DE2241657B1

DE2241657B1 - Schweißverfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer unlösbaren Ver bindung eines Kunststoffrohres mit einer Kunststoffmuffe

Info

Publication number: DE2241657B1
Application number: DE2241657A
Authority: DE
Inventors: Hans 4350 Recklinghausen Hilgemann; Guenter 5671 Witzhelden Peetz
Original assignee: CTC GmbH
Current assignee: CTC GmbH
Priority date: 1972-08-24
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1973-08-23
Also published as: NL7311630A; IT992329B; BE803880A; FR2196891A1

Description

rungstemperatur bei gleichzeitiger Beendigung des Plastifizierungsvorganges wird weiterhin sichergestellt, daß zum Beginn des Ineinanderschiebens von Rohr und Muffe deren Anlageflächen die gleiche Temperatur und damit das plastifizierte Material die gleiche Zähigkeit und Härte aufweist, so daß zähes Material des eines Teiles weniger zähes Material des anderen Teiles nicht mehr vor sich herschieben oder verdrängen kann und somit Fehlschweißungen vermieden werden.

Zu diesem Zweck werden unmittelbar nach Beendigung der Plastifizierung das Kunststoffrohr und die Kunststoffmuffe mit einer konstanten relativen Translationsgeschwindigkeit von etwa 0,3 cm/sek bis 0,75 cm/sek ineinandergeschoben.

Um jede Wulstbildung an der Außenseite der Muffe zu vermeiden und damit sicherzustellen, daß das gesamte plastifizierte Material unmittelbar an der eigentlichen Schweißverbindung teilnimmt, werden das Kunststoffrohr und die Kunststoffmuffe während des Einschiebevorganges zueinander gedreht. Dadurch werden die plastifizierten Materialien, ähnlich einem Schmiermittel, zwischen die Anlageflächen gezogen, wobei sich das plastifizierte Material stets den Weg des geringsten Widerstandes sucht und damit vorhandene Toleranzabweichungen, insbesondere am Außenumfang des extrudierten Rohres, zwischen Rohr und Muffe ausgleicht. Bei diesem Drehvorgang wird die relative Umfangsgeschwindigkeit des Kunststoffrohres zu der Kunststoffmuffe vorteilhaft etwa gleich der relativen Translationsgeschwindigkeit beider Teile gewählt, um somit ein Abreißen des plastifizierten »Filmes« beider Teile zu vermeiden.

In Versuchen hat sich inzwischen herausgestellt, daß die Plastifizierungstemperatur eines Rohres bzw. einer Muffe, soweit beide Teile aus Polybuten hergestellt sind, tunlichst zwischen 250° C und 350° C, vorzugsweise jedoch bei 330° C liegen soll. Bei der Wahl der richtigen Plastifizierungstemperatur sind unter anderem auch die Enthalpiedifferenzen zwischen den zu plastifizierenden Teilen und der Umgebung wesentlich, da mit steigender Enthalpiedifferenz der Wärmeübergang an die Umgebung zunimmt.

Bei einer Plastifizierungstemperatur von mindestens 280° C wurde gefunden, daß vorteilhaft die PIastifizierungszeit eines Rohres aus Polybuten mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Wanddicke von 2 mm etwa auf 4 Sekunden und einer darüberzuschiebenden Muffe aus Polybuten mit einem Außendurchmesser von 30 mm und einer Wanddicke von 5 mm auf etwa 10 Sek zu bemessen ist. Dabei sind stets Plastifizierungstemperatur und Plastifizierungszeit so aufeinander abzustimmen, daß mit steigender Plastifizierungstemperatur die Plastifizierungszeit abnimmt.

Als Gerät zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens wird vorteilhaft ein gut wärmeleitendes Metallstück mit einer den Innendurchmesser der Muffe entsprechenden Dorn und einer aus dem Metallstück herausragenden Buchse verwendet, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Kunstoffrohres entspricht, wobei die Wärmeübergangswiderstände zwischen dem Metallstück und dem Dorn bzw. der Buchse gleich groß sind. Hierbei sollen für die Buchse und den Dorn nur solche Metalle verwendet werden, die keine nachteiligen, z. B. katalytische, Wirkungen auf den betreffenden Kunststoff ausüben.

Einige Geräte und Schweißverbindungen, an denen das vorbeschriebene Verfahren näher erläutert werden soll, sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt

F i g. 1 den Querschnitt durch ein Schweißgerät mit eingeschobenem Kunststoffrohr und aufgeschobener Muffe,

Fig. 2 den Querschnitt durch ein Rohr und eine Muffe, während des Ineinanderschiebens,

ίο Fi g. 3 den Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Muffenverbindung und

Fi g. 4 den Querschnitt durch ein elektrisch betriebenes Schweißgerät mit lösbar eingesetzter Buchse und Dorn.

In den einzelnen Figuren ist prinzipiell mit 1 das Kunststoffrohr und mit 2 die Muffe bezeichnet.

In Fig. 1 besteht das Schweißgerät zum Plastifizieren der Anlageflächen Γ und 2' aus einem gut wärmeleitenden Metallstück 3, das in etwa seiner Mitte mit

so einer öffnung 3' zur Aufnahme eines Thermometers und an einer seiner Seitenflächen mit einer Bohrung 3" zur Aufnahme eines Handgriffes versehen ist. Die Buchse 4 zur Plastifizierung des Kunststoffrohres 1 und der Dorn 5 zur Plastifizierung der Anlagefläche 2' der Kunststoffmuffe 2 sind im vorliegenden Fall einstückig mit dem Metallstück 3 verbunden. Die Buchse 4 ist an ihrem dem Metallstück 3 zugewandten Ende mit einer Wärmedämmschicht 4' und der Dorn 5 an seinem entsprechenden Ende gleichfalls mit einer Wärmedämmschicht 5' ausgestattet, um somit ein Aufweichen der Stirnflächen 1" des Kunststoffrohres 1 und der entsprechenden Stirnfläche 2" der Kunststoffmuffe 2 zu verhindern. Zur Erzielung des gleichen Wärmeflusses pro Zeiteinheit von dem Metallstück 3 in die Buchse 4 bzw. in den Dorn 5 ist insbesondere die Ringfläche 4" der Buchse 4 genauso groß wie die Kreisfläche 5" des Domes 5 ausgebildet sowie — das gleiche Material von Buchse und Dorn und damit die gleiche Wärmeleitfähigkeit λ und die gleiche spezifische Wärme C_P vorausgesetzt - die an der Plastifizierung teilnehmenden Massen von Buchse 4 und Dorn 5 gleich groß bemessen. Im dargestellten Fall wird das Metallstück 3 durch eine Gasflamme 6 soweit erhitzt, bis das in der öffnung 3' befindliche Thermometer die der Plastifizierungstemperatur analoge Temperatur anzeigt. Alsdann wird dasjenige Teil mit der größeren Wanddicke, im vorliegenden Fall die Muffe 2 über den Dorn 5 geschoben und nach einer entsprechenden Zeitspanne das Rohr 1 in die Buchse 4 eingeführt. Dabei muß das Einschieben des Kunststoffrohres 1 zu einem solchen Zeitpunkt geschehen, daß die erforderliche Plastifizierung der Muffe 2 und des Rohres 1 zu gleicher Zeit beendet sind. Wenn also beispielsweise die Muffe 2 eine Plastifizierungszeit von 10 Sek. bei der vorgegebenen Plastifizierungstemperatur benötigt und das Rohr 1 bei der gleichen Temperatur eine Aufheizzeit von nur 4 Sek. benötigt, muß zunächst die Muffe 2 auf den Dorn 5 und nach 6 Sek. das Rohr 1 in die Buchse 4 eingeschoben werden, so daß nach 10 Sek. die Plastifizierung beider Teile 1 und 2 zum gleichen Zeitpunkt beendet ist. Alsdann werden das Kunststoffrohr 1 und die Muffe 2 gemäß der F i g. 2 ineinandergeschoben. Hierbei wird entweder die Muffe 2 auf das stillstehende Rohr 1 oder das Rohr 1 auf die stillstehende Muffe 2 oder beide Teile 1, 2 zugleich koaxial aufeinanderzubewegt. Die relative Translationsgeschwindigkeit v, beider Teile zueinander soll

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etwa zwischen 0,3 und 0,75 cm/sek liegen. Um an der auch die Plastifizierungszeiten gleich lang bemessen. Stirnseite 2" der Muffe 2 keine Wülste, das heißt keine In Fig. 4 ist eine besonders vorteilhafte Ausfüh-Ringe von herausgedrücktem plastifiziertem Material rungsform eines Schweißgerätes dargestellt. Bei dieser des Kunststoffrohres 1, entstehen zu lassen, als viel- Ausführung sind die Buchse 4 und der Dorn 5 lösbar mehr das gesamte plastifiziert© Material zwischen die 5 mit dem Metallstück 3 verbunden, das durch einen Anlageflächen Γ und 2'zu ziehen, werden die Muffe 2 Widerstandsdraht auf die erforderliche PlastifMe- und/oder das Rohr 1 während des Einschiebevorgan- rungstemperatur erhitzt wird und durch eine Wärmeges zueinandergedreht. Hierbei soll die relative Um- dämmschicht 3'" an einer zu starken Wärmeabgabe f angsgeschwindigkeit v„ beider Teile 1,2 in Höhe iher an die Umgebung gehindert wird. Im oberen Teil der Anlageflächen 1', 2' etwa so groß wie die relative 10 Fig. 4 sind die Buchse 4 und der Dorn 5 in das Mittel-Translationsgeschwindigkeit v_t sein. Auf diese Weise teil 3 eingeschraubt, während sie im unteren Teil der wird plastifiziertes Material des Rohres 1 an der An- Fig. 4mittels eines Bajonettverschlusses konisch einlagefläche 1' und das plastifizierte Material der gepaßt sind. Auf diese Weise können die Buchse 4 Muffe 2 an ihrer Anlagefläche 2' wie ein Schmierfilm und der Dorn 5 gegen entsprechende andere Teile hineingezogen, so daß eventuell vorhandene Überto- 15 zum Schweißen von größeren oder kleineren Rohren leranzen der Muffe 2 bzw. die häufiger auftretenden ausgewechselt werden, ohne daß dazu das gesamte Untertoleranzen des Rohres 1 ausgeglichen werden Schweißgerät neu konzipiert werden muß. Auch hierkönnen. Weiterhin wird dadurch der Flächendruck bei sind die Wärmeübergangsflächen zwischen dem zwischen den Anlageflächen 1'und 2'erhöht, was wie- Mittelteil 3 und der Buchse 4 einerseits sowie zwiderum der Festigkeit und Qualität der Schweißverbin- ao sehen dem Mittelteil 3 und dem Dorn 5 andererseits dung dienlich ist. " so zu bemessen, daß der Wärmefluß pro Zeiteinheit F i g. 3 zeigt eine »Muffenverbindung«, bei der das vom Mittelteil 3 in beide Teile 4,5 gleich groß ist oder Rohr 1 mit einem anderen Rohr 7 gleicher Wand- anders ausgedrückt, die Wärmeflußwiderstände zwidicke verbunden ist, dessen vorderes Ende zu einer sehen Mittelteil 3 und den beiden Teilen 4 und 5 sol-Muffe 2 aufgeweitet wurde. Diese Aufweitung kann 25 len so bemessen sein, daß der gleiche Wärmeübergang sowohl vor dem eigentlichen Plastifizierungsvorgang gewährleistet ist. Im Mittelteil 3 sind weiterhin zwei als auch während des Plastifizierungsvorganges mit ei- Temperaturfühler 8 angeordnet, die das Erreichen nem geeigneten Spreizwerkzeug durchgeführt wer- der erforderlichen Plastifizierungstemperatur über den. Da im vorliegenden Fall die Wanddicken beider optische oder akustische Signale der betreffenden BeRohre 1, 7 gleich groß sind, werden in diesem Fall 30 dienungsperson anzeigen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 ziert sowie unmittelbar nach gleichzeitiger Beendi- Patentansprüche: gung des Plastifizierungsvorganges zügig ineinandergeschoben werden.

1. Schweißverfahren zur Herstellung einer un- Es ist ein Verfahren dieser Art bekannt, zu dessen lösbaren Verbindung eines Kunststoffrohres mit 5 Durchführung ein zum wahlweisen Stumpf- oder einer Kunststoffmuffe, die beide aus einem Poly- Muffenschweißen von Polyäthylenrohren dienendes olefin bestehen und jeweils an ihren Anlageflä- Gerät verwendet wird. Dieses Gerät besteht aus einer chen thermisch plastifiziert sowie unmittelbar mit planparallelen Flächen versehenen beheizten nach gleichzeitiger Beendigung des Plastifizie- Platte, die als Träger für beidseitig an ihr befestigbare, rungsvorganges zügig ineinandergeschoben wer- 10 durch sie beheizte, auswechselbare, ringförmige den, dadurch gekennzeichnet, daß bei Buchsen bzw. Dorne zum Außen-bzw. Innenerhitzen gleicher Plastifizierungstemperatur die Plastifizie- des Rohres bzw. der Muffe ausgebildet ist. Zur rungszeiten des Kunststoffrohres (1) und der Durchführung des Schweißverfahrens wird dieses Kunstoffmuffe (2) etwa in direkt proportionalem Schweißgerät auf etwa 250° C erhitzt, dann das Ende Verhältnis ihrer Wanddicken gewählt werden. 15 des Rohres in den leicht konischen Innenraum der

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch Buchse bis zum Anstoß an den Boden eingeführt, gekennzeichnet, daß das Kunststoffrohr (1) und während gleichzeitig die Muffe über einen Dorn bis die Kunststoffmuffe (2) mit einer konstanten, re- zur Anlage an die Platte geschoben wird. Dadurch lativen Translationsgeschwindigkeit (v,) von ca. werden das Rohr und die Muffe an ihrem Umfang 0,3 bis 0,75 cm/sek ineinandergeschoben werden. 20 und an ihren Stirnflächen plastifiziert. Nach dem Ab-

3. Schweißverfahren nach den Ansprüchen 1 ziehen des Rohres und der Muffe von dem Schweißge- und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunst- rät werden sie ineinandergedrückt, wodurch eine allstoffrohr (1) und die Kunststoffmuffe (2) während seitige Verschweißung im Bereich der Muffe eintreten des Einschiebevorganges zueinandergedreht wer- soll. Wie sich zwischenzeitlich herausgestellt hat, ist den. 25 dieses vorbekannte Verfahren nur mit einer hohen

4. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch Ausschußquote durchzuführen. Dies hat seine Ursagekennzeichnet, daß die relative Umfangsge- ehe zum einen in den unterschiedlichen Wärmeüberschwindigkeit (v„) des Kunststoffrohres (1) zu der gangen von der Heizplatte an die unterschiedlich Kunststoffmuffe (2) während des Drehvorganges großen Buchsen bzw. Dorne und zum anderen etwa gleich der relativen Translationsgeschwin- 30 in der geringen Temperatur der außenliegenden Heizdigkeit (v₍) beider Teile ist. fläche für die Muffe infolge der starken Konvektion

5. Schweißverfahren nach den Ansprüchen 1 der sie umspülenden Außenluft sowie in der höheren bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastifizie- Temperatur der innenliegenden Heizfläche für den rungstemperatur eines Rohres (1) bzw. einer Rohraußenmantel. Eine weitere Ursache sind, insbe-Muffe (2) aus Polybuten je nach Höhe der Umge- 35 sondere bei kleinen Rohren, die relativ großen, auf bungstemperatur zwischen 250° C und 350° C, den Extrusionsprozeß zurückgehenden Toleranzen vorzugsweise bei 330° C, gewählt wird. der Wanddicken, wodurch Rohr und Muffe über ihren

6. Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch Umfang unterschiedlich tief plastifiziert werden. Das gekennzeichnet, daß bei einer Plastifizierungs- führt dazu, daß entweder das Kunststoffrohr zu stark temperatur von mindestens 280° C die Plastifizie- 40 und/oder die Kunststoffmuffe zu gering plastifiziert rungszeit eines Rohres (1) aus Polybuten mit ei- werden. Die Folge ist zum einen ein Zusammenfallen nem Außendurchmesser von 20 mm und einer des zu stark erhitzten Rohres und zum anderen eine Wanddicke von 2 mm auf etwa 4 Sek. und einer Verdrängung des weniger zähen plastifizierten Matedarüberzuschiebenden Muffe (2) aus Polybuten rials des Kunststoffrohres durch das zähere plastifimit einem Außendurchmesser von 30 mm und ei- 45 zierte Material der Muffe, so daß die auf diese Weise ner Wanddicke von 5 mm auf etwa 10 Sek. bemes- erstellten Schweißverbindungen einer nach der Modisen wird. fikationszeit durchgeführten Druck-, Biegezug- und

7. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Zerreißprobe nicht standhielten.

den Ansprüchen Ibis 6, bestehend aus einem gut Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

wärmeleitenden Metallstück mit einem dem In- 50 Schweißverfahren der eingangs genannten Art zu nendurchmesser der Muffe entsprechenden Dorn schaffen, welches unter Vermeidung der vorgenann- und einer aus dem Metallstück herausragenden ten Nachteile mit einfachen Mitteln eine gleichblei-Buchse, deren Innendurchmesser dem Außen- bend gute und dauerhaft haltbare Verbindung sicherdurchmesser des Kunststoffrohres entspricht, da- stellt.

durch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangs- ₅₅ Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gewiderstände zwischen dem Metallstück (3) und löst, daß bei gleicher Plastifizierungstemperatur die dem Dorn (5) bzw. der Buchse (4) gleich groß Plastifizierungszeiten des Kunststoffrohres und der sind. Kunststoffmuffe etwa in direkt proportionalem Ver

hältnis ihrer Wanddicken gewählt werden. Die mit 6o diesem Verfahren hergestellten Schweißverbindun-

gen haben f öllig gleichmäßige Schweißungen ergeben,

die sämtliche Belastungsproben bestanden. Dies ist insofern überraschend, da Fachleute auf diesem Ge-

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren und biet bisher die Auffassung vertraten, daß eine untereine Vorrichtung zur Herstellung einer unlösbaren 65 schiedliche Wanddicke der zu plastifizierenden Teile Verbindung eines Kunststoffrohres mit einer Kunst- auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der stoffmuffe, die beide aus einem Polyolefin bestehen Kunstoffe generell keinen Einfluß auf die Plastifizie- und jeweils an ihren Anlageflächen thermisch plastifi- rungstiefe haben sollten. Durch die gleiche Plastifizie-