DE2053938A1

DE2053938A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstel len einer zum Verbinden von thermoplasti sehen Kunststoffrohren dienenden Schweiß muffe

Info

Publication number: DE2053938A1
Application number: DE19702053938
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys 4136 Rumein Kaldenhausen Landgraf
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1970-10-26
Filing date: 1970-10-26
Publication date: 1972-04-27
Also published as: FR2111818B1; AU471510B2; AU3502271A; BR7107170D0; GB1373761A; NL7114535A; BE774419A; LU64142A1; FR2111818A1

Description

Berlin, den 26. Okt. 1970 Patentanwälte M/Zi

Dipl.- Ing. W. M e i s s π e
Dipl.-Ing. H. Tischer
1 Benin 33 (Grunewald;
Herberts». 22, TeU S 87 72 37.

Fall 25oy

MANNESMANN AKTIENGESELLSCHAFT, 4 Düsseldorf 1, Mannesmannufer

"Verfahren und Vorrichtung zurr, Herstellen einer zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoffrohren dienenden Schweißmuffe"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer zum unlösbaren Verbinden der Enden von thermoplastischen Kunststoffrohren dienenden Muffe aus thermoplastischem Kunststoff, in deren Innenwand eine an eine elektrische Stromquelle anschließbare Heizdrahtwicklung eingebettet ist.

Solche Schweißmuffen werden verwendet, um Rohre aus thermoplastischem Material zum Beispiel am Ort der Verwendung der Rohre bzw. Leitungen, miteinander auf einfache, auch von ungelernten Arbeitern ausführbare V/eise fest miteinander zu verbinden. Dies geschieht durch Einführen der Enden der zu verbindenden Rohre in die Schweißmuffe und Anlegen eines Stromes an die Heizdrahtwindung der Muffe, wodurch die in die Muffe eingesetzten Rohre und die Muffe an den der Erwärmung ausgesetzten Flächen erweichen und schmelzen, so daß die ineinandergeschobenen Teile nach Abschalten des Stromes und Abkühlen fest miteinander verschweißt sind.

Die bisher bekannte Art der Herstellung solcher Muffen ist das Spritzgußverfahren, das jedoch einige wirtschaftliche und technische Schwierigkeiten mit sich bringt.

Die Drahtwicklung wird bei allen heutigen Ausführungen mit dem thermoplastischen Kunststoff urnspritzt und wirkt der Kontraktion des sie umgebenden Kunststoffes bei der Abkühlung ertgegen. Dabei wird im Kunststoff - soweit sie nicht durch Relaxion abgebaut

♦insbesondere großen Durchmessers - 2 -

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wird - eine Umfangsspannung erzeugt, die bei geeignetem Erwärmen der Wicklung zu einem - allerdings begrenzten - Durchtreten des erweichten Thermoplasten zwischen den Windungen der inneren Widerstandswicklung führt. Dadurch ist es möglich, geringe Durchrnesserdifferenzen zwischen Rohr und Muffe aufzufangen und gleichzeitg einen für das Verschweißen von Rohr und Muffe günstigen Schweißdruck zu erzeugen.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei großen Rohrdurchmessern die zulässigen Durchmessertoleranzen durch den oben genannten Mechanismus nicht mehr einwandfrei zu beherrschen sind.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es unter anderem, gegenüber den heute üblichen Spritzverfahren Muffen mit wesentlich größeren Umfangsspannungen zu erzeugen, die demgemäß auch die Überbrückung größerer Durcnmessertoleranzen bei ausreichendem Schweißciruck erlauben.

Mit Elektroschweißmuffen verbundene Rohre können je nach der Dimensionierung von Rohr und Muffe bei erhöhter Beanspruchung versagen. Erfolgt das Versagen in der Muffe, so bildet sich, verursacht durch die Kerbwirkung der inneren Drahtwicklurig, auch bei reiner Beanspruchung durch Innendruck ein Riß senkrecht zur Rohrachse, also nicht in der Richtung der maximalen Beanspruchung des Rohres aus.

Es ist nun bekannt, daß die Zeitstandfestigkeit und die Kerbernpfindlichkeit spritzbarer Polyäthylentypen wesentlich niedriger liege als diejenige für die Extrusion bestimmter höhermolekularer Polyäthylene. Urn die beschriebenen Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemaß vorgeschlagen, die Elektroschweißmuffe aus für Extruderverarbeitunr; ;eeigneten Thermoplasten herzustellen, und zwar in der Weise, daß ein aus einer Extruder-BreitschlitzdUse austretendes warmes Band aus thermoplastischem Kunststoff um die von einem in Umdrehung; versetzen Dorn gehaltene Heizdrahtwicklung gewickelt wird, worauf nach Erzielung der gewünschten Muffendicke das Band abgetrennt wird, die Stirnenden der Muffe gegebenenfalls

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besäumt werden und diese von dem Dorn abgezogen wird.

Es empfiehl ο sich, das thermoplastische Band in Längsrichtung su recken, wofür die Austrittsgeschwindigkeit des Bandes aus der Breitschlitzdüse niedriger eingestellt wird wie die Uinf an gsgeschv.'indigkeit des zu bewickelnden Dornes.

Zur Herstellung gleichzeitg mehrerer Muffen wird dagegen auf einen mit der entsprechenden Anzahl von Heizdrahtwicklungei: versehener Dorn das Band spiralig gewickelt, wobei die- Preite des Bandes, seine Dicke und der axiale Vorschub die Gesamtdicke der Kunststoffschicht; bestimmen.

".Vird nur eine Muffe hergestellt, so ist dabei zweckrräßigerwei?e ein aus der Breitschlitzdüse austretendes Band zu wählen, dessen Breite nach den; Recken die des zu bewickelnden Dornes geringfügig übersteigt, wobei der Dorn eine reine Drehbewegung ausführt.

Durch Bewickeln r.it einen: in der Mitte dickeren, am Ende dünneren Band, läßt sich auch nach der. erfindungsgemäßen Verfahren die übliche '..'ariddickenverteilung in der Muffe erzielen. Dies kann auon dadurch erfolgen, daß während der Bewicklung des r.it einer Heizdrahtwicklung versehenen Dornes der Reekgrad der Folie erhöht und darr.it deren Breite verringert wird.

Ls verdient erwähnt zu werden, daß sich eine Herabsetzung der Spannungen in. gefährdeten Querschnitt durch Verdickung der Huffenendwand bei den. erfindungsgemäßen Verfahren - insbesondere auch bei größeren Stückgewichten - billiger durchführen läßt als beim Spritzgießen.

Verfahrensbedingt ergibt sich noch eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Zeitstandverhaltens durch "Einwickeln" von Verstärkv-ngseleK.enten. Um den oben beschriebenen Schweißvorgang, Lei dem ein Luftspalt zwischen Rohr und Muffe durch

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ΐ Kontraktion der Muffe überbrückt wird, nicht .zu behindern,

müssen die Verstärkungselemente nur in Längsrichtung tragend, , : :; . in Umfangsrichtung dagegen "weich" sein. Dies wird nach dem i ' weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, daß in'die ,; Lagen der Muffe axiale, über den Muffenumfang verteilte stab- :■. förmige Verstärkungselemente 'eingewickelt werden» die einen

höheren Elastizitätsmodul und eine kleinere^ Wärmedehnung des ': ' Muffenwerkstoffes aufweisen,, zum „Beispiel Stäbe aus glasfaser-¹ ' I;: verstärktem Epoxyharz. Diese Stäbe können vor dem Einlegen

zusätzlich mit flüssigem Harz.benetzt werden. Es ist zweckmäßig., ..*■ die Stäbe, die auch profiliert sein können., in der Art einer V '■ Strickleiter vor dem Einwickeln zusammenzufassen.

. ΐ Bei Thermoplasten, die nach langer Lagerung zur Alterung ■·.,..ν / "und damit zu Schwierigkeiten beim Verschweißen neigen, kann C j ein mehrlagiger Aufbau der Kunststoffbewicklung gewählt ■.-:" ■■ ;'.t werden, bei dem innen, also unmittelbar über der Draht- :■ > ■,;■;' :■ ■. spule ein hochstabilisiertes Produkt oder auch ein Werk- ^; ...,^:j_; ' ; stoff besonders günstigen Verhaltens bezüglich Kerbempfind--

j ;. ι,. ■ ;· ||ir ■.

■■',,■'... - lichkeit oder Schweißbarkeit eingesetzt wirdj wohingegen die

:*.-;.,. Außenschicht aus einem sehr hochmolekularen und relativ .

; ,? gering relaxierenden Produkt besteht. Bei Niederdruckpoly-

;/ ;φ ; äthylen eignen .sich hierfür Typen mit Molekulargewichten

■ ,ΐ . ■ , von 90.000 und darüber- Der zweischichtige Aufbau kann ent--

^a. weder durch unmittelbar aufeinanderfolgendes Bewickeln de.s

^ :■ Domes mit den beiden je aus einer eigenen Breitschlitzdüse

■■:■■:. austretenden Kunst stoff bändern erfolgen; es kann aber noch

: ^: mit einer Breitschlitzdüse gearbeitet werden, die von zwei

, :/ Extrudern gespeist» die Herstellung, eines zweischichtigen

■. , Bandes ermöglicht.

;' . ; Es ist tiere it s bekannt und .bewährt* den Widerstandsdraht vor : seinem Verarbeiten mit dem die Muffe bildenden Kunststoff ■■;■■ oder mindestens einem mit diesem verschweißenden ähnlichen ,:, Produkt zu ummanteln* wobei die Dicke der Bmmantelung etwa { ,. die Hälfte der Drahtdiaice betragen kann. Die Steigung dies-es ummantelten Drahtes auf dem" Wickeldorn soll im Bereich

; ' -_s zwischen 2 und 5 χ Drahtdurchmesser, vorzugsweise 3 x Draht-

durchmesser liegen. Die Steigung kann in bekannter V/eise auch durch das Mitwickeln eines Drahtes erzwungen werden, der aus einem sich mit dem Kunststoff der Muffe nicht verschweißenden Material besteht und nach dem eigentlichen Herstellungsgang der Muffe entfernt wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit den weiteren Merkmalen vorgeschlagen, einen Wickeldorn zu verwenden, der eine Haltevorrichtung für die Heizdrahtwicklung aufweist, die aus je einem um jedes Dornende herumgelegten, abnehmbaren Stahlband besteht, dessen Enden abgewinkelt sind und in eine Längsnut des Dornes eingreifen, und welches auf seiner Außenseite einen warzenförmigen Vorsprung aufweist, der zur Aufnahme jeweils eines zu einer öse geformten Drahtendes der Heizdrahtwicklung dient.

Zweckmäßig besteht der Dorn aus zwei miteinander lösbar verbundenen Hälften, von denen die eine Hälfte mit einem zapfenartigen Vorsprung in eine entsprechend ausgebildete Vertiefung der anderen Hafte eingreift, und daß der zapfenartige Vorsprung zur Aufnahme eines von dem thermoplastischen Band zu umwickelnden vorgefertigten Anschlagringes für die Rohrenden dient.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen:

Abbildungen 1 und 2

eine Vorder- und Seitenansicht des Wickeldornes,

Abbildung 3

eine schematische Darstellung des Verfahrens,

Abbildung K

eine Einzelheit der Extruderdüse für die Erzeugung eines aus zwei Schichten bestehenden Bandes und

Abbildung 5

einen in zwei Hälften unterteilten Wickeldorn.

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Auf einem mit einem Längsschlitz 1 versehenen auf etwa 15o° vorgewärmten Kern 2 von 2oo mm Durchmesser, dessen Länge I50 mm beträgt, wird an den beiden Enden je ein Stahlband 3 mit seinen abgewinkelten Enden 4 in den Längsschlitz 1 eingesteckt und damit ,befestigt. Je eine warzenförmige Erhebung 5 von ca. 6 mm Durchmesser dient als Befestigung für die mit einer metallischen, nicht isolierten Öse versehenen Enden des Widerstandsdrahtes. Der Kern kann aus zwei gegeneinander dreh- und feststellbaren Hälften bestehen. Das Bewickeln des Kernes mit dem Heizdraht erfolgt maschinell mit der vorgegebenen Steigung. Mehrere je mit einer Heizdrahtwicklung versehene Kerne können zum Bewickeln mit dem Kunststoffband durch Verschrauben zusammengefaßt werden. Dieser mehrere Muffen ergebende Kern geht auf eine nur angedeutete Drah- und Vorschubrichtung 6, die sich unterhalb einer Breitschlitzdüse 7 von 35o mm Breite'und 1 mm Dicke befindet, die von einem nicht dargestellten Extruder 8 gespeist wird. Das austretende Band aus Niederdruckpolyäthylen mit einem Molekulargewicht von 100.000 wird unter Zuhilfenahme einer Anpreßrolle 9 und bei einer doppelt so hohen Umfangsgeschwindigkeit als der Austrittsgeschwindigkeit aus der Breitschlitzdüse entspricht, mehrlagig bewickelt bis die, je nach dem vorgesehenen Einsatz erforderliche Gesamtschichtdicke des Polyäthylenkörpers erreicht ist.

Wie bereits genannt, kann mit gleichem Erfolg auch so gearbeitet werden, daß ein Einzelkern mit einem thermoplastischen Band entsprechender Breite ohene axialen Vorschub bewickelt wird.

Mehrere Kerne können auf einem Karussell angeordnet sein, so daß ein ununterbrochener V/icke Ivor gang auch bei Wechsel des Kernes ermöglicht wird. Nach diesem Arbeitsgang wird die Muffe erforderlichenfalls rechts und links besäumt, gekühlt, von Wickelkern abgeschoben und die in der Muffe verbliebenen Stahlbänder mit den Befestigungswarzen für die Wicklung nach innen herausgezogen. Diese vorher von den Warzen eingenommenen Stellen dienen nach Durchbohrung der Muffenwand der Stromzuführung.

Es hat sich gezeigt, daß beim Verschweißen einer solchen Muffe eine Überbrückung eines etwa doppelt so hohen Spaltes zwischen Rohr und

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Muffeninnendurdh messer möglich ist als bei entsprechenden gespritzten Muffen und außerdem wesentlich verbessertes Zeitstandverhalten besitzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Muffe mit einem inneren Anschlagring 1 versehen. Dies erfolgt in der Weise, daß zwischen einem mittig'geteilten-Wickelkern 12 ein vorgefertigter Anschlagring eingesetzt wird und im übrigen wie vorher beschrieben weiter verfahren wird. Der Anschlagring kann aus demselben oder aus .Fertigungsgründen einem anderen Kunststoff als der übrige Fittig bestehen.

Ist es erwünscht, daß die nach dem Einsetzen in den geteilten Wickeldorn nach außen weisende Oberfläche des Anschlagringes jewolbt ist, so empfiehlt es sich, die 'Wicklung nur bis an den Anschlagring mit normaler Steigung auszuführen und den Anschlagring selbst in einer dafür vorgesehenen Nut tu it vergrößerter Steigung zu überwinden.

Für die Herstellung von Muffen aus verschiedenen Materialschichten empfiehlt sich der Einsatz eines an sich bekannten Breitschlitiiwerkzeuges IJ, das von zwei nicht dargestellten Extrudern mit verschiedenen Materialien 14 und 15 gespeist wird, die sieh innerhalb des Kopfes zu einer Verbundfolie 16 verbinden. Zur Erzeugung einer zweischichtigen Muffe werden die speisenden Extruder nacheinander und einander überlappend betrieben.

- Patentansprüche 09 818/093? bad ORfGiNAL

Claims

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Patentansprüche

( 1.] Verfahren zum Herstellen einer zum unlösbaren Verbinden der ^"^ Enden von thermoplastischen Kunststoffrohren dienenden Muffe aus thermoplastischem Kunststoff, in deren Innenwand eine an eine elektrische Stromquelle anschließbare Heizdrahtwicklung eingebettet,ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Extruder-Breitschlitzdüse austretendes warmes Band aus thermoplastischem Kunststoff um die von einem in Umdrehung versetzten Dorn gehaltene Heizdrahtwicklung gewickelt wird, worauf nach Erzielen der gewünschten Muffenwanddicke das Band abgetrennt und die Muffe gegebenenfalls nach Besäumen ihrer Stirnenden von dem Dorn abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bewickeins das thermoplastische Band in Längsrichtung gereckt wird, wofür die Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Bandes niedriger eingestellt wird wie die Umfangsgeschwindigkeit des Dornes.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des gereckten Bandes gleich oder größer als die Länge der Drahtwicklung ist.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß der ggf. mehrere Heizdrahtwicklungen tragende rotierende Dorn beim Bewickeln zusätzlich axial bewegt wird und die Dicke der Bewicklung über den axialen Vorschub den jeweiligen Erfordernissen angepaßt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Band während des Bewickeins auf den Umfang der Heizdrahtwicklung bzw. der bereits gewickelten Lagen gepreßt wird, z.B. mit Rollen oder dergleichen.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizdrahtwicklung mit zwei übereinanderliegenden Schichten bewickelt wird, von denen die innere, der Heizdrahtwicklung zugewandte Schicht aus einem hochstabilisierten Kunststoff oder einem solchen mit niedriger Kerbempfindlichkeit, z. B. ein Copolymerisat des Polyäthylens, und die äußere Schicht aus einem hochmolekularen Kunststoff, zum Beispiel Niederdruckpolyäthylen mit einem Molgewicht von über 9°·οοο besteht.

7· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lagen der Muffe axiale, über den Muffenumfang verteilte stabförmige Verstärkungselemente eingewickelt werden, die einen höheren Elastizitätsmodul und »ine kleinere Wärmedehnung des Muffenwerkstoffes aufweisen, zum Beispiel Stäbe aus glasfaserverstärktem Epoxyharz.

8. Dorn zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Haltevorrichtung für die Heizdrahtwicklung aufweist, die je aus einem um jedes Dornende herumgelegten, abnehmbaren Stahlband besteht, dessen Enden abgewinkelt sind und in eine Längsnuc des Dornes eingreifen, und welches auf seiner Außenseite einen warzenförmigen Vorsprung aufweist, der zur Aufnahme jeweils eines zu einer öse geformten Drahtendes der Heizdrahtwicklung dient.

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Dorn nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei miteinander lösbar verbundenen Hälften besteht, von denen die eine Hälfte mit einem zapfenartigen Vorsprung in eine entsprechend ausgebildete Vertiefung der anderen Hälfte eingreift und daß der zapfenartige Vorsprung zur Aufnahme eines von dem thermoplastischen Band zu umwickelnden Anschlagringes für die Rohrenden dient.

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