DE19941084A1

DE19941084A1 - Elektroschweißfitting

Info

Publication number: DE19941084A1
Application number: DE19941084A
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Schaefer; Horst Willy Severyns
Original assignee: SCHAEFER KARL JOSEF
Current assignee: SCHAEFER KARL JOSEF
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-01

Abstract

Elektroschweißfitting aus Kunststoff mit integrierter Heizwendel (2) zum Anschweißen an ein Kunststoffrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffrohr ein Lüftungsrohr ist und die Außenseite bzw. Innenseite des in die Schweißposition gesteckten Endes (4) des Lüftungsrohres von der Heizwendel (2) wenigstens teilweise einen Abstand in dem Bereich von 0,2 bis 2,0 mm hat. Das Verfahren zum Verschweißen des Elektroschweißfittings aus Kunststoff mit integrierter, teilweise freiliegender Heizwendel mit dem Ende eines Kunststoffrohres ist dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende in der Schweißposition in oder auf dem Fitting durch einen Spalt wenigstens teilweise von der Heizwendel getrennt ist und durch die Heizung erweichtes Kunststoffmaterial des Fittings durch den Spalt (7) bis zur Vereinigung mit dem erweichten Material an der Oberfläche des Rohrendes (4) verschoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektroschweißfitting mit integrier ter Heizwendel zum Anschweißen an ein Kunststoffrohr. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verschweißen eines Elektroschweiß fittings aus Kunststoff mit dem Ende eines Kunststoffrohres.

Elektroschweißfittings mit integrierter Heizwendel sind zum Anschweißen an Druckrohre bekannt, die ebenso wie das Fitting eine beträchtliche Wandstärke haben und praktisch ohne Toleranz in das Schweißfitting eingesetzt werden können. Es entsteht daher direkter Kontakt zwischen den teilweise freiliegenden Heizwendeln des Fittings und der Rohrwand und damit eine direkte Wärmeübertragung auf das Rohr. Man war bisher der Auffassung, daß diese Passgenauig keit zur Herstellung der flächigen Schweißverbindung in der Heiz zone erforderlich ist.

Während bei Druckrohren, die schon mit Elektroschweißfittings verschweißt wurden, und den entsprechenden Fittings mit engen Tole ranzen gearbeitet wird, so daß ein guter Kontakt der Heizwendel mit der anzuschweißenden Rohraußenseite (oder ggfs. Rohrinnenseite) möglich ist, haben Lüftungsrohre eine wesentlich geringere Wand stärke als Druckrohre. Während das Verhältnis des Außendurchmessers zur Wandstärke d/s bei den Elektroschweißfittings im Druckbereich allgemeinen bei 7 bis 9 liegt und in Soderfällen bis zu 18 beträgt, liegt dieser Wert bei Kunststoffrohren im Lüftungsbereich wesent lich höher, z. B. bei 70. Diese relativ dünnwandigen Rohre können nicht so passgenau hergestellt werden, daß sie ebenso wie Druck rohre durch Kontakt mit den Heizwendeln des Fittings z. B. außenseitig erweicht werden können. Man war daher der Auffassung, daß eine Verschweißung durch direkten Kontakt mit der Heizwendel im Falle von Lüftungsrohren nicht zu erreichen ist, weil der für die Er weichung erforderliche direkte Wärmeübergang nicht oder nicht in ausreichendem Maße möglich ist.

Es wurde nun gefunden, daß auch Lüftungsrohre aus Kunststoffen mit Elektroschweißfittings aus Kunststoffen trotz fehlender Kon takte zwischen dem in das Fitting eingeführten Rohrende und der Heizwendel verschweißt werden kann, wenn der Abstand zwischen der freiliegenden Heizwendel und der Außenseite des Rohres nicht größer als 2,0 mm ist. Es hat sich gezeigt, daß trotz des fehlen den Materialkontaktes zwischen Heizwendel und Rohroberfläche eine zur Erweichung ausreichende Erwärmung der Rohraußenseite erfolgt und darüber hinaus auch eine Verschweißung der erweichten Rohr außenseite (oder Rohrinnenseite bei eingestecktem Fitting) mit der Innenseite des Fittings erreicht wird, die eine für den Lüftungs sektor ausreichende Dichtigkeit und Festigkeit ergibt. Dies ist überraschend, weil wegen der Spaltbreite zwischen den zu ver schweißenden Teilen nicht damit gerechnet werden konnte, daß sich die erweichten Materialien beider Teile bis auf Materialkontakt nähern und einen zur Verschweißung ausreichenden Materialschluß und Fügedruck erreichen.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektroschweißfittings ist der Abstand benachbarter Windungen der Heizwendel größer als der zweifache Durchmesser des Heizdrahtes. Neben der Plastifizierung der Außenseite des in den Fitting einge steckten Rohres wird das Kunststoffmaterial des Fittings zwischen den Windungen der Heizwendel u. a. durch den Kontakt mit der Heiz wendel zur Erweichung erwärmt, so daß sich u. a. in diesen Bereichen zwischen den Windungen Brücken zur ebenfalls erweichten Außenseite des Rohrendes bilden, die nach dem Erkalten eine für die auftretenden Axialkräfte ausreichende Verbindung der beiden Teile ergibt, die auch die für Lüftungsrohre ausreichende Dichtigkeit hat. Vorzugs weise ist der Abstand benachbarter Windungen der Heizwendel größer als der dreifache Durchmesser des Heizdrahtes. Im allgemeinen liegt dieser Abstand in dem Bereich des 2- bis 30-fachen des Heiz drahtdurchmessers. Der Abstand zwischen der Heizwendel und der Außenseite des in Schweißposition befindlichen Rohrendes liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,2 bis 2,0 mm, insbesondere in dem Bereich von 0,4 bis 1,5 mm.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fittings ist dieses in dem Bereich der Heizwendel, d. h. in der Heizzone durch eine außen anliegende Schelle unter einem radialen Kom pressionsdruck gehalten. Insbesondere bei durchgehender Erweichung der Fittingwand in Bereich der Heizwendel wird das erweichte Material durch die Schelle nach innen gedrückt und dadurch mit dem ebenfalls erweichten Material der Rohrwand verschweißt. Die Schelle kann ein einfacher geschlitzter Ring sein, der nach der Verschweis sung auf dem Fittig verbleibt. Sie kann aber auch aus zwei einer seits durch ein Scharnier und andererseits durch Klemmhebel ver bundenen Hälften bestehen und nach dem Abkühlen der Schweißstelle abmontiert und erneut benutzt werden. Die Verschweißung erfolgt automatisch, wenn das Material ausreichend erweicht ist, so daß ein genügender Fügedruck zwischen den erweichten Materialien beider Teile wirksam werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform ist das Elektroschweiß fitting zur Herstellung der Verschweißung im Bereich der Heizwendel durch wenigstens einen an der Stirnseite des Fittings angreifenden Druck körper unter einem Stauchdruck gehalten. Bei ausreichender Durch erweichung der Fittingwandungen wird diese axial zusammen gedrückt, wodurch das erweichte Material des Fittings auch nach innen gegen die erweichte Rohrwand gedrückt und mit dieser ver schweißt wird. Der Druckkörper ist beispielsweise ein zweiteiliger Ring mit Scharnier, der durch Federkraft gegen die ringförmige Stirnfläche des Fittings gedrückt wird. Der Druckkörper kann auch aus mehreren über den Umfang verteilten Teilkörpern bestehen.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Elektroschweißmuffen liegt das Verhältnis von Außendurchmesser zu Wandstärke d/s bei den erfindungsgemäßen Fittings in dem Bereich von 18 bis etwa 100, vorzugsweise von 40 bis 90. Diese relativ dünnwandigen, insbeson dere zur Verbindung von Lüftungsrohren eingesetzten Elektroschweiß fittings können nicht so passgenau wie bei starkwandigen Fittings mit d/s-Verhältnissen von beispielsweise 9 oder 11 hergestellt werden, abgesehen davon, daß die Rohre häufig unrund sind oder werden. Die Elektroverschweißung muß daher über einen Luftspalt erfolgen der sich über einen wesentlichen, im allgemeinen über wiegenden Teil des Rohrumfangs erstreckt. Die Wandstärke des Fittings und des Lüftungsrohres am Anschweißende liegen vorzugs weise in dem Bereich von 3 bis 6 mm, insbesondere in dem Bereich von 2 bis 4 mm. Demgegenüber sind die Wandstärken bei Fittings im Druckbereich größer als 6,5 mm. Bei einem Innendurchmesser von 200 mm liegen sie beispielsweise bei 26 mm.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektroschweißfittings ist in die Fittingwand im Bereich der Heizwendel ein radial vorgespannter Druckkörper eingebettet. Dieser nach innen Druck ausübende Körper hat die gleiche Funktion wie die oben genannte Schelle, ist jedoch schon von der Fertigung her in dem Fitting enthalten und verbleibt in ihm auch nach der Verschweißung. Vorzugsweise ist der radial vorgespannte Druck körper eine Drahtwendel oder ein geschlitzter Ring. Sobald die von innen nach außen in der Fittingwand fortschreitende Erweichungs zone den Druckkörper erreicht, verschiebt dieser das erweichte Material der Fittingwand zwischen den Windungen der Heizwendel nach innen, wodurch der Spalt zwischen Fittingwand und Rohrwand über brückt und die Schweißverbindung hergestellt wird. Zweckmäßigerweise sind die Windungen der Drahtwendel zu den Windungen der Heizwendel versetzt angeordnet, so daß die von den Windungen der Drahtwendel bewirkte Verschiebung des erweichten Kunststoffmaterials zwischen den Heizwendelwindungen erfolgt und durch diese nicht behindert wird.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Fittings dieses Typs kann beispielsweise so erfolgen, daß auf einen Kern zunächst der Heizdraht mit dem gewünschten Windungsabstand aufgewickelt wird, dann auf den Kern eine den Heizdraht abdeckende Kunststoffschicht aufgebracht wird. Auf diese Kunststoffschicht im festen Zustand wird dann die vorgebildete Drahtwendel von kleinerem Windungsdurch messer als dem Außendurchmesser der genannten Kunststoffschicht aufgelegt. Hierzu muß die Drahtwendel aufgeweitet werden so daß sie nach dem Aufbringen unter Vorspannung steht. Anschließend wird dann die Außenschicht aufgebracht, so daß die Drahtwendel vollständig eingebettet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elek troschweißfittings steht die Heizwendel unter einer axialen Vor spannung. Beim Erweichen des Kunststoffmaterials in der Umgebung der Heizwendel zieht sich diese zusammen, wodurch das erweichte Material zwischen den Windungen nach innen gedrückt wird und den Spalt überbrückt, so daß Schweißverbindungen zur erweichten Rohr außenseite hergestellt werden.

Im allgemeinen besteht der Kunststoff der hier zur Anwendung kommenden Fittings und Rohre aus Polyethylen, Polypropylen, schwer entflammbarem Polypropylen oder Polyvinylidenfluorid.

Vorzugsweise ist der Draht der Heizwendel zu mehr als 50% seines Umfangs in den Kunststoff eingebettet und liegt er im übrigen frei. Die Heizwendel ist damit an der Innenseite (oder der Außenseite) des Fittings fest verankert, so daß dessen Material durch unmittel bare Wärmeübertragung von der Heizwendel erweicht wird. Der frei liegende Teil des Heizdrahtes überträgt Wärme durch Strahlung und Konvektion auf die Oberfläche der gegenüberliegenden Rohrwand, so daß auch diese erweicht wird, bevor eine Brückenbildung und ein Materialkontakt beider Teile eintritt.

Das erfindungsgemäße Elektroschweißfitting hat im allgemeinen die Heizwendel auf der Innenseite der Fittingwand. In Einzelfällen kann die Heizwendel auch auf der Außenseite der Fittigwand ange ordnet sein. In diesem Falle wird das anzuschweißende Rohr über das Fitting geschoben.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die Heizung erweichtes Kunst stoffmaterial des Fittings durch den Spalt bis zur Berührung mit dem ebenfalls erweichten Kunststoffmaterial an der Oberfläche des Rohrendes verschoben wird. Die Erweichung der Rohroberfläche er folgt im wesentlichen durch Wärmestrahlung oder durch Konvektion durch den Spalt, während man bisher davon ausging, daß zur Erwei chung der dem Fitting gegenüberliegenden Rohrwand ein Kontakt mit der freiliegenden Heizwendel erforderlich ist. Die erfindungs gemäße Verschiebung des erweichten Materials erfolgt im wesentlichen durch die thermische Ausdehnung des erweichten Materials und des Drahtmaterials der Heizwendel, die dadurch tiefer in den erweichten Kunststoff eindringt und diesen verdrängt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Materialverschiebung durch eine vom Umfang des erweichten Materials des Fittings radial nach innen (bzw. nach außen) gerichtete Kraft unterstützt. Diese Kraft kann beispielsweise durch die außen am Fitting aufliegende vorgespannte Schelle oder durch den eingebet teten; ebenfalls radial vorgespannten Druckkörper ausgeübt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform unterstützt man die Verschie bung des erweichten Materials durch eine auf den erweichten Be reich des Fittings ausgeübte axiale Stauchkraft. Durch die Stauchung wird das erweichte Material zwischen den Windungen der Heizwendel auch nach innen gedrückt, wodurch es zur Schweißverbindung mit der Außenseite des oberflächlich erweichten Rohrendes kommt.

Weiter kann man die Materialverschiebung auch durch die Ent spannung der im Fitting vorspannt fixierten Heizwendel unterstüt zen, die durch die Erweichung des umgebenden Materials möglich wird. Die Vorspannung der Heizwendel in dem festen Kunststoffmate rial des Fittings kann dazu führen, daß bei der Erweichung des Materials die Heizwendel sich axial komprimiert oder radial erwei tert, wodurch ebenfalls das erweichte Material zur Überbrückung des Spalts nach innen gedrückt wird. Dabei ist eine ganzflächige (luftblasenfreie) Verschweißung zur Erreichung einer axialkraft schlüssigen, luftdichten Verbindung zwischen Rohr und Fitting nicht erforderlich, aber erwünscht.

An Hand der Zeichnung werden einige Ausführungsformen der Er findung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 den Axialschnitt einer ersten Ausführungsform einer Elektroschweißmuffe zur Verbindung von zwei Lüftungsrohren;

Fig. 2 den Axialschnitt eines Teils einer zweiten Ausführungs form der Elektroschweißmuffe;

Fig. 3 den Axialschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektroschweißmuffe analog zu Fig. 1; und

Fig. 4 einen Teil einer erfindungsgemäßen Elektroschweiß muffe mit einem Ende des anzuschweißenden Rohres und einer dabei benutzten Hilfseinrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Elektroschweißmuffe 1 hat auf der Innenseite eine teilweise freiliegende Heizwendel 2, die in zwei Anschlüssen 3 für Kontaktstecker einer Stromquelle (nicht darge stellt) endet. Die Heizwendel 2 ist auf zwei Heizzonen zum An schweißen je eines Rohrendes 4 verteilt. Die rechte Seite der Fig. 1 zeigt das in die Muffe 1 eingeschobene Rohrende vor der Verschweißung mit der Muffe. Es ist ersichtlich, daß die Außen seite des Rohrendes 4 keinen Kontakt mit der Heizwendel 2 hat. Die linke Seite der Fig. 1 zeigt die Muffe 1 nach der erfolgten Verschweißung mit dem Ende 4 des Lüftungsrohres. Nach der Darstel lung ist nach der Verschweißung die Heizwendel gänzlich in den Schweißbereich eingebettet. In der Praxis können auch Luftein schlüsse vorhanden sein, die jedoch die axialkraftschlüssige Ver bindung zwischen der Muffe 1 und dem Rohrende 4 nicht wesentlich beeinträchtigen.

Die Darstellung in Fig. 2 entspricht dem linken Teil der Fig. 1, wobei jedoch auf der Außenseite der Muffe 1 im Bereich der Schweißzone eine Schelle bzw. ein geschlitzter Druckring 5 aufliegt. Dieser eine Radialkraft auf die Schweißzone ausübende Druckring hat wie ersichtlich das erweichte Muffenmaterial in der Heizzone nach innen in Kontakt mit der ebenfalls erweichten Ober fläche des Rohrendes 4 gedrückt, wodurch eine für Lüftungsrohre ausreichende Schweißverbindung entstanden ist. Es ist zu bemerken, daß die Oberfläche des Rohrendes vor der Verschweißung wie üblich von einer oberflächlichen Oxidschicht befreit werden muß, z. B. mittels eines im Handel erhältlichen Oberflächenschälgeräts.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist in die Elek troschweißmuffe im Bereich jeder Schweißzone eine radial vorgespann te Metalldrahtwendel 6 eingebettet. Auf der rechten Seite der Fig. 3 ist wiederum der Zustand vor der Erweichung des Kunststoff materials in der Schweißzone dargestellt, in der die Vorspannung der Wendel 6 von dem Material aufgenommen wird und noch nicht materialverschiebend wirksam werden kann. Die linke Seite der Fig. 3 zeigt den Zustand nach der Beheizung der Heizwendel 2 und Erweichung des Materials in der Heizzone bis in den Bereich der Wendel 6. Es ist ersichtlich, daß das erweichte Kunststoffmaterial der Muffe durch die vorgespannte Wendel 6 nach innen gedrückt wurde, so daß der Luftspalt 7 im Bereich der Wendel 6 verschwunden ist und das Kunststoffmaterial der Muffe 1 mit der Außenseite des Rohrendes 4 verschweißt ist.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung entsprechend der rechten Seite der Fig. 1. Auf das Rohrende 4 ist in geringem Abstand von der Muffe 1 eine zweiteilige Schelle 8 fest aufgespannt. Die beiden Halbschalen der Schelle 8 sind durch ein Scharnier (nicht darge stellt) verbunden und durch Schließen eines Klemmverschlusses 8 ^a auf dem Rohrende 8 rutschfest fixiert. In der Schelle 8 sind axparallele Bohrungen 8 ^b enthalten, in denen Kolbenstangen 9 mit Druckkörpern 10 verschieblich gelagert sind. Eine Schraubendruck feder 11 in jeder Bohrung 8 ^b drückt die Druckkörper 10 auf die Stirnfläche 1 ^a der Muffe 1. Die Einrichtung 8-11 wird vor der Erhitzung der Heizwendel 2 mit Stauchspannung angelegt. Wenn das Muffenmaterial im Bereich der Heizzone erweicht, bewirkt der Stauchdruck, daß das erweichte Kunststoffmateriäl wenigstens teil weise nach innen gedrückt wird und mit der ebenfalls erweichten Außenseite des Rohrendes 4 verschweißt. Nach der Abkühlung wird die Einrichtung 8-11 demontiert.

Die erfindungsgemäßen Elektroschweißfittings umfassen nicht nur die dargestellten Muffen, sondern auch Reduzierstücke, Ver schlußmuffen, Winkelstücke, T-Stücke, usw. Anstelle des Druckrings 5 kann das Zusammendrücken auch von Hand durch den Monteur mit einem zangenartigen Werkzeug bewirkt werden, nachdem eine ausreichende Erweichung erfolgt ist.

Claims

1. Elektroschweißfitting aus Kunststoff mit integrierter Heizwendel zum Anschweißen an ein Kunststoffrohr, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kunststoffrohr ein Lüftungsrohr ist und die Außenseite bzw. Innenseite des in Schweißposition gesteckten Endes (4) des Lüftungsrohres von der Heizwendel (2) wenigstens teilweise einen Abstand in dem Bereich von 0,2 bis 2,0 mm hat.

2. Elektroschweißfitting nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die benachbarten Windungen der Heizwendel (2) auf Abstand gehalten sind.

3. Elektroschweißfitting nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es in dem Bereich der Heizwendel 2 durch eine außen anliegende Schelle (5) unter einem radialen Kompressions druck gehalten ist.

4. Elektroschweißfitting nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es in dem Bereich der Heizwendel (2) durch einen an der Stirnseite des Fittings angreifenden Druckkörper (10) unter einem Stauchdruck gehalten ist;

5. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sein Verhältnis von Außendurchmesser zu Wandstärke d/s in dein Bereich von 18 bis 100, vorzugsweise von 40 bis 90 liegt.

6. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Fittings (1) und des Lüftungsrohres am Anschweißende (4) in dem Bereich von 2 bis 6 mm liegt.

7. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Fittingwand im Bereich der Heizwendel (2) ein radial vorgespannter Druckkörper (6) einge bettet ist.

8. Elektroschweißfitting nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radial vorgespannte Druckkörper (6) eine Drahtwendel oder ein geschlitzter Ring ist.

9. Elektroschweißfitting nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Windungen der Drahtwendel (6) versetzt zu den Windun gen der Heizwendel (2) angeordnet sind.

10. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (2) unter einer axialen Vorspannung steht,

11. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff unter Polyethylen, Poly propylen, schwer entflammbarem Polypropylen und Polyvinyliden fluorid ausgewählt ist.

12. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht der Heizwendel (2) zu mehr als 50% seine Umfangs in den Kunststoff eingebettet ist und im übrigen freiliegt.

13. Elektroschweißfitting nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (2) auf der Innenseite der Fittingwand angeordnet ist.

14. Verfahren zum Verschweißen eines Elektroschweißfittings aus Kunststoff mit integrierter, teilweise freiliegender Heizwendel mit dem Ende eines Kunststoffrohres, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende in der Schweißposition in oder auf dem Fitting durch einen Spalt wenigstens teilweise von der Heizwendel getrennt ist und durch die Heizung erweichtes Kunststoffmaterial des Fittings durch den Spalt (7) bis zur Vereinigung mit dem erweichten Material an der Oberfläche des Rohrendes (4) verschoben wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialverschiebung durch eine von Umfang des erweichten Mate rials des Fittings (1) radial nach innen bzw. außen gerichtete Kraft unterstützt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialverschiebung durch eine auf den erweichten Bereich aus geübte axiale Stauchkraft unterstützt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialverschiebung durch die Entspannung der im Fitting (1) vorgespannt fixierten Heizwendel (2) unterstützt.