DE69928025T2

DE69928025T2 - Vorrichtung zum schweissen ohne erzeugung von wülsten

Info

Publication number: DE69928025T2
Application number: DE69928025T
Authority: DE
Inventors: J. Michael JOHNSON; J. Jeffrey MCKENZIE
Original assignee: Entegris Inc
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1999-04-18
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: DE69928025D1; EP1202853A1; US6629551B1; JP2002542071A; GB2374312B; GB0127530D0; WO2000063002A1; EP1202853B1; GB2374312A; AU4866599A; EP1202853A4

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen von thermoplastischen röhrenförmigen Endabschnitten. Diese Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, die insbesondere zum Schweißen von PFA (Perfluoralkoxy) geeignet sind.
Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um die Enden von thermoplastischen Röhren oder Rohrleitungen miteinander durch Schweißen zu verbinden. Das US-Patent Nr. 3.013.925 offenbart das Einsetzen einer beheizten Platte zwischen den Enden von ausgerichteten Röhren und das Bewirken, dass die Röhren an der beheizten Platte anliegen, um den Kunststoff zu schmelzen, woraufhin die Platte entfernt wird und die Röhren durch Druckbeaufschlagung gegeneinander gepresst werden, bis das Schweißen erfolgt ist, wobei der thermoplastische Werkstoff beim Kühlen härtet. Die US-Patente Nr. 5.037.500; 4.792.374 und 5.484.506 offenbaren jeweils elektrisch betriebene äußere Heizeinrichtungen, bei denen aneinander stoßende röhrenförmige Enden am Umfang erhitzt werden, um die Enden miteinander zu verschweißen.
Das US-Patent Nr. 4.929.293 an Osgar verwendet die Anordnung einer Infrarot-Heizplatte zwischen den zu verbindenden röhrenförmigen Endabschnitten, die diese nicht berührt. Die Infrarot-Heizplatte wird entfernt und die Rohrverbindungsstücke werden dann in gegenseitigen Eingriff gebracht, um die Schweißverbindung zu erzeugen. Obwohl eine derartige Prozedur bei PFA und anderen Kunststoffen, die durch Schmelzen verarbeitet werden können, eine Schweißverbindung mit hoher Festigkeit erzeugt, bewirkt eine derartige Schweißverbindung typischerweise eine Verformung oder eine Schweißraupe an den inneren und/oder äußeren Oberflächen der miteinander verbundenen röhrenförmigen Endabschnitte.
Bei vielen Anwendungen ist es unzulässig, dass in den miteinander verbundenen Rohren insbesondere an der inneren Oberfläche Verformungen vorhanden sind. Bei hygienisch reinen Systemen, die in der Nahrungsmittelverarbeitungsindustrie und der pharmazeutischen Industrie verwendet werden, fordern die Normen der US-Verordnungen 7 C. F. R. §58.128, dass eine Rohrleitung glatt ist, eine laminare Strömung von Fluiden ermöglicht und keine Diskontinuitäten aufweist, die Partikel einfangen könnten.
Herkömmlich sind in hygienisch reinen Systemen Rohrleitungen und Röhren aus Edelstahl verwendet worden. Auf Grund der Korrosion, der Kosten und weiterer Probleme werden jedoch gegenwärtig in derartigen Systemen häufiger Röhren und Rohrleitungen aus Kunststoff verwendet, wobei PFA die besonderen Vorteile von hoher chemischer Reaktionsträgheit und der hohen Temperaturfestigkeit bei Reinigungs- und Desinfektionstemperaturen besitzt.
Den Patentanmeldern ist kein Schweißsystem durch konduktive Wärme bekannt, bei dem ein Umfangskontakt mit aneinander stoßenden röhrenförmigen Enden besteht und das sich zum Schweißen von PFA als geeignet erwiesen hat. Das ist der Fall auf Grund der Schwierigkeiten, die mit den höheren Schmelztemperaturen von PFA (etwa 310°C (590°F)) und den Eigenschaften von PFA verbunden sind. Geschmolzenes PFA haftet z. B. an vielen unterschiedlichen Werkstoffen an, die gewöhnlich in Schweißvorrichtungen verwendet werden. Ein derartiges Anhaften kann die gesamte Schweißnaht beschädigen und kann bei der Schweißausrüstung wesentliche Betriebsprobleme verursachen. Das Erhitzen und Schmelzen von PFA erzeugt außerdem Fluorgas, das auf herkömmliche Werkstoffe, die in Ausrüstungen zum Schmelzschweißen verwendet werden, stark korrodierend wirkt. Gewöhnlicher Edelstahl wird z. B. rasch zerfressen, wenn er Fluorgas ausgesetzt wird. Außerdem dehnt sich PFA beim Schmelzen aus und kann dann, wenn es eingezwängt wird, äußerst hohe Drücke entwickeln, die bewirken, dass PFA aus dem Schweißbereich in Spalten oder an anderen unerwünschten Stellen austritt.
Beim Schweißen von Kunststoffen, die bei höheren Schmelztemperaturen verarbeitet werden, wie etwa PFA, ist außerdem die verlängerte Zyklusdauer für einen Schweißvorgang problematisch. Die typischen allgemeinen Schritte für einen Schweißvorgang sind die Folgenden: 1. Positionieren der röhrenförmigen Endabschnitte, die zu verschweißen sind, in dem Schweißkopf; 2. Schließen des Schweißkopfes; 3. Erwärmen des Schweißkopfes und des Heizabschnitts; 4. Schmelzen und Verschweißen der Endabschnitte; und 5. Zulassen, dass der geschweißte Abschnitt abkühlt; sowie 6. Entnehmen der verschweißten Komponente aus dem Schweißkopf. Elektrisch beheizte Köpfe verwenden ein Paar von einteiligen Heizabschnitten, wovon sich jeder in Längsrichtung an den aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitten erstreckt und den Schmelzabschnitt der Endabschnitte vollkommen einschließt. Derartige herkömmliche Schweißabschnitte sind aus Edelstahl gebildet, der eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Dadurch ist es schwierig, die Schmelzzone zu isolieren und möglichst klein zu machen, was wiederum die Länge der Zyklusdauer beeinflusst. Darüber hinaus sind in herkömmlichen Vorrichtungen für Schweißraupen und Schweißnähte im Wesentlichen alle Komponenten aus Metall hergestellt. Das verlängert die Erwärmungsperiode sowie die Abkühlungsperiode. Bei den erhöhten Temperaturen, die bei PFA auftreten, verstärken sich diese Probleme.
Es sind Versuche unternommen worden, die Zyklusdauer beim Schweißen von thermoplastischen röhrenförmigen Endabschnitten zu verringern, indem z. B. Anordnungen zur Wärmeableitung sowie eine Zwangskühlung geschaffen wurden. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen und insbesondere von Edelstahl macht die Wirkung von derartigen Maßnahmen minimal, wobei zusätzliche Kühleinrichtungen die Kosten, die Komplexität sowie Wartungsprobleme vergrößern.
Es werden eine Schweißvorrichtung, ein System sowie ein Verfahren benötigt, um an röhrenförmigen Kunststoff-Endabschnitten, insbesondere aus PFA, durch elektrisches Heizen raupenlose Schweißnähte zu erzeugen. Es besteht darüber hinaus die Notwendigkeit der Verringerung der Zyklusdauer beim Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen.
Eine Aufgabe und ein Merkmal des Systems bestehen somit darin, eine leicht anpassungsfähige transportable oder Auftisch-Vorrichtung zum konduktiven Schweißen für verschiedene Größen von Rohrleitungen zu schaffen, die dann, wenn unterschiedliche Größen von Rohrleitungen geschweißt werden, keine Einstellung oder mechanische Manipulation der Rohrleitungshalterungen erfordert.
Eine weitere Aufgabe und ein Vorteil der speziellen Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, dass der Kontakt zwischen Metall und Rohrleitung stark minimiert oder eliminiert ist. Das ermöglicht die Verwendung von weniger Energie pro Schweißnaht, macht die Zyklusdauer minimal, beschleunigt das Erhitzen und Kühlen der röhrenförmigen Endabschnitte, hält die Außenseite der röhrenförmigen Endabschnitte in besserem Zustand und schafft eine Umgebung, die zum Schweißen von PFA sehr förderlich ist.
Eine Hauptaufgabe sowie ein Hauptvorteil von speziellen Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, dass die Schweißzone minimal gemacht wird, was kürzere Zyklusdauern zur Folge hat.
Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform schafft ein schichtförmig zusam mengesetzter Heizabschnitt einen starken Temperaturgradienten von der Schweißverbindungsstelle nach außen. Die aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte werden an einem mittigen beheizten Abschnitt mit verhältnismäßig geringer Dicke in der axialen Richtung in Bezug auf die röhrenförmigen Endabschnitte positioniert. Der mittige beheizte Abschnitt ist vorzugsweise aus zwei Halbabschnitten gebildet, wovon jeder einen halbzylindrischen Hohlraum aufweist. Die zwei halbzylindrischen Hohlräume bilden einen zylindrischen Hohlraum, der die aneinander stoßenden Endabschnitte umschließt, und können über ein Scharnier miteinander verbunden sein. Um den mittigen beheizten Abschnitt ist ein Paar von isolierenden sekundären Abschnitten sandwichartig angeordnet, die schichtförmig angrenzend an den mittigen Abschnitt angeordnet sind. Die sekundären Abschnitte besitzen in ähnlicher Weise halbzylindrische Hohlräume zum Aufnehmen der röhrenförmigen Endabschnitte.
Der mittige Abschnitt umfasst vorzugsweise einen Werkstoff mit einer bedeutend höheren Wärmeleitfähigkeit als die sekundären Abschnitte. Das ermöglicht ein rasches Erhitzen des mittigen erhitzten Abschnitts sowie ein langsameres Erhitzen der sekundären Abschnitte. Die sandwichartig angeordneten Abschnitte können in geeigneter Weise miteinander verklebt oder mechanisch verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Teil des Rohrkontaktabschnitts des Heizabschnitts, wie etwa die isolierenden sekundären Abschnitte, aus einem Kunststoff mit hoher Temperaturfestigkeit gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mittige erhitzte Abschnitt aus Kupfer gebildet, wobei an dem Rohrkontaktabschnitt eine Monelbeschichtung oder Monellage vorhanden ist. Alternativ können Keramiken an den sekundären Abschnitten verwendet werden. Der mittige Abschnitt und die äußeren Abschnitte können im Allgemeinen aus dem gleichen Werkstoff mit unterschiedlichen Wärmeleitcharakteristiken sein; z. B. ähnliche Keramiken mit einem großen Unterschied der Wärmeleitfähigkeiten, oder sie können aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen sein, wie etwa Kupfer oder Edelstahl für den mittigen Abschnitt und Kunststoff für die sekundären Abschnitte.
Der Heizkopf umfasst einen Körper mit einem Basisabschnitt, der einen ersten halbzylindrischen Hohlraum enthält, und einen Faltabschnitt, der einen zusammenwirkenden zweiten halbzylindrischen Hohlraum umfasst, um die aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte zu umschließen. Ein Heizabschnitt ist jeweils in den entsprechenden Körperabschnitten befestigt und ist so bemessen, dass er an der Außenfläche der röhrenförmigen Endabschnitte in einen enganliegenden Eingriff gelangt, um konduktive Wärme an die Verbindungsstelle abzugeben. Der Heizkopf besitzt ein Paar Schlitze angrenzend an die isolierenden sekundären Abschnitte, um ein Paar Klemmen aufzunehmen, die so beschaffen sind, dass sie die röhrenförmigen Endabschnitte, die verbunden werden sollen, ergreifen. Die Klemmen sind so beschaffen, dass sie jeweils die äußere zylindrische Oberfläche des Rohrabschnitts oder einen Flansch ergreifen, der mit den röhrenförmigen Endabschnitten von bestimmten Verbindungselementen/Komponenten einteilig ist. Die Klemmen gewährleisten somit eine Verbindungsflexibilität zwischen mit Flanschen versehenen röhrenförmigen Endabschnitten untereinander, zwischen Abschnitten ohne Flansche und mit Flanschen versehenen Abschnitten bzw. zwischen Abschnitten ohne Flansche untereinander. Darüber hinaus erzeugt jede der Klemmen an jedem der Endabschnitte einen einwärts gerichteten radialen Umfangsdruck, der wirkt, um das Einsatzstück an der Verwendungsstelle zu halten und die Zentrierung in den Endabschnitten an der Schweißverbindungsstelle während der Handhabung, der Anordnung im Schweißkopf und beim Schweißen aufrechtzuerhalten. Um eine Schweißung auszuführen, werden die Klemmen an den zu schweißenden röhrenförmigen Endabschnitten angelegt, ein Einsatzstück wird in den röhrenförmigen Endabschnitten eingesetzt und die Endabschnitte mit den angebrachten Klemmen werden anschließend in den Heizkopf eingesetzt. Die Klemmen sind vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Kunststoff gebildet, wie etwa ein Polyetheretherketon (PEEK). Ein derartiger Werkstoff besitzt eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, die viel geringer ist als die von Metallen, die herkömmlich in Schweißköpfen verwendet werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schweißkopfes gemäß der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Schweißkopfes an einer Tischbefestigung.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Rohrklemme in einem anfänglichen Eingriff an der zylindrischen äußeren Oberfläche eines röhrenförmigen Endabschnitts.
3a ist eine Aufrissansicht einer Rohrklemme.
3b ist eine Schnittansicht längs einer Linie 3b-3b von 3a, die eine Aussparung für einen Flansch in der Klemme veranschaulicht.
3c ist eine Schnittansicht längs einer Linie 3b-3b von 3a, die Zahnungen in der Klemme veranschaulicht.
4 ist eine Rohrklemme, die in einem anfänglichen Eingriff an einem mit Flansch versehenen röhrenförmigen Endabschnitt eines T-Anschlussstücks gezeigt ist.
5 ist eine perspektivische Ansicht der röhrenförmigen Endabschnitte und der Klemmen der 3 und 4, die aneinander anstoßen und bei denen eine Folie um die Verbindungsstelle gewickelt ist, wobei die Baueinheit zum Einsetzen in einen Schweißkopf bereit ist.
6 ist eine Schnittansicht eines Schweißkopfes mit aneinander stoßenden röhrenförmigen Abschnitten, Klemmen und eines darin befindlichen Einsatzstücks.
7 ist eine genaue Schnittansicht, die die Grenzfläche zwischen dem Heizabschnitt und den aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitten und der Verbindungsstelle zeigt.
8 ist eine Explosionsansicht der Hälfte eines Heizabschnitts.
8a ist eine perspektivische Ansicht der Hälfte des Heizabschnitts von 8 in zusammengebautem Zustand.
9 ist eine Schnittansicht durch den zusammengebauten Heizabschnitt längs einer Linie 9-9 von 8a.
10 ist eine Explosionsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Hälfte eines Heizabschnitts.
11 ist eine perspektivische Ansicht der Hälfte des Heizabschnitts von 10 in zusammengebautem Zustand.
12 ist eine Schnittansicht durch den zusammengebauten Heizabschnitt längs einer Linie 12-12 von 11.
13 ist eine Aufrissansicht einer Mehrzweck-Rohrhalterung.
14 ist eine Schnittansicht einer Schweißvorrichtung.
15 ist eine weitere Schnittansicht einer Schweißvorrichtung.
16 ist eine Aufrissansicht einer Rohrhalterung und eine Schnittansicht von Schweißköpfen, die das Konzept der anpassungsfähigen Datenpegel zeigt.
17 ist eine Darstellung, die relative Leistungspegel zeigt, die Gleichgewichtstemperaturen entsprechen und als Funktion der Zeit dargestellt sind, um einen Schweißzyklus zu veranschaulichen.
In den 1 und 2 sind ein einzelner Schweißkopf 22 sowie ein Schweißkopf 22 an der Verwendungsstelle in einem Aufnahmebereich 25 auf einer Auf tischbasis 23 dargestellt. Der Schweißkopf 22 umfasst prinzipiell einen Schweißkopfkörper 24 mit zwei Halbkörperabschnitten 26, 28, einen Heizabschnitt 32, der zwei Heizabschnitt-Halbsektionen 36, 38 umfasst, ein Scharnier 40, eine Kniehebelklinke 42 sowie einen Griff 44.
In den 3 und 4 sind ein Paar röhrenförmiger Endabschnitte gezeigt, an denen Rohrklemmen 50, 52 teilweise in Eingriff sind. Die 3a, 3b und 3c zeigen weitere Einzelheiten der Klemmen. Der röhrenförmige Endabschnitt 55 von 3 stellt das Ende eines herkömmlichen Rohrs dar und die Rohrklemme 50 verwendet mehrere kreisförmige Zahnungen 58 zum Ergreifen der äußeren Oberfläche 62 des Rohrs 64. Die Klemme besitzt ein Scharnier 65 sowie ein Paar Kniehebelklinken 66 zum Befestigen der Klemme an dem röhrenförmigen Endabschnitt. Die dargestellten Klemmen können in geeigneter Weise aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt sein.
In den 4 und 3b ist eine Rohrklemme gezeigt, die eine Aussparung 70 aufweist, die so bemessen ist, dass sie an einem Flansch 74 in Eingriff gelangt, der an den röhrenförmigen Endabschnitten 76 von bestimmten Formstücken einteilig vorhanden ist, wie etwa an dem T-Formstück 80, das in 4 gezeigt ist.
5 zeigt die röhrenförmigen Endabschnitte der 3 und 4, die aneinander stoßen, wobei ein Einsatzstück, das bei dieser Ansicht nicht sichtbar ist, an der Verbindungsstelle 80 der aneinander stoßenden Endabschnitte angeordnet ist. Die Verbindungsstelle ist mit einem Stück flexiblem undurchlässigen Lagenwerkstoff 84 bedeckt. Der Lagenwerkstoff kann in einem langgestreckten Streifen ausgebildet sein und durch einen Klebstoff, wie etwa ein Zyanacryl-Klebstoff, an den röhrenförmigen Endabschnitten befestigt sein. Die Streifen aus flexiblem undurchlässigen Lagenwerkstoff 84 sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Kapton^®-Lage des Typs HN mit einer Dicke von 0,05 bis 0,13 mm (0,002 bis 0,005 Zoll). Kapton ist ein eingetragenes Warenzeichen von DuPont Electronics und ist eine Polyamid-Lage. Weitere Typen von durchlässigen Lagenwerkstoffen, die die Schweißtemperaturen aushalten, können ebenfalls recht geeignet sein, z. B. sind Folien aus Edelstahl, Aluminium oder Nickel offenbar geeignet, um bei Bedarf die Schweißverbindungsstelle zu bedecken.
In den 5 und 1 ist die Baueinheit 99 der aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte in den halbzylinderförmigen Hohlraum 90 eingesetzt und gleichzeitig sind die Rohrklemmen in den Schlitzen 94 aufgenommen. Der obere Halbkörperabschnitt 26 wird geschlossen und wird nach unten auf die aneinander stoßenden Endabschnitte festgeklemmt. Siehe 2. Der Schweißkopf besitzt eine Versorgungsleitung 100 mit einem Verbinder 102, der mit einer Steuereinheit 106 verbindet, die den Schweißvorgang in geeigneter Weise steuern kann. Der röhrenförmige Endabschnitt 55 ist Teil eines Rohrabschnitts 110, der an das T-Formstück 80 angeschweißt werden soll. Eine einstellbare Mehrzweck-Rohrhalterung 112 hält den Rohrabschnitt. Der Schweißkopf von 2 ist so gezeigt, dass er von dem Griff 49 weggeschwenkt ist im Vergleich zu der alternativen Konfiguration des Scharniers neben dem Griff in 1.
In 6 ist eine Schnittansicht des Schweißkopfes und der Baueinheit aus röhrenförmigen Endabschnitten gemeinsam mit einem Einsatzstück dargestellt, um die Erzeugung einer inneren Schweißraupe zu verhindern. Außerdem sind die Anordnung sowie die Beziehungen der Rohrklemmen 50, 52 zu dem Schweißkopf sowie die Beziehung des Heizabschnitts 32, der den mittigen beheizten Abschnitt 120 enthält, zu den röhrenförmigen Endabschnitten und insbesondere zur Verbindungsstelle 80 dargestellt. Die zwei Heizabschnitt-Halbsektionen 36, 38 sind in den 7 bis 9 genauer dargestellt und umfassen den mittigen beheizten Abschnitt 120 und ein Paar sekundärer Isolierabschnitte 124, 126. Der Heizabschnitt 32 besitzt eine zylindrische Bohrung 127 und zwei axiale Seiten 128, 129. Eine herkömmliche Heizpatrone 130 passt in die Aussparung 132 in dem erweiterten Abschnitt 134 von jedem der mittigen beheizten Abschnitte. Wie aus 5 deutlich wird, nehmen die sekundären Isolierabschnitte das Ende des mittigen beheizten Abschnitts sandwichartig auf. Diese sekundären Abschnitte sind vorzugsweise aus einem Werkstoff, der eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der mittige beheizte Abschnitt besitzt. Dadurch wird ein Widerstand beim Temperaturausgleich der sekundären Abschnitte mit dem mittigen Abschnitt geschaffen und dadurch wird ein scharfer Temperaturgradient erzeugt, der die Größe der Schmelzzone begrenzt.
Die Klemmen 50, 52 sind so dargestellt, dass sie durch eine Druckkraft an den röhrenförmigen Endabschnitten auf jeder Seite des Einsatzstücks 136 einwärts gebogen sind. Das erleichtert die richtige Zentrierung des Einsatzstücks in der Baueinheit aus röhrenförmigen Endabschnitten. Darüber hinaus dient es dazu, die Baueinheit an der Verwendungsstelle sicher zu halten.
Die 8, 8a und 9 veranschaulichen eine geeignete Konfiguration für einen Heizabschnitt, der ebenfalls in 6 dargestellt ist.
In einer idealen Ausführungsform enthält der mittige beheizte Abschnitt 120 bearbeitetes Kupfer und kann eine Plattierung 142 aus Monel oder einem ähnlichen Werkstoff besitzen. Es hat sich erwiesen, dass Kupfer in geringem Umfang an dem geschmolzenen PFA anhaftet, wobei eine Edelstahlbeschichtung oder Monel dazu dient, ein derartiges Anhaften minimal zu machen. Im Idealfall können die sekundären Isolierabschnitte beispielsweise durch Bearbeitung von Hochtemperaturpolymeren, wie etwa Polyimid, gebildet werden. Polyimid der Marke Vespel^®, das von Boedeker Plastics, Inc., Shiner, Texas verfügbar ist und hergestellt wird, ist für die sekundären Abschnitte geeignet. Vespel besitzt einen Wert der Wärmeleitfähigkeit von 1,1970 W/mK (8,3 BTU in/ft²hr°F).
Ein alternativer geeigneter Werkstoff ist Celazole^® PBI (Polybenzimidazol), das von Boedeker Plastics, Inc., Shiner, Texas zur Verfügung steht. Celazole besitzt Werte der Wärmeleitfähigkeit von 0,3461 und 0,4038 W/mK (2,4 und 2,8 BTU in/ft²hr°F). Diese sind mit der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer von 2,730 BTU in/ft²hr°F vergleichbar. Diese speziellen Kunststoff-Werkstoffe besitzen außerdem einen hervorragenden Widerstand gegenüber dem Anhaften an den geschmolzenen Thermokunststoffen und insbesondere an PBT.
7 ist eine Darstellung der Schmelzzone 154. Die Schmelzzone ist so gezeigt, dass sie auf den mittigen erhitzten Abschnitt 120 zentriert ist und sich axial von dem erhitzten Abschnitt erstreckt, so dass sie angrenzend an die sekundären Abschnitte 124, 126 sowie in Kontakt mit diesen liegt. Die Größe der Schmelzzone kann variieren, wobei festgestellt wurde, dass für ein PFA-Rohr des Durchmessers 2,54 cm (1 Zoll) eine Schmelzzone von 0,64 cm (1/4 Zoll) geeignet ist. Es ist festgestellt worden, dass die Dicke des erhitzten Abschnitts an der Bohrung 127 mit 0,038 cm (0,015 Zoll), gemessen in der axialen Richtung, geeignet ist. Die Schmelzzone erstreckt sich bis zu dem Bereich, der an die sekundären Abschnitte angrenzt. Eine herkömmliche Ausrüstung zum konduktiven Heizen kann keine Isolation der Wärme gewährleisten, die an die Verbindungsstelle bereitgestellt wird, und die Schmelzzone in dem Maße steuern und begrenzen, dass es möglich ist, einen schichtförmigen Heizabschnitt bei einer optimalen Auswahl von Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten zu verwenden.
Außer der Verwendung von Kupfer als mittiger beheizter Abschnitt und von Hochtemperaturkunststoffen als sekundäre Abschnitte sind weitere Werkstoffe geeignet. Es stehen z. B. Keramiken zur Verfügung, die verhältnismäßig niedrige Wärmeleitfähigkeiten besitzen und für die sekundären Abschnitte geeignet sind bzw. höhere Wärmeleitfähigkeiten besitzen und für den mittigen Abschnitt geeig net sind. In den 10, 11 und 12 ist eine geeignete Konfiguration für einen derartigen Keramik-Heizabschnitt 160 offenbart. In diesem Fall könnte das Heizelement ein Draht 162 aus Edelstahl oder einem anderen Metall sein, der an dem mittigen beheizten Abschnitt 166, der den T-förmigen Querschnitt besitzt, mechanisch oder in anderer Weise in Eingriff ist. Dieser beheizte Abschnitt 166 befindet sich sandwichartig zwischen den sekundären Abschnitten 170, 172. Die Keramikabschnitte können in geeigneter Weise zusammengeklebt sein, um die einteilige Einheit zu bilden, die in den 11 und 12 gezeigt ist. Andere Werkstoffe können verwendet werden, die ähnliche Vorteile wie die oben erläuterten Vorteile besitzen könnten.
In den 2, 13, 14, 15 und 16 ist der Aspekt der Erfindung dargestellt, der die Mehrzweck-Rohrhalterungen und Schweißköpfe mit Rohrgrößenwertanpassung betrifft. Der Rohrgrößenwert 182 für unterschiedliche Rohrabmessungen ist entweder für die Rohrhalterung 186 mit der U-förmigen Rohrhalterungsfläche 188, die in 13 dargestellt ist, feststehend oder kann variieren, wenn eine Rohrhalterung 190 mit einer V-förmigen Rohrhalterungsfläche 192, die in 16 dargestellt ist, verwendet wird. Bei der V-förmigen Halterungsfläche für das Rohr der ersten Abmessung sitzt das Rohr 194 mit kleinerem Durchmesser bei einem ersten Größenwert 195 weiter unten in dem "V". Das Rohr der zweiten Abmessung, das Rohr 196 mit größerem Durchmesser, sitzt höher und definiert einen zweiten Größenwert 197. Bei der U-förmigen Fläche besitzen das Rohr 194 mit kleinerem Durchmesser und das Rohr 196 mit größerem Durchmesser den gleichen Größenwert 182. Sowohl die U-förmige als auch die V-förmige Oberfläche besitzen nach unten konvergierende Seitenflächen 198.
In den 14 und 15 sind ein erster und ein zweiter Schweißkopf 199, 200 gezeigt, die für die erste bzw. zweite Rohrabmessung und die U-förmige Mehrzweck-Rohrhalterung 186 geeignet sind. In 16 sind die oberen Abschnitte 201, 203 des ersten und des zweiten Schweißkopfes jeweils für die erste bzw. die zweite Rohrabmessung und die V-förmige Mehrzweck-Rohrhalterung 190 geeignet. Sowohl für die V-förmige Halterung von 16 als auch die U-förmige Halterung von 13 ist der erste Schweißkopf 199 oder der obere Abschnitt 201 des ersten Schweißkopfes für die erste Rohrabmessung an den ersten Größenwert, d. h. den Größenwert des kleineren Rohrs angepasst, indem z. B. eine kürzere Basis 202 vorhanden ist als für die größere Rohrabmessung. Der zweite Schweißkopf 200 und der obere Abschnitt 203 des zweiten Schweißkopfes sind an den zweiten Größenwert angepasst. Weitere Mittel zum Anpassen eines Schweißkopfes für eine bestimmte Rohrabmessung an den geeigneten Größenwert für diese Rohrabmessung sind für einen Fachmann offensichtlich. 16 veranschaulicht den unteren Abschnitt 210 des Schweißkopfes, der die oberen Abschnitte 201, 203 an der Stelle 212 aufnimmt. Derartige Rohrhalterungen 186, 194 und Schweißkopfkomponenten können in geeigneter Weise aus Aluminium oder anderen Werkstoffen gebildet sein.
In den 2 und 17 wird der Schweißzyklus des Schweißsystems vorzugsweise durch herkömmliche automatisierte Steuerungsmittel gesteuert. Derartige Steuereinrichtungen sind in der Technik wohlbekannt. Das Heizelement kann eine herkömmliche Heizpatrone sein. Um insbesondere beim Schweißen von PFA Umgebungseinflüsse, wie etwa die Umgebungstemperatur, minimal zu machen, werden das Heizelement und der beheizte Abschnitt anfangs mit einem ausreichenden Strom versorgt, um eine erste Temperatur zu erreichen, die im Wesentlichen unter der Schweißtemperatur liegt, z. B. etwa 177°C (350°F). 17 veranschaulicht eine Temperaturkurve, die der Energie entspricht, die an die Heizpatrone geliefert wird. Die tatsächliche Temperatur des beheizten Abschnitts eilt nach und wird durch die Kurve mit gestrichelten Linien wiedergegeben. Darüber hinaus eilt die Temperatur des Heizkopfkörpers wesentlich stärker nach und würde infolge von Wärmeverlusten wahrscheinlich niemals die Temperatur erreichen, die einem bestimmten Energiepegel entspricht. Die ausreichende Leistung wird für eine Aufwärmperiode von etwa 2 Minuten aufrechterhalten. Die Temperatur geht dann für mehrere Minuten rampenförmig nach unten auf etwa 99°C (210°F) und steigt dann rasch rampenförmig auf die Schweißtemperatur von etwa 399°C (750°F) an und wird für eine ausreichende Zeitdauer von etwa 11 Minuten auf diesem Wert gehalten, um den Schweißvorgang zu realisieren. Die Temperatur geht dann rampenförmig nach unten auf die Umgebungstemperatur und es wird ermöglicht, dass sich die Verbindungsstelle und der Schweißkopf während etwa 8 bis 10 Minuten abkühlen, bevor die geschweißten Komponenten entnommen werden. Diese Leistungspegel, Temperaturen und Zeitdauern sind ermittelt worden, damit sich zufrieden stellende Schweißnähte von PFA ergeben.
Die Minimierung der Verwendung von Metall in dem Schweißkopf für den Heizabschnitt und die Klemmen ermöglicht, dass die gewünschte Temperatur schneller erreicht wird und der Schweißkopf und die Schweißnaht schneller abkühlen.

Claims

Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Paars aneinander stoßender thermoplastischer röhrenförmiger Endabschnitte (55), die eine Verbindungsstelle definieren, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Schweißkopf (22), der einen Körper (24) und ein Scharnier (40) besitzt und so betreibbar ist, dass er das Paar röhrenförmiger Endabschnitte (55) aufnimmt; einen Heizabschnitt (32), der durch den Körper (24) gehalten wird und eine zylindrische Bohrung besitzt, um die aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte (55) aufzunehmen und zu umschließen, wobei der Heizabschnitt (32) zwei axiale Seiten besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißkopf (22) auf jeder axialen Seite des Heizabschnitts (32) jeweils einen kreisförmigen Schlitz (94) besitzt; mehrere Klemmen (50, 52) vorgesehen sind, wovon jede kreisförmig ist und sich jeweils um einen röhrenförmigen Endabschnitt (55) erstreckt und festgeklemmt werden kann, wenn die Klemme und der röhrenförmige Endabschnitt (55) vom Schweißkopf (22) getrennt sind; wobei die Klemmen (50, 52) an jedem röhrenförmigen Endabschnitt (55) befestigt sind und jede Klemme (50, 52) in einem der kreisförmigen Schlitze (94) auf der axialen Seite des Heizabschnitts (32) aufgenommen ist und der Schweißkopf (22) an den röhrenförmigen Endabschnitten (55) verschließbar ist, wobei die Klemmen (50, 52) an dem röhrenförmigen Endabschnitt (55) befestigt sind, so dass jede Klemme (50, 52) in dem Schweißkopf (22) gehalten wird und die aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte (55) in der zylindrischen Bohrung festgehalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mehreren Klemmen (50, 52) wenigstens zwei Klemmen (50, 52) umfassen, die Aussparungen (70) für die Aufnahme eines Flansches am röhrenförmigen Endabschnitt (55) besitzen, und bei der wenigstens zwei Klemmen (50, 52) Zahnungen (58) besitzen, um die röhrenförmigen Endabschnitte (55) zu ergreifen, wobei jede Klemme (50, 52) aus Kunststoff gebildet ist und ein Scharnier (65) und eine Klinke (66) besitzt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Klemmen (50, 52) aus PEEK bestehen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Heizabschnitt (32) einen mittigen beheizten Abschnitt mit einer Bohrung umfasst, wobei der beheizte Abschnitt so positioniert ist, dass er die Verbindungsstelle der aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte (55) umschließt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, bei der der mittige beheizte Abschnitt an der Bohrung zwischen zwei sekundären Abschnitten, die jeweils aus Kunststoff bestehen, sandwichartig angeordnet ist.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Heizabschnitt (32) einen mittleren beheizten Abschnitt (120) mit einem röhrenförmigen Eingriffabschnitt umfasst, der eine Bohrung aufweist, um sich um die aneinander stoßenden röhrenförmigen Endabschnitte (55) an der Verbindungsstelle zu erstrecken und mit diesen in Eingriff zu sein, wobei der mittlere beheizte Abschnitt (120) aus einem Werkstoff mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, wobei der Heizabschnitt (32) ferner ein Paar Isolierabschnitte (124, 126) umfasst, die um den mittleren Heizabschnitt (120) sandwichartig angeordnet sind und eine Isolation für den beheizten Abschnitt (120) schaffen, wobei jeder Isolierabschnitt (124, 126) einen röhrenförmigen Eingriffabschnitt mit einer Bohrung besitzt, um sich um die aneinanderstoßenden röhrenförmigen Endabschnitte (55) an einer von der Verbindungsstelle beabstandeten Position zu erstrecken und mit ihnen in Eingriff zu sein, wobei die Isolierabschnitte (124, 126) jeweils aus einem Werkstoff mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit gebildet sind, die niedriger als die erste Wärmeleitfähigkeit ist, wobei die Isolierabschnitte (124, 126) entweder aus Kunststoff oder aus Keramik gebildet sind.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Isolierabschnitte (124, 126) aus Keramik gebildet sind.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der mittlere beheizte Abschnitt (120) aus Kupfer besteht.