdurchfluß durch das Heizelement werden der Anschlußkörper und das Kunst­ stoffrohr plastifiziert, wobei es zu einer Verbindung der Materialien des Anschlußkörpers und des Kunststoff­ rohres kommt.
Ferner sind Kunststoff-Schweißfittinge bekannt, bei denen zwischen dem Heizelement und dem Kunststoffrohr noch Kunststoffmaterial vorhanden ist, das Heizelement also sozusagen in Kunststoffmaterial eingebettet ist. Beispiele für diese Art von Kunststoff-Schweißfittingen finden sich in DE-A1 33 07 161, DE-A1 35 27 806, DE-A1 37 20 577, EP-A1 0 035 750, EP-B1 0 036 963, EP-B1 0 076 460, EP-B1 0 115 623, EP-B1 0 253 966, EP-B1 0 257 283 und EP-A1 0 467 309.
Bei sämtlichen bekannten Kunststoff- Schweißfittingen ist es erforderlich, daß sich die beiden miteinander zu verbindenden Flächen von Fitting und Kunststoffrohr berühren, um miteinander verschweißt zu werden. Das setzt relativ geringe zulässige Maßtoleranzen von Kunststoff-Schweißfitting und Kunststoffrohr voraus, was sich in erhöhten Herstellungskosten niederschlägt. Ferner besteht bei Schweißverbindungen der hier in Rede stehenden Art stets die Gefahr, daß die Schweißverbin­ dung infolge von Zugbelastungen reißt. Vorkehrungsmaß­ nahmen dagegen sind, soweit bekannt, bisher nicht ge­ troffen worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kunst­ stoff-Schweißverbindung zwischen einem Kunststoff- Schweißfitting und einem Kunststoffrohr anzugeben, die unter Ausgleich von Maßtoleranzen eine zuverlässige Verschweißung mit gleichzeitiger Zugentlastung gewähr­ leistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorge­ schlagen, den Kunststoff-Schweißfitting und das von diesem aufgenommene Kunststoffrohr im plastifizierten Zustand beider miteinander zu verpressen, und zwar unter plastischer Verformung sowohl des Kunststoff- Schweißfittings als auch des Kunststoffrohres.
Der mit der Erfindung vorgeschlagene Kunststoff- Schweißfitting weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf, während die erfindungsgemäße Schweißverbindung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gekennzeichnet ist. Die einzelnen Verfahrensschritte zum Verbinden eines Kunst­ stoff-Fittings mit einem Kunststoffrohr durch Ver­ schweißen beider miteinander sind im einzelnen im An­ spruch 17 angegeben. Die Merkmale vorteilhafter Ausge­ staltungen dieser drei Gegenstände sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.
Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ist die mecha­ nische Verpressung von Kunststoff-Schweißfitting und Kunststoffrohr dann, wenn beide infolge einer Erwärmung durch das elektrische Heizelement sich im plastifizier­ ten Zustand befinden. In diesem Zustand lassen sich sowohl der Kunststoff-Schweißfitting als auch das Kunststoffrohr plastisch verformen, d. h. unter bleiben­ der Verformung verpressen. Im plastisch verformten Zu­ stand erfolgt dann die Auskühlung. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Verpressung um eine Ringver­ pressung. Zur Beibehaltung der erfindungsgemäß vorge­ sehenen Verpressung sind keinerlei mechanische oder anderweitige Mittel (z. B. Schellen, Manschetten o. dgl.) erforderlich, die die Verformung aufrechterhalten und den Fitting unter (radialer) Spannung halten. Die blei­ bende Verformung von Fitting und Rohr wird also ohne dauerhaft an der Verbindung vorgesehene Hilfsmittel erzielt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verpressung
  • - werden alle Maßtoleranzen von Schweißfitting und Kunststoffrohr egalisiert,
  • - wird die Verschweißung von Schweißfitting und Kunststoffrohr durch Druck zusätzlich verdichtet und
  • - erfolgt gleichzeitig eine Zugentlastung zur Ent­ lastung der Schweißverbindung infolge insbesondere axialer Kräfte zwischen Schweißfitting und Rohr.
Zweckmäßigerweise bestehen der Kunststoff-Schweißfit­ ting und das Kunststoffrohr zumindest in denjenigen Bereichen, in denen sie miteinander verschweißt werden sollen, aus dem gleichen Kunststoffmaterial, bei dem es sich insbesondere um Polyethylen handelt.
Die erfindungsgemäße Schweißverbindung läßt sich insbe­ sondere bei Mehrschicht-Verbundrohren einsetzen, bei denen als Dampfsperre eine Metallschicht und eine Außen-Kunststoffschicht vorgesehen ist. Zusätzlich kann die Metallschicht auch innen von einer (Innen-)Kunst­ stoffschicht überdeckt sein, wodurch sich ein dreilagi­ ger Aufbau des Mehrschicht-Verbundrohres ergibt. Die Verbindung zwischen den Kunststoffschichten und der Metallschicht erfolgt durch Haftvermittler, bei dem es sich ebenfalls um Polyethylen handelt. Die Schwierig­ keit beim Verschweißen derartiger Verbundrohre besteht darin, daß die Außen-Kunststoffschicht nur eine relativ geringe Stärke von ca. 1 mm aufweist. Bei der Erwärmung dieser Außen-Kunststoffschicht kann sich die Schicht von der Metallschicht lösen, wenn der Haftvermittler zu stark erwärmt wird. Daher ist gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen, das Heizelement nicht direkt mit der Außen-Kunststoffschicht des Verbundrohres in Kon­ takt treten zu lassen; vielmehr wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich zwischen der Außen-Kunststoff­ schicht und dem Heizelement noch Kunststoffmaterial des Schweißfittings befindet. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß das Heizelement integraler Be­ standteil des Schweißfittings ist, etwa dergestalt, daß der Kunststoff-Schweißfitting ein Spritzgußteil ist und daß das Heizelement von dem Material des Schweißfit­ tings bei der Herstellung umspritzt wird.
Für die Dimensionierung des Heizelements gilt, daß im Berührungsbereich zwischen Schweißfitting und Kunst­ stoffrohr eine ausreichende Plastifizierung der Mate­ rialien entsteht, und im übrigen Bereich des Schweiß­ fittings dieser derart stark erwärmt wird, daß er sich verpressen läßt. Bei einem Verbundrohr gilt dann zu­ sätzlich noch, daß die Haftvermittlerschicht zwischen der Außen-Kunststoffschicht und der Metallschicht des Verbundrohres nicht derart stark erwärmt wird, daß es zu einem Ablösen der Außen-Kunststoffschicht von der Metallschicht kommt.
Um im Bereich der Verpressung über die gesamte Wand­ stärke des Schweißfittings eine sowohl für die Ver­ schweißung als auch für die Verformung ausreichende Plastifizierung des Schweißfittings zu erreichen, wird das Heizelement derart dimensioniert, daß seine Heiz­ leistung pro Flächen- bzw. Volumenelement im Gegensatz zum übrigen Verschweißungsbereich erhöht ist. Zweck­ mäßigerweise wird dies bei Ausgestaltung des Heiz­ elements als Heizwendel dadurch erreicht, daß die Heiz­ wendel im Verpressungsbereich stärker gewickelt wird als im übrigen Verschweißungsbereich und/oder im Ver­ pressungsbereich eine oder mehrere zusätzliche Wicklun­ gen vorgesehen werden.
Vorzugsweise ist der Schweißfitting mit einem Innen­ anschlag versehen, der das Einstecken des Kunststoff­ rohres begrenzt. Vorteilhaft ist es, wenn dieser An­ schlag als axial offener Ringraum ausgebildet ist, das vordere Ende des Verbundrohres also sowohl außen als auch innen von Kunststoffmaterial des Schweißfittings umschlossen ist. Dies hat den Vorteil, daß die Stirn­ ringseite des Verbundrohres vor Fluid, das bei fertiger Installation Schweißfitting und Verbundrohr passiert, geschützt ist, was wiederum insbesondere dann von Vor­ teil ist, wenn es sich bei dem Kunststoffrohr um ein Verbundrohr mit Metallschicht handelt.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung, die einen Kunst­ stoffrohr-Verbinder im Längsschnitt zeigt, ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Der Schweißfitting 10 weist einen hülsenförmigen An­ schlußkörper 12 aus Polyethylen auf. Die Wandung des Anschlußkörpers 12, der an seinen beiden axialen Enden offen ist, umgibt zwei Aufnahmeräume 14, die mitein­ ander durch einen Durchlaß 16 verbunden sind. Der Durchlaß 16 ist zwischen den beiden Aufnahmeräumen 14 angeordnet und ist durch einen im Längsschnitt T-förmi­ gen umlaufenden Innenvorsprung 18 gebildet, der inte­ graler Bestandteil des Anschlußkörpers 12 ist. Der T- förmige Vorsprung 18 ist über seinen radial verlaufen­ den Abschnitt 20 mit der Innenseite des Anschlußkörpers 12 verbunden. An den radialen Abschnitt 20 schließt sich ein axial verlaufender Abschnitt 22 an, der in beiden axialen Richtungen über den radialen Abschnitt 20 übersteht. Zwischen jeweils einem Überstand des axialen Abschnitts 22 und der Wandung des Anschlußkör­ pers 12 bildet sich dadurch ein Ringraum 24, der je­ weils einem Aufnahmeraum 14 zugeordnet ist und zum je­ weiligen axialen Ende des Anschlußkörpers 12 hin offen ist.
Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, sind in die Wan­ dung des Anschlußkörpers 12 zwei Heizwendeln 26 mit nach außen geführten Anschlüssen 28 eingebettet. Jede Heizwendel 26 ist dabei einem Aufnahmeraum 14 zugeord­ net. Die Heizwendeln 26 erstrecken sich über eine be­ stimmte axiale Länge der beiden Aufnahmeräume 14; diese axiale Länge bestimmt den Schweißbereich 30, innerhalb dessen die Verschweißung zwischen Fitting und Kunst­ stoffrohr erfolgt. In einem axialen Bereich, der kürzer ist als der Schweißbereich 30, ist jede Heizwendel 26 dichter als im übrigen Bereich und darüber hinaus zwei­ lagig gewickelt, wohingegen im übrigen Bereich die Heizwendel 26 lediglich einlagig gewickelt ist. Dieser schmalere Bereich bestimmt den Verpressungsbereich, der in der Zeichnung bei 32 angedeutet ist.
Wie im linken bzw. unteren Teil der Zeichnung darge­ stellt, wird in den betreffenden Aufnahmeraum 14 des Anschlußkörpers 12 das Ende eines anzuschließenden Mehrschicht-Verbundrohres 34 eingesteckt. Das Mehr­ schicht-Verbundrohr 34 weist eine mittlere Metall­ schicht 36 als Diffusionsbarriere, eine Außen-Kunst­ stoffschicht 38 aus Polyethylen und eine Innen-Kunst­ stoffschicht 40 ebenfalls aus Polyethylen auf. Bei dem Material der Metallschicht 36 handelt es sich vorzugs­ weise um Aluminium. Das Mehrschicht-Verbundrohr 34 wird so weit in den Aufnahmeraum 14 eingehoben, bis sein vorderes Ende 42 gänzlich in den Ringraum 24 einge­ taucht ist und an dem radialen Abschnitt 20 des T- förmigen Innenvorsprungs 18 anliegt. In diesem Zustand wird die betreffende Heizwendel 26 mit elektrischer Energie versorgt, um ihrerseits diese in Wärmeenergie umzusetzen. Die Positionierung der Heizwendel 26 inner­ halb der Wandung des Anschlußkörpers 12, insbesondere der Abstand zur Innenseite des Aufnahmeraums 14 ist derart gewählt, daß die dünne Außen-Kunststoffschicht 38 des Verbundrohres 34 plastifiziert wird, ohne daß die (in der Zeichnung nicht dargestellte) dünne Haft­ vermittlerschicht zwischen der Außen-Kunststoffschicht 38 und der Metallschicht 36 angegriffen wird. Auch das Material des Anschlußkörpers zwischen Heizwendel 26 und der Innenfläche des Aufnahmeraums 14 wird plastifi­ ziert. Im Bereich der Verpressung 32 erfolgt wegen der höheren Heizleistung der Heizwendel 26 pro Volumen­ bzw. Flächenelement eine etwas stärkere Plastifizierung des Materials des Anschlußkörpers 12; in diesem Bereich werden dann nach der Verschweißung oder während dersel­ ben der Fitting 10 und das Verbundrohr 34 mechanisch verpreßt, und zwar in Form einer Ringpressung. Diese mechanische Verformung erfolgt bei plastifiziertem Fit­ ting 10 und Verbundrohr 34, womit die Verpressung eine bleibende Verformung beider Elemente (Fitting und Ver­ bundrohr) zur Folge hat. In diesem Zustand kühlt die Verbindung dann ab. Durch die umlaufende kreisrunde Außenverpressung wird das plastifizierte Kunststoff­ material von Anschlußkörper 12 und Außen-Kunststoff­ schicht 38 des Verbundrohres 34 zusätzlich verdichtet, was die Verschweißung verbessert. Überdies gewähr­ leistet die hier vorgestellte Verpressung eine Zugent­ lastung, die ein ungewolltes Reißen bzw. Scheren der Schweißverbindung verhindert. Schließlich hat die Ver­ pressung auch den Vorteil, daß die Maßtoleranzen zwi­ schen dem Innendurchmesser der Aufnahmeräume 14 des Fittings 10 und dem Außendurchmesser des Verbundrohres 34 egalisiert, d. h. ausgeglichen werden können; Unter­ schiede in den zuvor genannten Durchmessern wirken sich also nicht mehr nachteilig auf die Schweißverbindung aus.

Claims (17)

1. Kunststoff-Schweißfitting für Kunststoffrohre mit einer Außen-Kunststoffschicht und insbesondere für Mehrschicht-Verbundrohre mit einer Metallschicht und mindestens einer Außen-Kunststoffschicht um die Metallschicht herum, mit
  • - einem Anschlußkörper (12), an den das Kunst­ stoffrohr (34) anschließbar ist,
  • - einem Aufnahmeraum (14) im Anschlußkörper (12) zur Aufnahme eines Endes des Kunststoffrohres (34) und
  • - einem insbesondere elektrischen Heizelement (26) zum Erwärmen des Anschlußkörpers (12) im Bereich des Aufnahmeraums (14) zwecks bereichs­ weiser Plastifizierung des Materials des An­ schlußkörpers (12) und der Außen-Kunststoff­ schicht (38) des Kunststoffrohres (34), dadurch gekennzeichnet
  • - daß im plastifizierten Zustand der Außen-Kunst­ stoffschicht (38) und des Anschlußkörpers (12) derselbe unter plastischer Verformung sowohl des Kunststoffrohres (34) als auch des An­ schlußkörpers (12) verpreßbar ist.
2. Kunststoff-Schweißfitting nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpressung eine Ringver­ pressung (32) ist.
3. Kunststoff-Schweißfitting nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (26) in der den Aufnahmeraum (14) begrenzenden Wandung des Anschlußkörpers (12) integriert ist.
4. Kunststoff-Schweißfitting nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußkörper (12) ein Spritzgußteil ist und daß das Heizelement (26) von dem Material des Anschlußkörpers (12) umspritzt ist.
5. Kunststoff-Schweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz­ element (26) im Bereich der Verpressung (32) eine erhöhte Heizenergie erzeugt.
6. Kunststoff-Schweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz­ element (26) eine Heizwendel ist.
7. Kunststoff-Schweißfitting nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (26) im Bereich der Verpressung (32) dichter gewickelt ist als im übrigen Bereich (30) und/oder eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen aufweist.
8. Kunststoff-Schweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß­ körper (12) in dem Aufnahmeraum (14) einen axial offenen Ringraum (24) aufweist, in den bei von dem Aufnahmeraum (14) aufgenommenem Kunststoffrohr (34) dessen Ende eingetaucht ist.
9. Schweißverbindung zwischen einem Kunststoff- Schweißfitting mit einem Anschlußkörper und einem Kunststoffrohr mit einer Außen-Kunststoffschicht und insbesondere einem Mehrschicht-Verbundrohr mit einer Metallschicht und mindestens einer Außen- Kunststoffschicht, mit
  • - einem Aufnahmeraum (14) im Anschlußkörper (12) zur Aufnahme des Kunststoffrohres (34), wobei die den Aufnahmeraum (14) begrenzende Wandung des Anschlußkörpers (12) die Außen-Kunststoff­ schicht (38) des Kunststoffrohres (34) umgibt, und
  • - einem insbesondere elektrischen Heizelement (26) zum Erwärmen des Anschlußkörpers (12) im Bereich des Aufnahmeraums (14) zwecks bereichs­ weiser Plastifizierung des Materials des An­ schlußkörpers (12) und der Außen-Kunststoff­ schicht (38) des Kunststoffrohres (34), dadurch gekennzeichnet
  • - daß der Anschlußkörper (12) und das Kunststoff­ rohr (34) im plastifizierten Zustand beider miteinander verpreßbar sind, und zwar unter bleibender Verformung von sowohl dem Anschluß­ körper (12) als auch dem Kunststoffrohr (34) in einem Verpressungsbereich (32).
10. Schweißverbindung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verpressung eine Ringverpressung (32) ist.
11. Schweißverbindung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (26) in der den Aufnahmeraum (14) begrenzenden Wandung des Anschlußkörpers (12) integriert ist.
12. Schweißverbindung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anschlußkörper (12) ein Spritzgußteil ist und daß das Heizelement (26) von dem Material des Anschlußkörpers (12) umspritzt ist.
13. Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (26) im Bereich der Verpressung (32) eine erhöhte Heizenergie erzeugt.
14. Kunststoff-Schweißfitting nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz­ element (26) eine Heizwendel ist.
15. Kunststoff-Schweißfitting nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (26) im Bereich der Verpressung (32) dichter gewickelt ist als im übrigen Bereich (30) und/oder eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen aufweist.
16. Kunststoff-Schweißfitting nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ schlußkörper (12) in dem Aufnahmeraum (14) einen axial offenen Ringraum (24) aufweist, in den bei von dem Aufnahmeraum (14) aufgenommenem Kunst­ stoffrohr (34) dessen Ende eingetaucht ist.
17. Verfahren zum Verbinden eines Kunststoff-Fittings mit einem Kunststoffrohr mit einer Außen-Kunst­ stoffschicht und einer Metallschicht und einer Außen-Kunststoffschicht um dieser herum, bei dem
  • - das Kunststoffrohr (34) in den Fitting (10) eingeschoben wird,
  • - der Fitting (10) bereichsweise erwärmt wird, wobei der Fitting (10) und die Außen-Kunst­ stoffschicht (38) des Kunststoffrohres (34) in den plastifizierten Zustand überführt werden,
  • - der bereichsweise plastifizierte Fitting (10) und das bereichsweise plastifizierte Kunst­ stoffrohr (34) unter bleibender plastischer Verformung von Fitting (10) und Kunststoffrohr (34) mittels eines Preßwerkzeuges miteinander verpreßt werden und
  • - der Fitting (10) sowie das Kunststoffrohr (34) anschließend abkühlen, insbesondere ohne daß dabei noch auf dem Fitting (10) und das Kunst­ stoffrohr (34) eine Verpressungskraft einwirkt.
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