DE4241561C2 - Elektrisch schweißbare Rohrverbindungsteile aus thermoplastischem Material - Google Patents
Elektrisch schweißbare Rohrverbindungsteile aus thermoplastischem MaterialInfo
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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.
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BR8108749A (pt) * | 1980-08-22 | 1982-06-22 | Esdan Pty Ltd | Guarnicoes para canos para fusao eletrica |
DE3204681C2 (de) * | 1982-02-11 | 1986-02-06 | Friedrichsfeld Gmbh, Steinzeug- Und Kunststoffwerke, 6800 Mannheim | Verfahren und Vorrichtung zum Einbetten eines elektrischen Heizdrahtes in einem muffenartigen Kunststoffteil |
US4626308A (en) * | 1983-02-18 | 1986-12-02 | The Victaulic Company Plc | Method of making welded pipe joints |
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