DE4241561C2 - Elektrisch schweißbare Rohrverbindungsteile aus thermoplastischem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für thermoelektrisch schweißbare Rohrverbindungsteile aus thermoplastischem Material wie thermoplastische Kunststoffe, sowie ein Werkzeug, welches bei einem solchen Verfahren verwendet wird.

Die Funktionstauglichkeit von elektroschweißbaren Rohrleitungsteilen bzw. Elektroschweißfittings, also Elektroschweißmuffen oder Elektroschweißringe, wie sie zum Bau von Rohrleitungen aus thermoplastischen Kunststoffen zur Anwendung kommen, hängt im wesentlichen von der Lage des Heizleiters in bezug auf die für die Rohrverbindung maßgebende Innenfläche des Muffenkörpers und die Außenfläche des Rohrkörpers ab. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, daß der Heizleiter im Fittingkörper so eingebettet ist, daß die gesamte Heizdrahtoberfläche zur unmittelbaren Wärmeübertragung an den in der Fügezone für die Verschweißung von Rohr und Rohrleitungsteil in Form von thermoplastischer Schmelze benötigten Materialanteil beteiligt ist. Zudem muß der Heizleiter im Fittingmaterial so stabil verankert sein, daß die Wär­ medehnung des Heizdrahtmaterials während der Energieeingabe im mehr und mehr sich aufweichenden bzw. aufschmelzenden Umgebungsmaterial nicht zu unkontrollierten Drahtbewegungen in hauptsächlich axialer Richtung der Rohrverbindung führt, was zu örtlicher Überhitzung und somit zur Kurzschlußbe­ rührung von einzelnen Drahtwindungen führen könnte.

Zusammengefaßt ergeben sich für einen gut funktionierenden elektro­ schweißbaren Fitting an die Mechanismen der Energie-Einbringung folgende Anforderungen:

• - Der Heizleiter soll mit maßlich festgelegtem, möglichst geringem Ab­ stand zur Fügefläche im Fittingkörper liegen.
• - Der Heizleiter soll, ohne nennenswerte Lufteinschlüsse, vom Fitting­ material vollständig umhüllt sein. Isolierende Luft führt zonenweise zu überhitzten Drahtoberflächen.
• - Die Fügefläche soll nach dem Einbringen des Heizleiters eine möglichst glatte, gleichmäßige Oberfläche aufweisen. Rillen und wulstförmige Kämme, die durch zusätzliche isolierende Luftschichten zwischen den zu verschweißenden Oberflächen den Aufschmelzvorgang stören und überdies ein erhebliches Risiko von Lufteinschlüssen und/oder Lunkern beim Schweißvorgang bilden, sind nicht erwünscht.

Diese Forderungen können als generell geltend für die Verschweißung von Thermo­ plasten mittels eingebetteten Heizdrähten betrachtet werden. Da Kunststoff nur unter Druck verschweißt, muß außerdem die Erzeugung eines ausrei­ chenden Schmelzdruckes bzw. Fügedruckes gesichert sein, was ebenfalls ein wichtiges Kriterium (Temperatur, Zeit, Fügedruck) für die Schweißqualität ist.

So beschreibt bspw. die Schweizer Patentschrift CH 515 449 zur Herstellung von Elektroschweißmuffen verschiedene konstruktive Ansätze mit der Haupt­ zielsetzung, den Heizleiterdraht gegen Berührung zu schützen. Bei dieser relativ frühen Technologie werden bei keiner der gezeigten Varianten alle Kriterien der oben angegebenen Anforderungen erfüllt, viel­ mehr bleibt ein großer Abstand des Heizleiters von der Fügefläche und/oder eine mangelhafte Verankerung des Heizleiters im Muffenkörper mit unakzep­ tablen Hohlräumen und Lufteinschlüssen bestehen.

Weitere beispielsweise Verbesserungsvorschläge von Verfahren mit zugehöri­ gen Vorrichtungen werden in den Europäischen Patenten EP 00 58 175 und EP 00 86 359 beschrieben. Der Heizleiter wird in einem Arbeitsgang in einen hül­ senförmigen Muffenkörper aus thermoplastischem Kunststoff eingelegt. Bei beiden Methoden wird mit einem betreffend der Schneidengeometrie nicht näher präzisierten Schneidewerkzeug die Innenfläche der Bohrung des Muf­ fenkörpers zu einer spiralförmigen Nut aufgeschnitten und gleichzeitig, durch eine dem Heizleiterdraht angepaßte Führung durch das Schneidewerkzeug hindurch, der Heizleiter in die vorgenannte Spiralnute eingelegt und das auf­ geworfene Material so gut wie möglich über den eingelegten Draht gedrückt. Beide Druckschriften beschreiben dabei sehr ähnliche Verfahren, wobei das Endresultat sich wenig von der in dem oben erwähnten Patent CH 5 15 449 beschriebenen Variante unterscheidet. Es wird sogar der be­ kannte Nachteil in Kauf genommen, daß ein wesentlicher Anteil der blanken Heizleiteroberfläche mindestens in der Anfangsphase des Schweißvorgangs offen an der Umgebungsluft liegt, womit diese Partie der Wärmeaustausch­ fläche nur mittelbar, nach der Auffüllung der Freiräume zwischen Muffenkör­ per und den zu verschweißenden Rohrenden, aktiv an der Bildung von Schmelze beteiligt ist. Weiter wirkt sich negativ aus, daß bis zum Zeitpunkt der vollständigen Schmelzeeinbettung des Heizleiters, dessen luftisolierter Oberflächenanteil unkontrolliert hohe Temperaturen erreichen kann. Zudem besteht in diesem Zeitraum ein erhebliches Risiko der Blasenbildung durch von Schmelzeanteilen eingekapselte Luft, die aus Hohlräumen längs der Spiralbahn des Heizleiters nicht kontinuierlich und gleichmäßig nach außen verdrängt wurde.

Die bei der Energieübertragung auftretenden Mängel der vorgängig diskutier­ ten Verfahrensweise zum Einbringen des Heizleiters in einen Muffenkörper, versucht bspw. das im Europäischen Patent EP 01 19 738 angegebene Verfah­ ren mit einer grundsätzlich anderen Rillenbildung zu verbessern. Es werden hier die elastischen Eigenschaften des Muffenmaterials ausgenützt, indem Kunststoffmaterial verdrängt, der Draht in die so gebildete aufgespannte Nut eingelegt, die Verdrängung entlastet und der Draht dadurch so gut wie mög­ lich eingeklemmt und damit gehalten wird. Nachteilige Wirkung hat jedoch der durch das Aufpflügen der Oberfläche bedingte, plastisch verformte dicke Materialwulst, der abschließend teilweise oder ganz über den Heizleiter ge­ drückt werden muß. Hier wird durch den schräggestellten Einschnitt der Heizleiterdraht wohl besser umfaßt, vorausgesetzt daß die Nute genügend tief geschnitten wird, der tiefe Einschnitt hat aber zwangsläufig zur Folge, daß der Heizleiter relativ tief in den Muffenkörper zu liegen kommt, was die Schweißeigenschaften der Elektroschweißmuffe negativ beeinflußt. Wird, um diesen Nachteil zu beseitigen, die Nute dagegen nur minimal tief geschnitten, so besteht die Gefahr, daß der Heizleiter wegen der zu geringen Verdrän­ gung und Rückwirkungskräften während dem Wickelvorgang teilweise wieder aus der Spiralnute schlüpft, was zu Ausschußteilen führt. Beim Überdecken des Drahtes bildet sich durch Andrücken des aufgepflüg­ ten Randes entlang der Einlegelinie ein spiralförmiger Wulst, der zu Lunker­ bildung in der Fügezone zwischen Muffe und Rohr beitragen kann.

Die auf den ersten Blick vorteilhaft erscheinende Methode des Einpflügens des Heizleiters durch Einschneiden der Oberfläche, Einlegen und, durch die Rückstellkräfte, Einklemmen desselben, hat den grundsätzlich gravierenden Nachteil, daß mit dem eingelegten Heizleiter der entsprechende Volumen­ anteil des thermoplastischen Materials nicht entfernt, sondern nur bedingt kontrollierbar verdrängt bzw. verlagert wird und dann in Form von Rillen- und Wulstanteilen in der Fügefläche störend zurückbleibt. Die dadurch be­ wirkten Nachteile bei der Verschweißung zweier Flächen sind oben schon erwähnt worden.

Wie bei den vorgängig beschriebenen Wickelmethoden, steht der Draht auch im schrägen Einschnitt unter Zug, was latente Radialkräfte bewirkt. Steigt nun örtlich oder in einem gewissen Bereich diese radiale Kraftkomponente über die zurückhaltenden Reibkräfte an, so wird der Heizleiterdraht soweit in der Spiralnute radial nach innen rutschen, bis das Kräftegleichgewicht wieder hergestellt ist. Mit welchem Abstand der Heizleiterdraht dann gegenüber der Bohrungsoberfläche im Muffenkörper schließlich zu liegen kommt, ist nicht genau vorbestimmbar.

Zumindest während der Einlegeoperation wird der Draht im wesentlichen durch Reibung zwischen dem Muffenmaterial und dem Heizlei­ termaterial im Muffenkörper festgehalten, was wegen der generell kleinen Reibungszahl zwischen Thermoplast und Metalldraht nur mit großen Klemm­ kräften einigermaßen sicher funktioniert. Dieses wiederum kann zu hoher Zugbelastung im Heizleiterdraht führen. Dadurch kann z. B. ein dünner und weicher Kupferdraht bleibend verstreckt werden, was Zwangs­ läufig den Ohm′schen Widerstand der Heizwicklung unkontrollierbar erhöht und bei der Vorgabe, von funktionsgerechten, engen Fertigungstoleranzen ebenfalls kostspieligen Ausschuß ergibt.

Eine generelle Problematik besteht beim Einlegen des Heizleiterdrahtes mit simultaner Ausführung des Nutenschneidens darin, daß je nach konstruk­ tiver Gestaltung der Drahtdurchführung durch das Schneidewerkzeug ein erhebliches Störungsrisiko wegen Werkzeugbruch und/oder Verklemmen des Heizleiterdrahtes besteht. Entweder nimmt man bei genügender Wandstärke des Schneidwerkzeuges um die Drahtdurchführung eine zu große Aufweitung der Einlegenut in Kauf oder man vermeidet dies durch möglichst dünne Wandstär­ ken und riskiert einen Werkzeugbruch. Hier kann man nur einen Kompromiß schließen. Statt mit optimaler Verarbeitungsgeschwindigkeit die Einbettung vorzubereiten, um dann unter optimalen Umständen und mit einem für den Einbettungsvorgang optimierten Werkzeug den Heizdraht einzubetten, wo­ durch weniger Reibung und weniger Umgebungsschäden entstehen, ist man gezwungen, buchstäblich "zwischendurch zu fahren". So wird bspw. auch die Maschinengeschwindigkeit, um Produktionsstörungen zu minimieren, entspre­ chend langsam gewählt, was die bei diesen Verfahren bisher angenommene Wirtschaftlichkeit einer Zusammenlegung der beiden Verfahrensschritte "Spiralnute schneiden" und "Heizleiterdraht einlegen" gegenüber der Durch­ führung dieser Verfahrensschritte in Einzeloperationen in Frage stellt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von elektrisch schweißbaren Rohrverbindungsteilen, welche die eingangs genannten generellen Anforderungen erfüllen, zur Verfügung zu stellen und die Nachteile bekannter Fertigungsverfahren dieser Art zu vermeiden. Ferner soll ein Werkzeug bereitgestellt werden, mit dem die kostengünstige Herstellung von elektrisch schweißbaren Rohrverbindungsteilen möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 14.

Mit der in den Patentansprüchen definierten Erfindung können elektrisch schweißbare Oberflächen für Fittings wie Elektro-Schweißmuffen, Elektro- Schweißringe und dergleichen Produkte hergestellt werden, was natürlich auch ebene Flächen beinhaltet.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Fig. 2 bis 7 wird ein Beispiel des erfin­ dungsgemäßen Vorgehens zum Einbringen des Heizleiterdrahtes in einen aus thermoplastischem Material bestehenden Körper einer Elektroschweißmuffe mit einigen Spiralnutenformen, die durch aneinandergereihte, erfindungsge­ mäße Verfahrensschritte erstellt werden, im Detail diskutiert, wogegen die Fig. 1a bis 1c den Problemkreis aufzeigen, der durch die Erfindung umgangen wird.

Fig. 1a zeigt im Schnitt einen Teil einer bekannten Spiralnutenform mit ange­ deutetem Heizleiter beim Einlegevorgang; der Einfluß der Spiralnutgeometrie auf die Kräfteverteilung ist durch Pfeile dargestellt.

Fig. 1b zeigt eine andere bekannte Spiralnutenform mit angedeutetem Heiz­ leiter beim Einlegevorgang.

Fig. 1c zeigt eine weitere Spiralnutenform mit angedeutetem Heizleiter beim Einlegevorgang.

Fig. 2a zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, im Teilschnitt einer Fügepartie, einen thermoplastischen Muffenkörper, bei dem die Draht­ abdeckung mit einer nicht zeichnerisch dargestellten, geradlinigen, stechbeitelförmigen Klinge symmetrisch vorgeschnitten, mittig getrennt und radial aufgestellt ist.

Fig. 2b zeigt ein um die Drahtbettiefe (E) eingetieftes, dem gewählten Drahtdurchmesser (D) an­ gepaßtes Drahtbett, das mit einem Halbrund-Formstahl spanend be­ arbeitet wurde.

Fig. 2c zeigt den entsprechenden Heizleiter, der in das Drahtbett eingelegt ist, wobei anschließend die Drahtabdeckung gegen den Heizleiter zurück­ geführt und an diesen angedrückt wurde.

Fig. 2d zeigt das zu Fig. 2c zugehörige Schema der Kräfteverteilung auf den eingelegten Heizleiter.

Fig. 2e zeigt die Schnittlinien rund um das Drahtbett mit dem fertig eingebet­ teten Heizleiter.

Fig. 3a zeigt eine Draht-Abdeckung, die mit symmetrisch trennender, profilier­ ter Stechbeitelklinge vorgeschnitten und radial aufgestellt wurde.

Fig. 3b bis Fig. 3e zeigen analoge Operationsschritte wie Fig. 2b bis Fig. 2e.

Fig. 4a zeigt eine Drahtabdeckung, die mit geradliniger, asymmetrisch, also einlippig trennender Stechbeitelklinge vorgeschnitten und radial aufge­ stellt wurde.

Fig. 4b bis Fig. 4e zeigen analoge Operationsschritte wie Fig. 2b bis Fig. 2e.

Fig. 5a und 5b zeigen ein Werkzeug zur Vorbereitung eines Unterniveau- Drahtbettbodens mit Abdeckung gemäß allgemeinem Verfahrensschritt II, hier kombiniert als Stechbeitel-Schneidwerkzeug und Drahtbett- Spanwerkzeug.

Fig. 6a und 6b zeigen ein Werkzeug zum Einlegen des Heizleiters und an­ schließendem Anpressen der Abdeckung gemäß allgemeinem Ver­ fahrensschritt III.

Fig. 7a bis 7e zeigen eine Variante, bei welcher der Unterniveau-Drahtbett­ boden zwischen das Drahtbett und die Fügefläche gelegt wurde und das Drahtbett in die Abdeckung über dem Drahtbettboden eingearbeitet wurde.

Die in Fig. 1a im Längsschnitt durch den Muffenkörper dargestellte Spiral­ nute stellt ein klassisches Beispiel einer Nutgeometrie dar, die durch span­ abhebende Bearbeitung erzeugt wurde. Der Heizleiterdraht wird unter mäßi­ ger Zugspannung mit Hilfe von einer nicht dargestellten rollenden oder glei­ tenden Drahtführungs- und Einlegevorrichtung in die für den verwendeten Draht etwas zu eng geschnittene Spiralnute kontinuierlich eingepreßt. Die seitlich auf den Heizleiter wirkenden Klemmkräfte K1 und K2 bewirken die Reibkräfte R1 und R2 welche der radialen Kraftkomponente Z, hervorgeru­ fen durch die Zugspannung des Drahtes, entgegenwirken. Sind die Klemm­ kräfte entlang des eingelegten Heizleiterdrahtes genügend groß und die Aus­ lenkkraft am Draht während dem Einlegevorgang verhältnismäßig klein, so sind die Bedingungen für eine sichere Positionierung der Drahtwicklung im Muffenkörper gegeben. Das maßgebende Kriterium ist die Zuordnung von Drahtdurchmesser D und Nutweite N mit Berücksichtigung der fabrikations­ technischen Maßtoleranzen.

Wird die Nute nicht spanabhebend eingearbeitet, sondern nur aufgeweitet, so ist die Nutbreite wesentlich größer als der Drahtdurchmesser, der durch einen gestrichelten Kreis dargestellt ist. Es ist dann schwierig, den Heizdraht so tief in den Spalt einzubringen, daß er dort eingeklemmt und gehalten wird.

Ein weiteres Vorgehen zur Herstellung von Spiralnuten ist das partielle Zer­ spanen und Pflügen im gleichen Arbeitsgang; eine so entstandene Rillenform ist in Fig. 1b dargestellt. Bemerkenswert ist hier der durch die Verdrängungswirkung des entsprechend geformten Schneidwerkzeuges beid­ seitig der offenen Rille aufgeworfene Materialwulst. Mit einem speziell aus­ gebildeten Drahtführungs- und Glättewerkzeug können nun beim Einlegen des Heizleiterdrahtes diese wulstartigen Materialpartien so gegen den Draht gedrückt werden, daß der Draht mindestens teilweise überdeckt wird, womit im weiteren Verlauf der Fertigung, zusätzlich zu den in Fig. 1a ge­ zeigten Reibkräften, die Verengung der Rillenöffnung ein Herausschlüp­ fen des Heizleiterdrahtes erschwert.

Bei der in Fig. 1c dargestellten Rille ist das Hauptaugenmerk auf die Aus­ bildung eines in die Muffeninnenfläche hineinragenden Lappens gelegt, wel­ cher anschließend an den Drahteinlegevorgang zur vollständigen Überdec­ kung des Heizleiters verwendet wird. Bis zum Zeitpunkt, nachdem der erwähnte Lappen nach einem speziellen Arbeitsschritt durch Wärmezufuhr durch den Heizleiterdraht teilweise mit dem Muffenmaterial verschweißt ist, besteht speziell während des Einlegevorgangs eine labile Situation bezüglich der Posi­ tion des Heizleiterdrahtes in der noch offenen Rille. Die radiale Kraftkom­ ponente Z der am Draht wirkenden Zugkraft wird durch die schräggestellte Auflagefläche in das Kraftkomponentenpaar Z1 und Z2 aufgeteilt. Die infolge Z2 wirkende Reibkraft Rz2 ist naturgemäß immer kleiner als Z1. Um ein Kräftegleichgewicht zu erreichen, sind, wie bei Fig. 1a beschrieben, zusätzli­ che durch Klemmwirkung zwischen Nute und Draht erzeugte Reibkräfte nötig. Bei dieser Methode ist darauf zu achten, daß die Klemmwirkung durch die Kraftkomponente Z2 reduziert wird. Die Position des Heizleiterdrahtes ist erst bestimmt, wenn die Summe von R1, R2 und Rz2 größer als Z1 wird. Da das ganze Kräftesystem durch die Zugkomponente Z1 beeinflußt wird, ist es verständlich, daß der Produktionsablauf mit dieser Form der Nutengeometrie nicht leicht stabil zu halten ist.

Die allgemeine Lösungsidee besteht demgegenüber in der Schaffung eines definierten Unter­ niveau-Drahtbettes und im Detail darin, die Spiralnute geometrisch so zu gestalten, daß der eingelegte Heizleiterdraht beim Einlegevorgang in maßlich vorbestimmter Lage, mit geringem Abstand zur vorbestimmten Fügefläche, vollumfänglich im Material des Muffenkörpers eingebettet und gehalten ist. Dies wird durch einen Schneid-/Zerspanvorgang durchgeführt, mittels welchem eine tiefendefinierte Abdeckzone durch Bildung eines Unter­ niveau-Drahtbettbodens und eine auf den verwendeten Drahtdurchmesser abgestimmte Einbettzone geschaffen werden. In die Einbettzone wird der Heizleiterdraht formpassend eingelegt, die Abdeckzone erlaubt ein luftfreies Verschließen mit einer Decke von definierter Dicke. Dadurch kann ein Heiz­ leiterdraht völlig luftfrei in gleichbleibender Einbettungstiefe verlegt werden. Durch den Einsatz eines frei programmierbaren, rechnergestützten Bearbei­ tungszentrums sollen die einzelnen Operationsschritte zugunsten optimaler Maschinengeschwindigkeiten und optimaler Werkzeugausgestaltungen teil­ weise oder ganz separiert aneinandergereiht ausgeführt werden.

Bei einer Schweißmuffe mit Spiralanordnung des Heizleiters empfiehlt es sich, die vorgängigen Bearbeitungsoperationen, das Drahteinlegen, das Zu­ rückbiegen und Andrücken der Drahtabdeckung auf einer handelsüblichen CNC-Drehmaschine mit Werkzeugwechselautomatik und teilweise erweiter­ ten Softwarefunktionen in einer Werkstückaufspannung durchzuführen.

Die Operationsschritte gemäß den Fig. Xa, Xb können einzeln hinter­ einander mit entsprechenden getrennten Werkzeugen (Stechbeitel und span­ abhebendes Werkzeug) oder simultan mit einem kombinierten Spezialwerk­ zeug (welches in Fig. 5 dargestellt ist) ausgeführt werden. Das Drahteinlegen, Zurückbiegen und Andrücken der Drahtabdeckung gemäß den Fig. Xc und Xd kommt mit Hilfe eines anderen kombinierten Spezialwerkzeuges zur Ausführung. Die sichere Positionierung des Heizleiters nach der Versiegelung gemäß Fig. Xe ist damit gewährleistet. Für den Siegel- und Glättevorgang der Fügefläche wird, als Teil der Konfektionierungsstraße, eine weitere Spe­ zialvorrichtung eingesetzt.

Beschreibung der gemeinsamen Schritte I-V des Verfahrens zur Herstellung einer Schweißmuffe:

I: Vorbereitung der Fügefläche. Der im Spritzgießverfahren oder als ex­ trudiertes Rohrstück hergestellte Muffenrohling wird nach Ablauf der je nach verwendetem Thermoplast notwendigen Nachschwindungszeit dem Zwischenlager entnommen. Alle Bearbeitungsoperationen erfolgen auf einer CNC-Drehmaschine. Die Innenpartie des Rohlings wird nun span­ abhebend bearbeitet.

II: Einarbeiten des Drahtbettes. In die nun rundlaufende und maßgenaue Bohrung wird mit Hilfe eines Drehstahls, der eine stechbeitelartige Klin­ ge sowie eine quergestellte Trennschneide aufweist, der in Fig. Xa dar­ gestellte Unterniveau-Drahtbettboden sowie die Drahtabdeckung vor­ bereitet. Entsprechend der Schichtdicke A wird die Klingenbreite B so gewählt, daß der gewünschte Abstand C zwischen den geöffneten Ab­ deckungspartien, ohne störende Deformation derselben, eingehalten wer­ den kann. Entsprechend dem vorgegebenen Drahtabstand in den beiden künftigen Schweißzonen sowie der zur Abgrenzung derselben vor­ gesehenen Mittelpartie wird die jeweils günstigste Steigung mit möglichst sanftem Übergang von einem Steigungswert zum andern programmiert. Simultan, mittels eines kombinierten Spezialwerkzeuges oder als zusätzli­ cher Schritt, wird nun, mit identischem Steigungsprogramm, ohne die geöff­ nete Drahtabdeckung zu verletzen, das profilierte Drahtbett spanend in den Unterniveau-Drahtbettboden eingearbeitet. Damit ist die Muffe zum Einlegen des Heizleiters vorbereitet. Es emp­ fiehlt sich, den Drahtbettboden mit Abdeckung und das Drahtbett mit dem in Fig. 5 gezeigten Spezialwerkzeug in einem Arbeitsgang herzu­ stellen.

III: Einlegen des Heizleiters. Mit Hilfe eines profilierten Drahtführungs- und Einlegefingers, kombiniert mit einem Anpreßschuh mit Führungs- und Biegepartie für das Rückstellen und Positionieren der Drahtabdeckung, wird der Heizleiter zwischen die nahe an den zwei Stirnflächen des Muf­ fenkörpers für die Aufnahme der Kontaktelemente vorgesehenen Boh­ rungen in das spiralförmig durchlaufende Drahtbett eingebracht. Dazu verwendet man die gleichen Steigungsparameter, die man für die Bildung des Drahtbettes verwendete. In der Regel findet lediglich ein Werkzeug­ wechsel und eine vorprogrammierte Parameteranpassung statt. Wie ge­ sagt, läuft dieser Vorgang getrennt vom Bilden des Unterniveau-Draht­ bettes ab. Man hat hier die Möglichkeit, die Geschwindigkeit für das Ein­ legen exakt den Eigenschaften des einzulegenden Heizleiters bezüglich der Drahtbelastung anzupassen.

IV: Anbringen der Anschlußkontakte. Das Glätten der Fügefläche kann durch Aufheizen des eingelegten Heizleiters geschehen. Bevor jedoch die zusammengedrückten Stöße der Abdeckung zusammengeschmolzen wer­ den können, müssen, weil man die Eigenheizleistung des eingelegten Heizleiters verwendet, die freien Enden des Heizleiter-Wendels mit den auch für die spätere Verschweißung verwendbaren Kontaktelementen versehen werden.

V: Schließen und Glätten der Fügefläche. Die so vorbereitete Schweißmuffe wird in eine Presse eingelegt und zugleich über die Kontaktelemente an eine geeignete Stromquelle angeschlossen. Ein kühlbarer Paßdorn wird in die mit dem Heizwendel versehene Muffenbohrung eingeschoben, wobei die spiralförmig über dem Heizleiter verlaufende Deckschicht gegen die Wandung des Muffenkörpers und gegen den eingelegten Heizleiter ge­ drückt wird. In diesem Zustand wird nun kurzzeitig soviel elektrische Energie durch den Heizleiter geschickt, daß die vom Paßdorn mecha­ nisch satt geschlossenen Schnittlinien verschmolzen werden. Auf dem nun mit Kühlmedium durchflossenen Paßdorn verfestigt sich die geglättete Innenoberfläche zur maßgenauen Bohrung der fertigen Schweißmuffe.

Das Verfahren ist in analoger Weise auch für Schweißringe mit Außen­ wicklung anwendbar oder aber für andere beliebige Flächen, insbesonde­ re Ebenen, bei denen eine mit Kühlmedium durchflossene Preßplatte verwendet wird. Als weitere unabhängige Konfektionierungsoperationen werden der Schweißindikator und allenfalls der zentrale Rohran­ schlagring montiert.

Die einzelnen Ausführungsformen bezüglich ihrer Formgebung:

Die Fig. 2a-e zeigen eine Ausführungsform, bei der die Drahtabdeckung symmetrisch zum Heizleiter angelegt ist.

Gemäß Fig. 2a wird in den vorbereiteten, glatt bearbeiteten Muffenrohling 1 die Drahtabdeckung 3 mit einer in Fig. 5 dargestellten geradlinigen, stechbeitelförmigen Klinge symmetrisch vorgeschnitten, mittig getrennt und von der Fügefläche FF wegweisend aufgebogen. Auf diese Weise entsteht, was völlig neu ist, in einem exakt definierten Tiefenniveau A ein mit der ausge­ schnittenen Abdeckung 3 abdeckbarer, hier ebener, Unterniveau-Drahtbett­ boden 2 von einer definierten Breite B. Die Deckleisten 3 können durch Formgebung des Stechbeitelhalses gereckt, gestaucht, plastisch verformt und für die Drahteinlegung offengestellt werden, wie das bspw. mit einem Abstand C dargestellt ist, was jeweils der Art und Weise der nachträglichen Abdeckung dienlich ist.

Fig. 2b zeigt, wie nun in die abdeckbare Drahtbettebene 2 das Drahtbett 4 mit einem Halbrund-Formstahl spanend eingearbeitet wird. Hier besteht nun die Möglichkeit, das Drahtbett genau dem Heizleiter anzupassen und mit dem Werkzeug ein Drahtbett mit dem Durchmesser D des Heizleiters zu schaffen. Die Drahtbett-Tiefe E bestimmt die für das Einlegen des Drahtes nötige Klemmwirkung, die durch die spanende Bearbeitung sehr genau einstellbar ist.

Im nächsten Schritt, wie ihn Fig. 2c zeigt, ist der Heizleiter 5 durch die mit dem Abstand C offenstehenden Deckleisten 3 in das Drahtbett 4 eingelegt und die Deckleisten 3 anschließend gegen den Heizleiter 5 zurück­ gebogen und angedrückt worden. Wie dann die noch zu verschließende Öff­ nung 6 der (stumpf) aufeinander stoßenden Abdeckung aussieht, kann mit der Ausgestaltung des Stechbeitelhalses weitgehend gesteuert werden. Es hat sich gezeigt, daß beim Einschneiden und Öffnen eine leichte Reckung der Deckleisten 3 derart, daß sie im Schnitt eine gegen außen leicht keulen­ förmige Ausweitung aufweisen, einerseits das Drahtbett beim Drahteinlegen leicht zugänglich ist und andererseits die Verschlußzone 6 begünstigt wird. Schließlich ist in Fig. 2d die ungefähre Kräfteverteilung auf den eingelegten Heizleiter schematisch dargestellt, wie dies in den Fig. 1a bis 1c zum Stand der Technik ebenfalls gezeigt wurde. Man sieht hier den wesentlich wirksame­ ren Ansatz der Klemmkräfte K1/K2 im Drahtbett und den fast idealen Kraft­ verlauf der Haltekräfte K3/K4 durch die Deckleisten 3, deren Kraftkompo­ nente gegen die Z-Richtung sehr groß ist. Schon hier ist ein erster fabrika­ tionstechnischer Vorteil feststellbar; der Draht kann während des Einlegens praktisch nicht mehr aus seiner gegebenen Lage herausschlüpfen. Der mit dem Heizleiter bestückte Teil kann nun ohne Ausschuß dem nächsten Ver­ arbeitungsschritt zugeführt werden.

Fig. 2e zeigt den Zustand der Muffe nach dem Schmelzverankern oder -versiegeln des Heizleiters im Muffenkörper. Die Schnittlinien 7, 7′, 8, also die Drahtbettebene 2 und die Öffnung 6 rund um das Drahtbett 4 mit dem eingelegten Draht 5, wurden auf einem hier nicht dargestellten Paßdorn mit­ tels kurzzeitigem Stromdurchgang durch den Heizleiter 5 im Bereich der Schmelzezone 9 versiegelt, d. h. der Heizleiter befindet sich an der maßgenau vorbestimmten Lage (Maß f) vollständig im Fittingmaterial eingebettet; die Innenoberfläche der Schweißmuffe präsentiert sich glatt, ohne wesentliche Rillen oder Kämme.

Damit sind die eingangs aufgeführten Forderungen erfüllt: Der Heizleiter liegt mit maßlich festgelegtem, wunschweise möglichst geringem Abstand zur Fügefläche im Fittingkörper, er ist ohne störende Lufteinschlüsse vom Fitting­ material vollständig umhüllt, die Fügefläche weist nach dem Einbringen des Heizleiters eine glatte, gleichmäßige Oberfläche auf. Rillen und wulstförmige Kämme, die durch zusätzliche isolierende Luftschichten zwischen den zu ver­ schweißenden Oberflächen den Aufschmelzvorgang stören und überdies ein erhebliches Risiko von Lufteinschlüssen (Lunker) beim Schweißvorgang bil­ den, sind nicht vorhanden.

Die Fig. 3a-e zeigen eine Ausführungsform, bei der der innere Drahtbett­ boden 2 konvex ausgestaltet ist. Mit dieser Maßnahme läßt sich einerseits die Klemmwirkung beim Einlegen des Heizleiters variieren und andererseits Form und Detailfunktion der Abdeckung 3 verändern. Man sieht hier, was für Möglichkeiten der Variation die Erfindung bietet. An dieser Stelle seien aus einer größeren Anzahl Möglichkeiten deren drei, also in der Folge noch zwei weitere dargestellt.

Der Unterniveau-Drahtbettboden mit der Drahtabdeckung wird auch hier wieder mit einer symmetrisch trennenden und profilierten Stechbeitelklinge vorgeschnitten und eine Einlegeöffnung bildend, radial aufgebogen. Die wei­ teren Verfahrensschritte nach den Fig. 3b-e sind analoge Operationsschrit­ te, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 2b-e im Detail diskutiert wurden.

Die Fig. 4a-e zeigen eine Ausführungsform, bei der die Drahtabdeckung mit einer geradlinig-asymmetrisch trennenden Stechbeitelklinge vorgeschnitten und von der Fügefläche FF wegweisend aufgebogen wurde. Der unter der Fügefläche liegende Drahtbettboden ist wieder eben ausgestaltet, jedoch er­ hält man bei diesem Schnitt statt zwei gleich großen Deckleisten eine fast doppelt so große Einzeldeckleiste 3. Diese Ausführungsform hat Vorteile, wenn man bspw. mit einem Drahteinlegewerkzeug arbeitet, das "schräg" ein­ legt, wodurch bei einer symmetrischen Vorbereitung der Drahtabdeckung eine Abdeckung im Weg wäre. Auch hier sieht man die enorme fabrikationstechni­ sche Variationsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Lehre. Die weiteren Verfah­ rensschritte nach den Fig. 4b-e sind analoge Operationsschritte, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 2b-e im Detail diskutiert wurden.

Fig. 5a und 5b zeigen ein spezielles stechbeitelähnliches Werkzeug zur Herstellung von Unterniveau-Drahtbetten mit kombinierter Schneid- und Zerspanfähig­ keit. Mit diesem Werkzeug kann das erfindungsgemäße Drahtbett in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Die zwei Figuren zeigen das Werkzeug teil­ weise angeschnitten von der Seite (5a) und von vorne (5b). Man erkennt insbesondere in Fig. 5b die im vorderen Teil gezeigte Stechbeitelform mit zwei aufeinanderstehenden, einander angeformten Schneiden 10′, 10′′ zum Schneiden des Unterniveau-Drahtbettbodens von der Breite B, den aus den Schneiden verlaufenden, geschwungenen Ansatz 11 zum Aufbiegen der Deck­ leisten auf einen Abstand C* und den Ansatz 40 zum spanabhebenden Bilden des Drahtbetts 4. Fig. 5a zeigt den Kanal 14, durch welchen der ausgeschnit­ tene Span geführt wird. Mit der Formgebung des Ansatzes 11 steuert man einerseits das bleibende Aufbiegen der Abdeckung 3 durch plastische Verfor­ mung und andererseits den Grad der plastischen Verformung der Abdeckung 3, was wiederum einen Einfluß auf die Verschlußnarbe an der Oberfläche (also Fügefläche FF) des mit dem Heizleiter 5 bestückten Teils hat.

Die Fig. 6a, b zeigen in Anlehnung an die Fig. 5a, b ein Werkzeug zum Einlegen des Heizleiters. Die hauptsächliche Problematik beim Einlegen des Heizleiters liegt in der Drahtführung, welche beim simultanen Schneiden einer wie auch immer gearteten Drahtgrube und gleichzeitigem Einlegen des Drahtes in diese wegen schädlich kleinen Biegeradien stets suboptimal aus­ fällt. Dieser Nachteil wird mit der hier beschriebenen Erfindung der Unterni­ veau-Drahtbettboden-Technik elegant behoben; der Heizleiter kann ohne belastend kleine Radien optimal gleitend in das vorbereitete Drahtbett einge­ legt werden.

Fig. 6a zeigt das Einlegewerkzeug in seitlicher Position mit einem Biegekeil, der eine Schar 16 und Biegeflächen 15 zum Aufbiegen der Abdeckung 3 auf­ weist, und mit einer vorzugsweise offenen Drahtführung 17, in welche der Draht eingelegt wird. Der Heizleiter wird entlang der sanft gerundeten Füh­ rungsfläche 18 geführt und tritt unter dem Anpreßnocken 19 aus, der sich sukzessive über eine hier nicht mehr dargestellte Fläche auf die Breite D verjüngt. Der Partie 19 folgend angeordnet ist ein hier nicht dargestellter Rückbiege- und Glätteschuh für die Rückplazierung der Abdeckung 3. In Fig. 6b erkennt man den Biegekeil von vorne, wobei beide Biegeflächen 15 beidseitig der Schar 16 sichtbar sind. Die Breite C** des Biegekeils ist gleich oder kleiner der Aufbiegeweite C* gemäß Fig. 5b. Außerdem erkennt man in Fig. 6b die seitlich offene Drahtführung 17, in welche man den Heizleiter einlegen kann, nicht einfädeln muß. Der Einlegevorgang ist gegenüber einem Einfädelvorgang leicht zu automatisieren. Allenfalls kann noch ein manipu­ lierbares Rückhaltemittel für den Draht vorgesehen werden, um einem mögli­ chen Herausfallen aus der Führung vorzubeugen.

Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Vorgehens zeigen die Fig. 7a bis 7e. Dabei wird ein Unterniveau-Drahtbettboden herausgearbeitet, auf den das Drahtbett aufgelegt wird. Diese Variante kann bei speziellen Materialien von Vorteil sein.

Fig. 7a zeigt die Vorbereitung des Drahtbettbodens 2, wobei die Tiefe A vom Durchmesser des Heizleiters abhängig ist. Die Abdeckung 3 wird so weit aufgebogen, Abstand C, daß das Drahtbett in die Stöße der Abdeckung ein­ gearbeitet werden kann. Dies zeigt Fig. 7b. Die Radien oder Halbdurch­ messer bilden zwei Drahtbetthälften 4′ und 4′′, die zusammen den Durchmes­ ser des Heizleiters umschließen. Nach dem Einlegen des Heizleiters 5 und dem Zusammenpressen der Öffnung 6, wie in Fig. 7c und 7d gezeigt, wird der Heizleiter 5 gegen die Zugkraft Z durch die Kraftkomponenten K1/K2 so zurückgehalten, daß er während des Einlegevorgangs im Drahtbett verbleibt. Nach dem Schmelzverankern oder Versiegeln des Heizleiters im umschließenden thermoplastischen Material mittels Eigenheizung ist der Heizleiter gleich eingebettet, wie in den oben gezeigten Ausführungsformen. Lediglich die Schweißung der Schnittlinie des Drahtbettbodens 7, 7′ ist nun auf der anderen Seite des Heizleiters mit der an die Oberfläche bzw. Fügefläche FF reichenden Schweißnarbe. Der Heizleiter befindet sich an der maßgenau vorbestimmten Lage (Maß F) vollständig im Material eingebettet; die Füge­ fläche präsentiert sich glatt, ohne wesentliche Rillen oder Kämme.

Das Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrisch schweißverbindbaren Zone in thermoplastischen Materialien ist wesentlich verbessert durch die formtreue und luftfreie Einbettung des Heizleiters in einer definierten Tiefe unter der Fügefläche. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Unter­ niveau-Drahtbettboden in das Material eingeschnitten, in dem mit einem ge­ eigneten Werkzeug in der gewünschten, von der Materialoberfläche gemesse­ nen Tiefe ein in zwei Ebenen verlaufender, im wesentlichen umgekehrt T- förmiger Einschnitt eingeschnitten und dem Oberflächenprofil folgend der Schnitt entlang der Einlegelinie des Heizleiters geführt wird, wobei durch dasselbe Werkzeug die sich bildenden Deckleisten entlang der Schnittbahn aufgebogen und gereckt werden, wodurch sich eine offene Furche mit dem Unterniveau-Drahtbettboden bildet. Vorzugsweise wird im gleichen Arbeits­ gang das Drahtbett mit einem spanabhebenden Werkzeug dem Heizleiter entsprechend formtreu mitgeschnitten. In einem späteren Verfahrensschritt wird der Heizleiter durch die noch offene Furche eingelegt und die Decklei­ sten angepreßt und schließlich verschmolzen. Zurück bleibt eine rillenfreie, glatte Fügefläche, über die sich eine feine, kaum mehr erhöhte Schmelznarbe hinzieht.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung thermoelektrisch schweißbarer Rohrverbindungsteile aus thermoplastischem Material, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt ein Unterniveau- Drahtbettboden in einem hierfür vorbereiteten Rohling erzeugt wird, indem mit einem geeigneten Werkzeug in der gewünschten Tiefe unterhalb der Fügefläche ein in zwei Ebenen verlaufender Einschnitt eingebracht wird, derart, daß sich eine oder zwei Deckleisten entlang der Schnittbahn bildet bzw. bilden, die durch das Werkzeug aufgebogen und gereckt wird bzw. werden, so daß eine offene, aber durch die Deckleiste bzw. die Deckleisten wieder verschließbare Furche entsteht, daß in einem weiteren Verfahrensschritt ein Drahtbett für einen nachfolgend einzubringenden Heizdraht eingearbeitet wird, und daß nach dem Einlegen des Heizdrahts die Deckleiste(n) zum Verschließen der Furche zurückgebogen und verschmolzen wird (werden), um eine möglichst rillen- und spaltfreie Fügefläche zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterniveau- Drahtbettboden mit in zwei Ebenen verlaufendem, im wesentlichen umgekehrt T-förmigen oder L-förmigen Einschnitt eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der gewünschten Tiefe unter der Oberfläche ein ebener Drahtbettboden eingeschnitten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der gewünschten Tiefe unter der Oberfläche ein gekrümmter oder polygon gestalteter Drahtbettboden eingeschnitten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bilden des Unterniveau-Drahtbettbodens gleichzeitig ein Drahtbett in den Drahtbettboden eingearbeitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nachfolgenden Arbeitsschritt mit einem Folgewerkzeug durch die offenstehende Abdeckung in den vorgängig geschnittenen Unterniveau-Drahtbettboden das Drahtbett eingearbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtbett zwischen den Drahtbettboden und die Fügefläche in die Stöße der Abdeckung eingearbeitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Drahtbett in spanabhebender Bearbeitung unter Bil­ dung eines Spanes ausgehoben wird, wodurch Material, das vom Heizleiter verdrängt würde, vor dem Einlegen desselben weggenom­ men wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Werkzeug verwendet wird, mit welchem nebst dem Aufbiegen und Recken der Deckleisten zur Bildung einer Einlegeöffnung für den Heizleiter die Deckleisten plastisch verformt werden, um verschiedene Ausbildungen einer Verschlußnarbe zu erhalten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Drahtbett so eingeschnitten wird, daß es zumindestens teilweise den Querschnitt des später einzulegenden Heizleiters aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 5 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizleiter in einem arbeitsmäßig getrennten Verfahrensschritt in das Drahtbett eingelegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Anpressen einer Kühlfläche und unter gleichzeitigem Erwärmen des Heizleiters ein Verschmelzen der Schnittstellen bewirkt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einschnitt von der Oberfläche zum Unterniveau-Draht­ bettboden symmetrisch oder asymmetrisch zum darunterliegenden Drahtbett geführt wird, wodurch gleich- oder verschiedengeformte Abdeckungen entstehen.

14. Werkzeug zur Herstellung eines Unterniveau-Drahtbettbodens zur Verwendung bei einem Verfahren gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei aufeinanderstehende, einander angeformte Schneidkanten (stechbeitelförmige Klingen 10′, 10′′) aufweist, welche in eine die gebildete Abdeckung öffnende Par­ tie (11) zum gezielten Aufbiegen des eingeschnittenen Materials übergehen.

15. Werkzeug gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Klingenteil, der nicht in die Abdeckung öffnende Partie mündet, einen spanabhebenden Ansatz (40) mit einem Spanabführkanal (14) aufweist.

16. Werkzeug nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es einen Folgeteil aufweist oder mit einem Folgewerk­ zeug zum Einlegen des Heizleiters kombiniert ist, welches einen Öff­ nungskeil mit einer Schar (16) und Öffnungsflächen (15) und eine ge­ schwungene Drahtführung (17) aufweist.

17. Werkzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ge­ schwungene Drahtführung (17) entlang ihrem Verlauf einseitig offen ist, allenfalls Rückhaltemittel für den Draht aufweist.