DE10340843B4

DE10340843B4 - Verfahren zum stirnseitigen Verschweißen zweier rohrförmiger Körper unterschiedlicher Wandstärke

Info

Publication number: DE10340843B4
Application number: DE10340843A
Authority: DE
Inventors: Michael Zösch
Original assignee: Fraenkische Rohrwerke Gebr Kirchner GmbH and Co KG
Current assignee: Fraenkische Rohrwerke Gebr Kirchner GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: DE10340843A1

Abstract

Verfahren zum stirnseitigen Verschweißen zweier rohrförmiger Körper (10, 12) unterschiedlicher Wandstärke (d₁, d₂), nämlich eines ersten rohrförmigen Körpers (10) geringerer Wandstärke (d,) und eines zweiten rohrförmigen Körpers (12) höherer Wandstärke (d₂), dadurch gekennzeichnet,
dass man einen ersten rohrförmigen Körper (10) verwendet, der an seinem zu verschweißenden Ende (14) wenigstens einen nach radial innen weisenden Steg (18) aufweist,
dass man in den ersten rohrförmigen Körper (10) einen den Steg (18) stützenden Stützkörper (20) einschiebt, und dass man die beiden rohrförmigen Körper (10, 12) mittels des Heizelement-Stumpfschweißverfahrens miteinander verschweißt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stirnseitigen Verschweißen zweier rohrförmiger Körper unterschiedlicher Wandstärke, nämlich eines ersten rohrförmigen Körpers geringerer Wandstärke und eines zweiten rohrförmigen Körpers höherer Wandstärke.

Das stirnseitige Verschweißen von Kunststoffrohren geschieht heutzutage bevorzugt mittels dem so genannten Heizelement-Stumpfschweißen, das eine einfache und kostengünstige automatische Schweißverbindung zweier Kunststoffrohre, beispielsweise durch Einsatz eines handelsüblichen Spiegelschweißgerätes, ermöglicht, sofern die beiden miteinander zu verbindenden Rohre gleichen Durchmessers sind und gleiche Wandstärke aufweisen. Bei dieser Technik wird, wie etwa aus der DE 41 36 349 C2 entnehmbar ist, zwischen zwei miteinander zu verschweißende rohrförmige Teile ein Werkzeug zur Erhitzung der Stoßflächen, also grundsätzlich ein Heizelement, eingebracht. Diese Heizeinrichtung ist bevorzugt symmetrisch aufgebaut, um beide rohrförmigen Teile gleichzeitig im Bereich ihrer Stoßflächen erhitzen und erweichen zu können. Sobald ein genügend erweichter Zustand der Stoßflächen erreicht wird, werden die Rohrteile in Richtung ihrer Längsachse von der Heizeinrichtung weg verfahren, sodass die Heizeinrichtung in ihrer Gesamtheit aus der Stellung zwischen den beiden Rohrteilen herausbewegt werden kann. Nachfolgend werden beide Rohrteile wieder zusammenbewegt und zur Anlage gebracht, sodass es beim Abkühlen der so gebildeten Schweißnaht zu einer dauerhaften Verbindung beider Rohrteile kommt.

Ein gewisses Problem wird bei dieser Technik darin gesehen, dass sich im Bereich der Schweißnaht an der Rohrinnenseite sowie der Rohraußenseite eine Wulst aus erweichtem Rohrmaterial beim Zusammenpressen der beiden rohrförmigen Teile bildet. Eine solche Schweißwulst kann insbesondere an der Rohrinnenwand störend sein, sodass sie nachträglich wieder entfernt werden muss. Um die Ausbildung einer solchen Wulst bereits beim Zusammenfügen der beiden Rohrteile zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, dass beim Zusammenfügen der beiden Rohrteile die Innenfläche der Rohrabschnitte in der Umgebung der Schweißnaht durch einen entsprechend in den Innenraum eingeführten Stützkörper abgestützt wird, der für einen möglichst glatten Übergang zwischen den beiden Rohrinnenflächen im Schweißnahtbereich sorgen soll, siehe hierzu beispielsweise die DE 199 05 623 A1 oder DE 36 36 891 C2 .

Zur Verbindung zweier rohrförmiger Körper, die jeweils unterschiedliche Wanddicken aufweisen, ist das oben genannte Heizelement-Stumpfschweißverfahren in der Fachwelt bislang als ungeeignet angesehen worden. Beispielsweise ist in der Richtlinie DVS 2207 Teil 11 des Deutschen Verbands für Schweißtechnik, Abschnitt 3.1.2, ausgeführt, dass bei diesem Verfahren die Nominalwanddicken der zu schweißenden Teile in der Fügezone gleich sein müssen. Das stirnseitige Verschweißen von rohrförmigen Körpern unterschiedlicher Wanddicke muss daher bislang durch andere Schweißtechniken erfolgen, beispielsweise dem Extrusionsschweißen. Da diese Verfahren jedoch wesentlich schlechter automatisierbar sind, und erheblich mehr Handarbeit erfordern, ergeben sich beim Verschweißen von rohrförmigen Körpern unterschiedlicher Wanddicke derzeit erhebliche Zeit- und Kostennachteile, sodass in diesem Bereich ein preisgünstiges, einfach automatisierbares Schweißverfahren wünschenswert wäre.

Ein Schweißspiegel-Schweißverfahren für Kunststoffrohre mit unterschiedlichen Außendurchmessern und Wandstärken ist in der DE 44 25 784 A1 beschrieben. Allerdings geht aus dieser Druckschrift lediglich eine Vorschrift für eine Anordnung hervor, bei der ein Kunststoffrohr kleineren Durchmessers in einem rechten Winkel in eine Öffnung in der zylindrischen Wand eines Kunststoffrohrs mit größerem Durchmesser geschweißt werden soll. Bei dieser speziellen Anordnung wird vorgeschlagen, dass eine gute Schweißspiegel-Schweißung ohne Weiteres zu erhalten ist, wenn darauf geachtet wird, dass das Verhältnis des Produkts aus Durchmesser und Wandstärke des Rohrs mit größerem Durchmesser zu dem Produkt aus Durchmesser und Wandstärke des Rohrs mit kleinerem Durchmesser immer 21 ergibt. Dies bedeutet also, dass je kleiner der Durchmesser des Rohrs mit kleinerem Durchmesser ist, desto größer dessen Wandstärke sein muss. Liegt also der Durchmesser des Rohrs fest, so ist auch nach diesem Verfahren eine freie Wahl der Wandstärke nicht mehr möglich.

Darüber hinaus offenbart die CH 365 587 A ein Verfahren zum Verschweißen eines dünnwandigen Rohrs mit einer stirnseitig auf dieses aufgesetzten, dickwandigen Muffe. Dabei werden das Rohrende sowie die Muffe jeweils auf Erweichungstemperatur erwärmt und koaxial übereinander geschoben. Durch einen an der Innenwandung des Rohrs anliegenden Stützring wird das zu verschweißende Ende des Rohrs beim Einführen in die Muffe in Form gehalten.

Um eine stirnseitige Verschweißung zweier Kunststoffrohre ohne Verengung des Innendurchmessers zu ermöglichen, ist es ferner aus der DE 41 13 408 A1 bekannt, die Außenseiten der Rohrwandungen entlang der Verbindungsstelle stärker zu erwärmen als die jeweiligen Innenseiten und die plastifizierten Außenseiten durch eine von außen aufgesetzte ringförmige Lehre derart zu formen, dass sich entlang der Verbindungsstelle eine nur zur Außenseite hin gewölbte Schweißwulst ausbildet. Dieses Verfahren ist für das Verschweißen von Rohren gleichen Durchmessers und gleicher Wandstärke ausgelegt.

Ferner offenbart die EP 0 186 168 B1 ein Verfahren zum Verschweißen eines Kunststoffrohrs mit einem Verbindungsglied aus Kunststoff. Bei diesem Verfahren werden die Außenseite eines Endabschnitts des Rohrs sowie die Innenseite des Verbindungsglieds jeweils erwärmt und anschließend wird der Endabschnitt des Rohrs in die Öffnung des Verbindungsglieds eingeführt. Um dabei einen festen Sitz des Rohrs in dem Verbindungsglied zu gewährleisten, sind die Außenwand des Rohrs oder die Innenwand des Verbindungsglieds derart abgeschrägt, dass ihre Wandstärken in distaler Richtung abnehmen, sodass die beiden Bauteile keilartig übereinander geschoben werden können. Zusätzlich wird die Innenwand des Verbindungsglieds in einem dem vordersten Randbereich des einzuführenden Rohrs zugeordneten Ringbereich weniger stark erwärmt, um das Ausbilden einer Innenwulst zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mittels dem ein stirnseitiges Verschweißen zweier rohrförmiger Körper unterschiedlicher Wandstärke unter Einsatz eines kostengünstigen und einfach automatisierbaren Verfahrens ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum stirnseitigen Verschweißen zweier rohrförmiger Körper unterschiedlicher Wandstärke, nämlich eines ersten rohrförmigen Körpers geringerer Wandstärke und eines zweiten rohrförmigen Körpers höherer Wandstärke, bei dem ein erster rohrförmiger Körper verwendet wird, der an seinem zu verschweißenden Ende wenigstens einen radial nach innen weisenden Steg aufweist, in den ersten rohrförmigen Körper ein den Steg schützender Stützkörper eingeschoben wird und die beiden rohrförmigen Körper mittels des Heizelement-Stumpfschweißverfahrens miteinander verschweißt werden.

Gemäß diesem Verfahren kann das ohne Weiteres automatisierbare und daher kostengünstige Heizelement-Stumpfschweißverfahren, wie es z.B. in der DVS-Richtlinie 2207, Teil 2 beschrieben ist, auch zum Verschweißen von Kunststoffrohren mit unterschiedlichen Wandstärken eingesetzt werden unter
Bildung einer ebenso zuverlässig festen und reproduzierbar ausführbaren Schweißverbindung. Dies wird ermöglicht durch Ausbilden des wenigstens einen radial nach innen weisenden Stegs am zu verschweißenden stirnseitigen Ende des ersten rohrförmigen Körpers geringerer Wandstärke. Dieser Steg verhindert nämlich, dass beim Erwärmen dieses ersten rohrförmigen Körpers gemeinsam mit dem zweiten rohrförmigen höherer Wandstärke sich der erste rohrförmige Körper auf Grund seiner geringeren Wandstärke und deshalb geringen Stabilität sowie geringeren Wärmeaufnahmefähigkeit beim Aufheizen stark verformt. Dieser Effekt wurde bislang allgemein als Ursache dafür angesehen, dass rohrförmige Körper mit unterschiedlicher Wandstärke nicht mittels des Heizelement-Stumpfschweißverfahrens verschweißt werden können.

Allerdings hat sich gezeigt, dass bei stärkerer Aufheizung, wie sie für Rohre größerer Wandstärke erforderlich ist, auch der für die Schweißverbindung vorgesehene Steg nicht stabil genug wäre, sondern sich wölben würde bzw. sogar umklappen kann. Eine zuverlässige und reproduzierbare Schweißverbindung würde dann nicht zustande kommen. Aus diesem Grund sieht die vorliegende Erfindung vor, dass zusätzlich in den ersten rohrförmigen Körper ein den Steg schützender Stützkörper eingeschoben wird, bevor die beiden Körper mittels des Heizelement-Stumpfschweißverfahrens miteinander verschweißt werden, also die beiden zu verschweißenden Rohrenden zunächst erwärmt und dann zusammengfügt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass beim Erwärmen und späteren Zusammendrücken der radial nach innen weisende Steg sich verformt bzw. umklappt. Der Stützkörper sollte folglich so eingeschoben werden, dass er an dem radial nach innen weisenden Steg anliegt, um eine Stützfunktion für diesen Steg ausüben zu können. Beispielsweise kann der Stützkörper ein Einschubklotz sein, der an der Innenwand des ersten rohrförmigen Körpers anliegend eingeführt wird.

Es ist günstig, wenn der radial nach innen weisende Steg sich über den im Wesentlichen gesamten Umfang des ersten rohrförmigen Körpers erstreckt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schweißverbindung entlang des gesamten Rohrumfangs zuverlässig ausbildbar ist. Die zur Ausbildung der Schweißverbindung erforderlichen Parameter, beispielsweise die erforderlichen Zeitperioden zum Angleichen, Anwärmen und Abkühlen der Kunststoffmasse, oder erforderlichen Anpressdrücke sind in diesem Fall entlang des gesamten Rohrumfangs gleich und können auf Grundlage der zu verschweißenden Flächen des Stegs und der Ringfläche des dickwandigeren Rohres ermittelt werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei koaxialer Anordnung der beiden rohrförmigen Körper eine in Achsrichtung projizierte Fläche des wenigstens einen Stegs sich mit der Stirnfläche des zweiten rohrförmigen Körpers zumindest teilweise überlappt. Der Steg verhindert so auf alle Fälle, dass die Stirnenden der beiden rohrförmigen Körper in axialer Richtung übereinander verschoben werden können, also an ihren Stirnenden koaxial ineinandergesteckt werden können. Unter einer in Achsrichtung projizierten Fläche des Stegs soll hierbei eine senkrecht zur Achse des ersten rohrförmigen Körpers stehende Fläche gemeint sein, deren zur Rohrachse hin weisende Begrenzungslinie denselben Abstand zur Rohrachse hat wie die entsprechende zur Rohrachse hin weisende Begrenzungslinie des Stegs. Die hier beschriebene Anordnung stellt sicher, dass die beiden rohrförmigen Körper beim Schweißvorgang genau mit ihren stirnseitigen Enden aneinanderliegen.

Die projizierte Fläche des Stegs sollte idealerweise die Stirnfläche im Wesentlichen vollständig überdecken, sodass eine vollständig entlang des Umfangs durchlaufende, zuverlässig dichte Schweißnaht aus der Anlage von Steg und Stirnfläche gebildet werden kann. Bei identischem Durchmesser der beiden rohrförmigen Körper ist es günstig, wenn die projizierte Fläche des Stegs des ersten rohrförmigen Körpers und die Stirnfläche des zweiten rohrförmigen Körpers im Wesentlichen identisch sind. In diesem Fall sind die zu wählenden Schweißparameter für beide Rohre näherungsweise gleich und durch die Stirnfläche festgelegt.

Durch den Stützkörper kann während des Aneinanderdrückens der beiden rohrförmigen Körper eine in axialer Richtung wirkende Kraft auf den Steg ausgeübt werden. Hierzu kann der Stützkörper durch entsprechende Krafteinleitungsanordnungen beaufschlagt werden. Die Kraftbeaufschlagung des Stützkörpers kann dabei entweder in Zusammenwirkung mit einer etwaigen Bewegung des ersten rohrförmigen Körpers beim Zusammendrücken hin erfolgen, oder auch unabhängig hiervon. Es ist sogar denkbar, das Zusammendrücken lediglich durch eine entsprechende axiale Beaufschlagung des Stützkörpers zu bewirken. Durch die axiale Kraft auf den Stützkörper wird dieser zuverlässig zur Anlage am Steg gebracht und damit verhindert, dass der Steg sich während des Anwärmens und Zusammendrückens verformt. Dies trägt somit zur Erzeugung einer zuverlässig dichten Schweißnaht bei.

Darüber hinaus ist es günstig, wenn zumindest ein Oberflächenabschnitt des Stützkörpers aus einem Material gefertigt ist oder/und mit einer Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet ist, das oder/und die ein Verkleben mit oder/und ein Anhaften an dem Material zumindest des ersten rohrförmigen Körpers und vorzugsweise auch dem Material des zweiten rohrförmigen Körpers verhindert. Ziel dieser Maßnahme ist es, Beeinträchtigungen der Beschaffenheit der Rohrinnenfläche des aus erstem und zweitem Körper zusammengesetzten Rohrs zu vermeiden, die beim Entfernen des Stützkörpers nach Beendigung des Schweißvorgangs entstehen können. Je nach verwendetem Kunststoff der rohrförmigen Körper stehen hierfür geeignete Werkstoffe aus Kunststoff oder Metall zur Verfügung, die sich mit dem verwendeten Rohrmaterial nur schlecht verkleben lassen oder die zumindest im Bereich der verwendeten Temperaturen an diesem Material nur schlecht anhaften. Obwohl es grundsätzlich genügt, wenn der Stützkörper nur am ersten Körper schlecht haftet, kann es vor allem im Bereich der Schweißnaht auch vorkommen, dass der Stützkörper in Kontakt mit erwärmtem Material des zweiten Körpers kommt. In diesem Fall ist es natürlich günstig, wenn es auch hierbei nicht zu einer festen Haftung kommt.

Es ist günstig, wenn der Stützkörper eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die derart gewählt ist, dass der erste rohrförmige Körper in einem durch das Heizelement-Stumpfschweißverfahren erwärmten Bereich auf im Wesentlichen die gleiche Temperatur erwärmt wird wie der zweite rohrförmige Körper. Der Stützkörper dient hierbei also zur Ableitung überschüssiger Wärme, die andernfalls zu einer verstärkten Erwärmung des dünnwandigen ersten Rohrkörpers im Bereich der Schweißstelle führen würde, mit den entsprechend nachteiligen Konsequenzen für die sich ergebende Schweißverbindung wegen der sehr starken Erweichung des Materials. Der Stützkörper hat daher keine aufheizende Funktion, sondern er dient im Gegenteil der Wärmeableitung. Zur Realisierung eines derartigen Stützkörpers kommt in erster Linie die Fertigung des Stützkörpers aus einem Material mit entsprechend hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität in Frage. Bei entsprechenden Anforderungen, oder wenn ein derartiges Material aus anderen Gründen nicht eingesetzt werden soll, kann allerdings auch daran gedacht werden, im Stützkörper eine entsprechende Kühlungsanordnung vorzusehen, beispielsweise indem der Stützkörper von Kühlungskanälen durchzogen ist, in denen ein Kühlungsmittel strömt. Auch hierfür sind zahlreiche Anordnungen bekannt.

In der Regel wird vorgesehen sein, dass die beiden rohrförmigen Körper aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff gefertigt sind. Beispielsweise kommt hier Polypropylen in Frage.

Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren kann durch den beim Zusammenfügen der beiden stirnseitigen Enden ausgeübten Druck sich im Bereich der Schweißnaht eine Schweißwulst sowohl an der Außenfläche des Rohrs als auch an dessen Innenfläche bilden. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass nach dem Verschweißen eine ggf. an der Nahtstelle zwischen den beiden verschweißten rohrförmigen Körpern gebildete Schweißwulst entfernt wird. Beispielsweise kann dies durch ein entsprechendes Schneidwerkzeug geschehen, das durch den Rohrinnenraum bewegt wird. Auch hierfür sind entsprechende Möglichkeiten bekannt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht zweier miteinander zu verschweißender rohrförmiger Körper unterschiedlicher Wandstärke, nämlich eines ersten rohrförmigen Körpers geringerer Wandstärke mit stirnseitig ausgebildetem, radial nach innen weisenden Steg und eines zweiten rohrförmigen Körpers höherer Wandstärke.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im Folgenden anhand der in 1 gezeigten Querschnittsdarstellung zweier jeweils an ihren Längsseiten miteinander zu verschweißender rohrförmiger Körper 10, 12 näher erläutert werden. Ein erster rohrförmiger Körper 10 geringerer Wandstärke ist hierbei an seiner mit einem zweiten Körper 12 höherer Wandstärke d₂ zu verschweißenden Stirnfläche 14 mit einem radial nach innen weisenden Steg 18 ausgebildet. Der Innendurchmesser des ersten Körpers DI₁, ist hierbei deutlich größer als der Innendurchmesser DI₂ des zweiten Körpers 12, und sogar noch größer als der Außendurchmesser DA₂ des zweiten Körpers 12. Ohne den radial nach innen weisenden Steg 18 könnten die beiden Körper 10, 12 also durch Verlagerung entlang ihrer Achse A konzentrisch ineinandergeschoben werden. Dies wird jedoch durch den Steg 18 verhindert, der in Umfangsrichtung des ersten rohrförmigen Körpers 10 durchlaufend ausgebildet ist und somit in axialer Richtung betrachtet ringförmige Gestalt hat. Der Innendurchmesser des durch den Steg 18 gebildeten Rings ist hierbei gleich dem Innendurchmesser DI₂ des zweiten rohrförmigen Körpers 12.
In den ersten rohrförmigen Körper 10 eingeschoben ist ein Stützkörper 20, der zylindrisch ausgebildet ist, mit einem Durchmesser, der gleich dem Innendurchmesser DI₁, des ersten rohrförmigen Körpers 10 ist, sodass der Stützkörper 20 innerhalb des ersten rohrförmigen Körpers 10 in axialer Richtung verschiebbar ist. In der in 1 gezeigten Stellung ist der Stützkörper 20 so weit nach rechts verschoben angeordnet, dass er an dem axial nach innen weisenden Steg 18 anliegt.
Die beiden rohrförmigen Körper 10, 12 sind aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, z.B. Polypropylen. Zu ihrer Herstellung können gängige Kunststofftormgebungsverfahren eingesetzt werden, z.B. das kostengünstige Rotationsformverfahren, für den Fall, dass die Körper rotationssymmetrisch ausgebildet sind (der zweite rohrförmige Körper und bei entsprechender Ausgestaltung des Stegs 18 auch der erste rohrförmige Körper). Alternativ – insbesondere bei nicht-rotationssymmetrischer Ausgestaltung – können die Körper z.B. auch durch Spritzgießen hergestellt werden.
Zum Verbinden bzw. Verschweißen der beiden Rohrstücke 10, 12 an ihren stirnseitigen Enden soll ein handelsübliches Spiegelschweißgerät eingesetzt werden, mit Hilfe dessen die beiden miteinander zu verschweißenden Stirnflächen 14, 16 zunächst erwärmt werden und daran anschließend die beiden Stirnflächen unter Aufbringung eines in axialer Richtung wirkenden Fügedrucks über eine definierte Zeit zusammengepresst werden. Die grundsätzliche Ausführung dieses als Heizelement-Stumpfschweißen bekannten Verfahrens erfolgt wie in der Richtlinie DVS 2207, Teil 2, des Deutschen Verbands für Schweißtechnik beschrieben.
Grundsätzlich funktioniert das Heizelement-Stumpfschweißverfahren zur Verbindung zweier rohrförmiger Körper mit unterschiedlicher Wandstärke wie folgt:
Nach Anordnung der beiden miteinander zu verschweißenden Rohrstücke 10, 12 in der in 1 gezeigten Weise, mit in das erste Rohrstück 10 eingesetztem Stützkörper 20 derart, dass dieser am radial nach innen weisenden Steg 18 anliegt, wie in 1 gezeigt, wird zwischen die beiden zu verschweißenden stirnseitigen Enden 14, 16 ein Heizelement eingebracht, um das Kunststoffmaterial an beiden zu verschweißenden Stirnseiten 14, 16 zu erhitzten und dadurch zu erweichen. Das hierbei üblicherweise verwendete Heizelement ist symmetrisch aufgebaut, sodass die beiden Rohrstücke 10, 12 bei Anlage an das Heizelement jeweils gleichzeitig und – bei gleicher Wandstärke und gleichem Material – auch in gleicher Weise erweicht bzw. verflüssigt werden können. Nach einer vorbestimmten Anwärmzeit, die vom Material und der Wandstärke der verwendeten Kunststoffrohrteile 10, 12 abhängt, wird das Heizelement entfernt und auf die beiden Rohrstücke 10, 12 wird eine entlang der Achse A wirkende Kraft ausgeübt, durch die die beiden erweichten Stirnseiten aneinandergepresst werden. Beim Zusammendrücken verbindet sich die erweichte Kunststoffmasse im Bereich der Stirnseiten zur Ausbildung der gewünschten Schweißverbindung. Nach einer vorbestimmten Abkühlzeit ist die erweichte Kunststoffmasse wieder so weit erhärtet, dass eine feste und dauerhafte Verbindung beider Rohrteile 10, 12 entsteht.
Verwendet man bei diesem Verfahren ein herkömmliches Spiegelschweißgerät zur Verbindung von zwei Rohren unterschiedlicher Wandstärke, so tritt das folgende Problem auf: die zur ausreichenden Erwärmung des dickwandigeren Rohres erforderliche Heizenergie, die wegen der symmetrischen Anordnung des Spiegelschweißgeräts auch dem dünnwandigeren Rohr zugeführt wird, führt bei letzterem bereits zu einer derart starken Verformung, dass beim anschließenden Zusammendrücken eine zuverlässige Schweißverbindung nicht mehr gewährleistet sein kann. Ursache hierfür ist neben der wegen geringerer Masse auch geringeren Wärmeaufnahmefähigkeit des dünnwandigeren Rohrs, auch, dass dieses wegen der dünneren Wandstärke von vornherein eine geringere mechanische Stabilität besitzt. Grundsätzlich müssten also die beiden zu verschweißenden Rohrstücke entsprechend ihrer unterschiedlichen Wandstärken unterschiedlich stark angewärmt werden, was aber mit handelsüblichen Spiegelschweißgeräten nicht ohne Weiteres möglich ist.
Durch Ausbilden des dünnwandigeren Formstücks 10 an seiner mit dem dickwandigeren Formstück 12 zu verschweißenden Stirnseite 14 mit einem radial nach innen weisenden Steg 18 lässt sich jedoch das oben beschriebene herkömmliche Heizelement-Stumpfschweißverfahren auch zum Verschweißen von rohrförmigen Körpern mit unterschiedlichen Wandstärken einsetzen. Durch diesen Steg 18 wird nämlich einerseits sichergestellt, dass zwischen den beiden Rohrstücken 10, 12 eine definierte Fläche für die Schweißverbindung vorgesehen wird, da sich bei koaxialer Anordnung der beiden rohrförmigen Körper eine in Achsrichtung projizierte Fläche des Stegs 18 mit der Stirnfläche 16 des zweiten rohrförmigen Körpers 12 zumindest teilweise überlappt. Bei der in 1 gezeigten Anordnung ist der Steg 18 senkrecht zur Rohrwand nach innen ausgebildet, sodass hier die in Achsrichtung projizierte Fläche des Stegs 18 mit seiner Außenfläche übereinstimmt. Auch ist zu erkennen, dass bei der in 1 gewählten Anordnung der Steg 18 in Umfangsrichtung durchlaufend ausgebildet ist und eine Ringfläche bildet, deren Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser DI₂ des dickwandigeren rohrförmigen Körpers 12 ist. Somit steht also die gesamte Stirnfläche 16 des dickwandigeren rohrförmigen Körpers 12 zur Schweißverbindung mit dem Steg 18 zur Verfügung.
Grundsätzlich stellt der Steg 18 bereits die zur Schweißverbindung vorgesehene Fläche des ersten (dünnwandigeren) rohrförmigen Körpers 10 bereit, sodass die zur Ausbildung der Schweißverbindung benötigten Schweißparameter (Angleichzeiten, Anwärmzeiten, Abkühlzeiten, Drücke usw.) auf Grundlage der Fläche (bzw. der Axialprojektion dieser Fläche) des Stegs 18 und der Ringfläche des dickwandigeren Rohres 12 bestimmt werden können. Allerdings kann diese Anordnung noch nicht verhindern, dass der für die Schweißverbindung vorgesehene Steg 18 sich unter der Einwirkung einer zu großen Anwärmenergie selbst verformt und im Extremfall sogar umklappt. Sollte dieser Fall eintreffen, so wäre eine zuverlässige Schweißverbindung der beiden Rohre 10, 12 nicht mehr möglich. Dem soll dadurch entgegengewirkt werden, dass in den ersten rohrförmigen Körper 10 der als Einschubklotz ausgebildete Stützkörper 20 eingeschoben wird (in 1 von der linken Seite her), bevor der eigentliche Anwärmvorgang beginnt, also bevor das Heizelement zwischen die beiden Stirnseiten 14, 16 der Rohre 10, 12 eingeführt wird. Der Stützkörper 20 besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt mit einem Außendurchmesser, der bis auf ein geringes Spiel gleich dem Innendurchmesser DI₁, des (dünnwandigeren) ersten zu verschweißenden rohrförmigen Körpers 10 ist. Somit kann dieser Stützkörper 20 im Inneren des ersten Körpers 10 in axialer Richtung leicht verschoben werden, wobei er mit seiner Außenfläche im Wesentlichen an der Innenfläche des Mantels des ersten Körpers 10 anliegt und diese somit stützt. Der Stützkörper 20 wird im Inneren des ersten Körpers 10 so weit eingeschoben, d.h. in 1 nach rechts bewegt, bis er an der Hinterseite des radial nach innen weisenden Stegs 18 anliegt. In dieser Position stützt der Stützkörper 20 also sowohl die zylindrische Mantelfläche des ersten Rohres 10 als auch den radial nach innen weisenden Steg 18 gegenüber Verformungen ab. Nun kann das Heizelement eingefügt werden und dann der Anwärmvorgang beginnen.
Nach Entfernen des Heizelements, wenn beide rohrförmigen Körper 10, 12 an ihren Stirnseiten 14, 16 genügend stark erweicht worden sind, kann zum Zusammendrücken der beiden Stirnseiten 14, 16 eine in axialer Richtung wirkende Kraft auf den dickwandigeren Körper 12 oder/und auf den dünnwandigeren Körper 10 ausgeübt werden. Im letzteren Fall bietet es sich an, die in axialer Richtung wirkende Kraft nicht nur auf den Zylindermantel des ersten Rohrs 10 auszuüben, sondern zusätzlich noch eine ebenfalls in axialer Richtung wirkende Kraft auf den Stützkörper 20 auszuüben, sodass durch den Stützkörper 20 zu jeder Zeit eine in axialer Richtung wirkende Stützkraft auf den Steg 18 ausgeübt wird und der Steg 18 somit stabil in Position gehalten wird. Hierbei kann es sogar günstig sein, zum Zusammendrücken der beiden rohrförmigen Körper 10, 12 an ihren Stirnseiten 14, 16 erforderliche in axialer Richtung wirkende Kraft nur über den Stützkörper 20 auszuüben (wobei dann z.B. der zweite Körper 12 fest eingespannt sein kann).
Um den Stützkörper 20 wieder einfach entfernen zu können, nachdem der Schweißvorgang beendet ist, sollte dieser Stützkörper 20 eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, die ein Verkleben oder/und ein Anhaften an dem Material des ersten rohrförmigen Körpers 10 – auch bei den zur Erwärmung erforderlichen erhöhten Temperaturen – verhindert. Je nach verwendeten Rohrmaterial, z.B. Polypropylen, ist daher das Material zumindest der Oberfläche des Stützkörperes 20 geeignet auszuwählen. Dies gilt auch für den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stützkörperes 20, der möglichst so gewählt sein sollte, dass der Stützkörper im erwärmten Zustand fest an der Mantelfläche des ersten Körpers 10 anliegt, sich jedoch im abgekühlten Zustand leicht in axialer Richtung bewegen lässt.
Der Stützkörper 20 kann darüber hinaus eine Wärmeableitungsfunktion aufweisen, die darin besteht, dass dieser Stützkörper überschüssige Wärme aufnimmt, die ansonsten zu einer erhöhten Erwärmung des ersten Kunststoffrohrs 10 führen würde mit entsprechend starker und unerwünschter Plastifizierung und in der Folge Verformung dieses ersten Formstücks 10 im Bereich der Stirnseite. Der Stützkörper 20 stellt also eine zusätzliche Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeaufnahmekapazität bereit, sodass beim Anwärmen die Temperatur des dünnwandigeren ersten Körpers 10 und des dickwandigeren zweiten Körpers 12 in etwa gleich ist. Dies ist vor allem dann ganz einfach realisierbar, wenn für den Stützkörper 20 ein Material mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität zur Verfügung steht.
Alternativ könnte man auch den Stützkörper 20 aktiv kühlen, z.B. durch Einbringen entsprechender Kühlungsmittelkanäle, durch die ein von außen eingebrachtes Kühlmedium strömt. Hierdurch wird zwar der apparative Aufwand für den Stützkörper 20 höher, da dieser jedoch zur Herstellung einer Vielzahl von Rohrverschweißungen eingesetzt wird, kann sich dies letzten Endes bezahlt machen, da seine Wärmeableitungsfähigkeit flexibel einstellbar ist. Außerdem ist in diesem Fall eine genauere Steuerung der Temperatur des Stützkörpers 20 und damit auch des Zustands des ersten rohrförmigen Körpers 10 während des Schweißvorgangs möglich.
Bei dem beschriebenen Verfahren lässt sich in der Regel nicht verhindern, dass an der Nahtstelle nach dem Schweißvorgang eine Schweißwulst gebildet wird. In Fällen, in denen eine möglichst glatte Fläche an der Nahtstelle gewünscht wird, ist deshalb vorgesehen, dass nach Beendigung des Schweißvorgangs diese Schweißwulst in einem separaten Verfahrensschritt entfernt wird.

Claims

Verfahren zum stirnseitigen Verschweißen zweier rohrförmiger Körper (10, 12) unterschiedlicher Wandstärke (d₁, d₂), nämlich eines ersten rohrförmigen Körpers (10) geringerer Wandstärke (d,) und eines zweiten rohrförmigen Körpers (12) höherer Wandstärke (d₂), dadurch gekennzeichnet, dass man einen ersten rohrförmigen Körper (10) verwendet, der an seinem zu verschweißenden Ende (14) wenigstens einen nach radial innen weisenden Steg (18) aufweist, dass man in den ersten rohrförmigen Körper (10) einen den Steg (18) stützenden Stützkörper (20) einschiebt, und dass man die beiden rohrförmigen Körper (10, 12) mittels des Heizelement-Stumpfschweißverfahrens miteinander verschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (18) sich über den im Wesentlichen gesamten Umfang des ersten rohrförmigen Körpers (10) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei koaxialer Anordnung der beiden rohrförmigen Körper (10, 12) eine in Achsrichtung (A) projizierte Fläche des wenigstens einen Stegs (18) sich mit der Stirnfläche (16) des zweiten rohrförmigen Körpers (12) zumindest teilweise überlappt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die projizierte Fläche des Stegs (18) die Stirnfläche (16) des zweiten rohrförmigen Körpers im Wesentlichen vollständig überdeckt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei identischem Außendurchmesser (DA₁, DA₂) der beiden rohrförmigen Körper (10, 12) die projizierte Fläche des Stegs (18) und die Stirnfläche (16) des zweiten rohrförmigen Körpers (12) im Wesentlichen identisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Stützkörper (20) auf den Steg (18) während des Aneinanderdrückens der beiden rohrförmigen Körper (10, 12) eine in axialer Richtung (A) wirkende Kraft ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenabschnitt des Stützkörpers (20) aus einem Material gefertigt ist oder/und mit einer Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet ist, das oder/und die ein Verkleben mit oder/und ein Anhaften an dem Material zumindest des ersten rohrfömigen Körpers (10) und vorzugsweise auch dem Material des zweiten rohrförmigen Körpers (12) verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (20) eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die derart gewählt ist, dass sich der erste rohrförmige Körper (10) in einem durch das Heizelement-Stumpfschweißverfahren erwärmten Bereich auf im Wesentlichen die gleiche Temperatur erwärmt wie der zweite rohrförmige Körper (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden rohrförmigen Körper (10, 12) aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff gefertigt sind, beispielsweise Polypropylen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschweißen eine gegebenenfalls an der Nahtstelle zwischen den beiden verschweißten rohrförmigen Körpern (10, 12) gebildete Schweißwulst entfernt wird.