DE19807142A1 - Vorrichtung zum stirnseitigen Verschweißen von Kunststoffprofilen, insbesondere von Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum stirnseitigen Verschweißen von Kunststoffprofilen, insbesondere von Rohren, mit Spannvorrichtungen zur koaxialen Positio­ nierung und zur Ausführung einer axialen Relativbewegung der zu verschweißenden Profile und mit einer zwischen die zu verschweißende Profile bringbaren Heizplatte aus Stahl zur Beaufschlagung der zugewandten Stirnseiten der Profile mit Wärmestrahlung, wobei die mit einem Keramikmaterial beschichtete Heizplatte im wesentlichen parallel und be­ abstandet zu den Stirnseiten der zu verschweißenden Profile angeordnet ist.

Eine derartige Vorrichtung zum berührungslosen Aufheizen von zu verschweißenden Rohren vor dem die Schweißver­ bindung bewirkenden Zusammenbringen dieser Rohre ist aus der DE 40 13 471 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung ver­ wendet eine Heizplatte aus Stahl oder Kupfer, die mit einer Keramikschicht versehen ist, um die Wärme-Abstrah­ lungsintensität bzw. den Emissionsgrad zu erhöhen, so daß insgesamt ein besserer Wirkungsgrad der Heizvorrichtung erreicht wird. Die Heizplatte wird durch mehrere elek­ trisch heizbare Heizpatronen im Inneren aufgeheizt, wobei durch die Metallplatte eine gleichmäßige Aufheizung er­ reicht werden soll. Aus diesem Grunde erscheint in der späteren DE-PS 40 13 471 das Material Stahl nicht mehr, und es wird nur noch von einer keramikbeschichteten Kupferplatte ausgegangen. Bei dieser hat sich jedoch die geringe Haltbarkeit der Keramikschicht als Nachteil her­ ausgestellt, da die Keramik insbesondere auf Grund unter­ schiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten beim Erhitzen bricht bzw. von der Kupferplatte abplatzt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit dar­ in, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit einer keramikbeschichteten Heizplatte so zu verbessern, daß die Keramikschicht noch viele Aufheizperioden unbe­ schadet übersteht und nicht abplatzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizplatte aus einem Weichstahl besteht und das Keramik­ material eine Schichtdicke zwischen 10 µ und 90 µ auf­ weist.

Der Vorteil einer Weichstahlplatte gegenüber einer üb­ lichen Stahlplatte liegt in ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit, die zwar nicht an die von Kupfer herankommt, jedoch für die erforderliche gleichmäßige Aufheizung der Heizplatte ausreicht. Ein wesentlicher Vorteil besteht dabei darin, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht und des Weichstahls wesentlich näher beieinander liegen als die von Keramikmaterial und Kupfer. Zusätzlich ist es jedoch im Hinblick auf die zu erzielende gute Haltbarkeit der Keramikschicht zwingend erforderlich, die Schichtdicke deutlich zu reduzieren. Die durch die geringere Schicht­ dicke erzielte höhere Elastizität der Keramikschicht in Verbindung mit dem Material Weichstahl führt zu einer sehr guten Haltbarkeit der Keramikschicht auf dem Weichstahl­ material, auch noch nach vielen Aufheizzyklen. Gleich­ zeitig wird eine ausreichend gleichmäßige Wärmeabstrahlung über die Fläche der Heizplatte bei gutem Wirkungsgrad er­ zielt.

Zusätzliche Vorteile gegenüber einer Kupferplatte bestehen noch in der höheren Maßgenauigkeit und höheren mechani­ schen Stabilität der Weichstahlplatte, insbesondere bei höheren Temperaturen. Durch die höhere Temperaturstabili­ tät können beispielsweise direkt Gewinde in die Weich­ stahlplatte hineingeschnitten werden, um eine Befestigung und Halterung zu ermöglichen. Die Oxidationsneigung bei höheren Temperaturen ist deutlich geringer gegenüber Kupfer, so daß zum Beispiel Kratzer in der Keramikschicht weniger problematisch sind. Ein weiterer Vorteil besteht noch darin, daß zum Beschichten der Weichstahlplatte mit Keramikmaterial keine Zwischenschicht erforderlich ist, welche bei einer Beschichtung von Kupfer mit Keramikmate­ rial benötigt wird. Schließlich ist bei Weichstahlplatten eine bessere Verfügbarkeit, insbesondere bei großdimensio­ nierten Heizplatten mit Durchmessern von beispielsweise über 1 m, gegenüber Kupferplatten gegeben, wobei sich auch ein Kostenvorteil bei Weichstahlplatten ergibt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Die Heizplatte weist zweckmäßigerweise in entsprechenden Bohrungen angeordnete Heizstäbe oder Heizpatronen auf, wie dies zur gleichmäßigen Aufheizung an sich bekannt ist. Die Bohrungen verlaufen dabei zweckmäßigerweise parallel zur Plattenebene, münden an wenigstens einer Schmalseite der Platte und sind über die Fläche der Heizplatte verteilt angeordnet, was ebenfalls wesentlich zur gleichmäßigen Temperaturverteilung beiträgt.

Alternativ kann die Heizplatte auch eine Heizdraht- oder Heizleiteranordnung enthalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Stumpfschweißen von Kunststoffrohren.

Zur alternativen Verwendung der Heizplatte als Kontakt­ heizvorrichtung sind in vorteilhafter Weise flachseitig an ihr anbringbare und dadurch aufheizbare und in Kontakt mit den zu verschweißenden Profilen bringbare Kontaktaufheiz­ elemente vorgesehen. Hierdurch kann die Heizvorrichtung in variabler Weise sowohl zur berührungslosen Strahlungsauf­ heizung als auch zur Kontaktaufheizung eingesetzt werden, wenn beispielsweise die Kontaktaufheizung in Spezialfällen günstiger ist.

Die Kontaktaufheizelemente können in ihrer Gestalt dem je­ weiligen Anwendungszweck angepaßt werden und sind im ein­ fachsten Falle als ebene Platten ausgebildet. Zur Herstel­ lung von Muffenschweißverbindungen an Rohren sind die Kontaktaufheizelemente einerseits mit einem Heizdorn und andererseits mit einer Heizmuffe versehen. Der Heizdorn und die Heizmuffe können beispielsweise an einem ebenen, plattenförmigen Kontaktaufheizelement angeordnet bzw. ein­ stückig mit diesem ausgebildet sein.

Die Kontaktaufheizelemente bestehen zweckmäßigerweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium­ legierung, und können in an sich bekannter Weise mit einem Antihaftbelag aus einem wärmebeständigen Kunststoff an den erforderlichen Stellen überzogen sein.

Zur schnellen und einfachen Befestigung der Kontakt­ aufheizelemente ist die Heizplatte an jeder ihrer Flach­ seiten mit wenigstens einer Steckaufnahme und/oder wenig­ stens einem Steckvorsprung versehen, wobei die Kontakt­ aufheizelemente zur Steckverbindung mit entsprechenden Gegensteckelementen versehen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schweißvor­ richtung zur Erläuterung des Schweißvorgangs,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Aus­ führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heiz­ platte,

Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Heizplatte mit an beiden Seiten angeordneten Kontaktaufheiz­ elementen, die als ebene Platten ausgebildet sind, in einer Seitenansicht und

Fig. 4 eine entsprechende Anordnung mit Kontaktaufheiz­ elementen, die einerseits einen Heizdorn und andererseits eine Heizmuffe besitzen.

Die in Fig. 1 lediglich schematisch in der Seitenansicht dargestellte Schweißvorrichtung dient zur Erläuterung des Schweißvorgangs bei einer Aufheizung von zu verschweißen­ den Rohren 10, 11 durch Wärmestrahlung bzw. Infrarot- Strahlung, wie dies beispielsweise auch in der eingangs genannten DE 40 13 471 A1 beschrieben ist. Zunächst werden die beiden zu verschweißenden Rohre 10, 11 in Spannvor­ richtungen 12, 13 konzentrisch eingespannt. Diese beiden Spannvorrichtungen 12, 13 sind an einer Basis 14, die ein Maschinengestell sein kann, axial verschiebbar geführt, wie dies durch die Pfeile A und B angedeutet ist. Nun wird zunächst bei beabstandeten Rohrenden eine nicht darge­ stellte Schneideinrichtung zwischen die Rohrenden ge­ schoben oder geschwenkt, die daraufhin mittels der Spann­ vorrichtungen 12, 13 gegen die Schneideinrichtung gescho­ ben wird. Durch diese Schneideinrichtung werden die Stirnflächen der Rohre 10, 11 plangeschnitten bzw. -gefräst, um exakte parallele Anlageflächen für das Stumpfschweißen zu erreichen. Bei einer solchen Schneid­ einrichtung kann es sich beispielsweise um eine rotierende Hobelscheibe mit einer Hobelschneide handeln. Nachdem die Rohre 10, 11 wieder auseinandergefahren worden sind, wird die Schneideinrichtung herausgeschwenkt und dafür eine Heizplatte 15 hineingeschoben oder hineingeschwenkt. Die beiden Stirnseiten der Rohre 10, 11 werden nun mit der Wärmestrahlung der aufgeheizten Heizplatte 15 beaufschlagt, um sie auf die erforderliche Schweißtemperatur zu bringen, die unter anderem von der Art des Kunststoffmaterials der Rohre abhängt. Sie wird über die Anheizzeit und/oder über einen nicht dargestellten Temperatursensor bestimmt. Nun wird die Heizplatte 15 wieder aus dem Spalt zwischen den Rohren 10, 11 herausgenommen, und diese werden durch die Spannvorrichtungen 12, 13 aneinandergepreßt. Dies kann beispielsweise nach einer vorgegebenen Druckfunktion und/oder Zeitfunktion automatisch oder manuell erfolgen. Hier­ bei bildet sich eine Schweißwulst, und die beiden Rohre 10, 11 sind stirnseitig fest miteinander verschweißt. Nach dem Abkühlen werden die Spannvorrichtungen 12, 13 aufge­ klappt, und das fertiggeschweißte Rohr kann herausgenommen werden, beziehungsweise die Schweißvorrichtung wird vom Rohr abgenommen.

Details über mögliche Ausführungen von Spannvorrichtungen und deren Bewegungsablauf sind außer im eingangs ange­ gebenen Stand der Technik auch noch beispielsweise im Prospekt "Kunststofftechnik" der Firma WIDOS, W. Dommer Söhne GmbH, 71254 Ditzingen, in der DE-OS 23 32 174, der DE-AS 27 34 911 und der DE 40 10 541 C2 beschrieben.

Die Heizplatte 15 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Sie weist eine rechteckförmige Gestalt auf und besteht aus einem Weichstahl. Die Gestalt kann selbstverständlich an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden, wobei bei­ spielsweise auch eine kreisscheibenförmige Gestalt möglich ist. An einer ihrer Schmalseiten 16 münden mehrere par­ allele Sackbohrungen 17, die parallel zur Plattenebene an­ geordnet und so über deren Fläche verteilt sind, daß eine möglichst gleichmäßige Aufheizung der Heizplatte 15 durch elektrische Heizpatronen 18 erzielt werden kann, die in den entsprechend geformten Sackbohrungen 17 angeordnet sind. Diese Heizpatronen 18 oder Heizstäbe können in diese Sackbohrungen 17 eingesteckt, eingeschraubt, eingeklemmt oder auf andere Weise fixiert werden. Anstelle von Sack­ bohrungen 17 können prinzipiell auch Durchgangsbohrungen vorgesehen sein.

Anstelle von Heizpatronen 18 kann die Aufheizung der Heiz­ platte 15 auch durch Heizdrähte oder Heizleiter erfolgen, die in der Heizplatte 15 verlaufen. Beispielsweise können solche Heizdrähte in einer flächigen Heizvorrichtung ange­ ordnet sein, die in einen oder mehrere, nicht dargestellte Schlitze parallel zur Plattenebene in die Heizplatte 15 eingebracht werden können. Weiterhin ist beispielsweise auch eine induktive Aufheizung der Heizplatte 15 aus Weichstahl möglich.

Die Heizplatte 15 ist mit einer Keramikschicht 19 über­ zogen, die in Fig. 2 als solche nicht erkennbar ist. Diese Keramikschicht 19 besitzt eine Schichtdickte von 10 µ bis 90 µ. Diese Keramikschicht 19 kann entweder nur die beiden parallelen Flachseiten überdecken, jedoch ist auch eine vollständige Oberdeckung der Außenflächen der Heizplatte 15 möglich.

Ungefähr mittig weisen die Flachseiten der Heizplatte 15 je eine als Sackloch ausgebildete Steckaufnahme 20 auf, die in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 noch näher erläu­ tert wird.

Für manche Anwendungszwecke ist die an sich bekannte Art der Aufheizung der zu verschweißenden Rohre durch Wärme­ kontakt von Vorteil. Um die in Fig. 2 dargestellte Heiz­ platte 15 auch als Kontaktheizvorrichtung einsetzen zu können, sind zwei metallische plattenförmige Kontakt­ aufheizelemente 21 vorgesehen, die an den beiden Flach­ seiten der Heizplatte 15 gemäß Fig. 3 anbringbar sind. Sie besitzen jeweils in an sich bekannter Weise einen Anti­ haftbelag 22 aus einem wärmebeständigen Kunststoffmaterial, um ein Ankleben der aufzuheizenden Kunststoffrohre an den Kontaktflächen zu vermeiden. Diese Kontaktaufheizelemente 21 werden an ihren der Heizplatte 15 zugewandten Seiten durch Wärmekontakt und/oder Wärmestrahlung der Heizplatte 15 aufgeheizt und mit ihren Außenflächen in Kontakt mit den zu verschweißenden Stirnflächen von Kunststoffrohren gebracht, wie dies bereits beschrieben wurde. Nach Abnahme der Kontaktaufheizelemente 21 arbeitet die Heizvorrichtung 15 wiederum kontaktlos durch Wärmestrahlung, wie dies in Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläutert wurde.

Zur Verbindung der Kontaktaufheizelemente 21 mit der Heiz­ platte 15 besitzen diese etwa mittig jeweils einen bolzen­ artigen Steckvorsprung 28, der zur Fixierung der Kontakt­ aufheizelemente in die entsprechende Steckaufnahme 20 der Heizplatte 15 eingesteckt wird. Selbstverständlich können auch mehrere Steckvorsprünge 28 und Steckaufnahmen 20 vor­ gesehen sein, wobei die jeweilige Anordnung an der Heiz­ platte 15 oder an den Kontaktaufheizelementen 21 prinzi­ piell beliebig ist.

Einen Spezialfall für das Verschweißen von Kunststoff­ profilen stellt das sogenannte Muffenschweißen dar. Hier­ bei werden zwei ineinanderschiebbare Rohre an ihren radia­ len Kontaktflächen verschweißt. Um auch das Muffenschwei­ ßen mit der in Fig. 2 dargestellten Heizplatte 15 zu er­ möglichen, werden gemäß Fig. 4 wiederum an den Flachseiten der Heizplatte 15 Metallplatten als Kontaktaufheizelemente 23 angebracht bzw. gemäß Fig. 3 angesteckt, von denen die eine mit einem zylindrischen Heizdorn 24 und die andere mit einer rohrförmigen Heizmuffe 25 versehen ist. Im mon­ tierten Zustand ist der Heizdorn 24 konzentrisch zur Heizmuffe 25 angeordnet.

Im Betrieb heizt wiederum die Heizplatte 15 die Kontakt­ aufheizelemente 23 und über diese den Heizdorn 24 und die Heizmuffe 25 von innen her auf. Danach wird das größere, gestrichelt dargestellte Rohr 26 über den Heizdorn 24 ge­ schoben, und das kleinere, ebenfalls gestrichelt darge­ stellte Rohr 27 wird in die Heizmuffe 25 eingeschoben. Nach dem Aufheizen auf die gewünschte Schweißtemperatur werden die beiden Rohre 26, 27 auseinandergezogen, die Heizplatte 15 wird weggeschwenkt oder weggezogen, und dann werden die Rohre 26, 27 zum Verschweißen ineinanderge­ steckt.

Anstelle der Kontaktaufheizelemente 21, 23, des Heizdorns 24 und der Heizmuffe 25 können noch Kontaktaufheizelemente anderer Gestalt für Spezialschweißungen, insbesondere für 3D-Profilschweißungen, vorgesehen sein, die jeweils ab­ nehmbar an der Heizplatte 15 befestigt werden können. Alle derartigen Kontaktaufheizelemente können an den jeweiligen Berührungsflächen mit den zu verschweißenden Kunststoff­ rohren mit einem Antihaftbelag versehen sein.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Ver­ schweißen von Kunststoffrohren beschränkt, vielmehr können in entsprechender Weise auch andere Kunststoffprofile unterschiedlichster Gestalt stirnseitig miteinander ver­ schweißt werden (Stumpfschweißen) oder durch Ineinander­ schieben verschweißt werden (Muffenschweißen).

In Abwandlung der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und Fig. 4 können die Steckaufnahmen 20 und Steckvorsprünge 28 auch mit einem Gewinde versehen sein, so daß eine Schraub­ befestigung der Kontaktaufheizelemente 21 bzw. 23 ermög­ licht wird.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bohrungen 17 und damit die Heizpatronen 18 horizontal mit gleichen Abständen voneinander angeordnet. Bei gleicher Heizleistung der Heizpatronen 18 würde dies infolge der Konvektion zu einer nicht gleichmäßigen Temperaturverteilung über der Heizplatte 15 führen, das heißt, der obere Bereich der Heizplatte 15 wäre heißer als der untere Bereich. Um dies zu kompensieren, können die Heizleistungen der einzelnen Heizpatronen 18 abgestuft von unten nach oben so ver­ ringert werden, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß leistungs­ mäßig unterschiedlich ausgelegte Heizpatronen verwendet werden oder dadurch, daß gleiche Heizpatronen einzeln oder in Gruppen, z. B. Zweiergruppen, elektrisch unterschiedlich angesteuert werden. Stehen nur Heizpatronen gleicher Leistung zur Verfügung, so besteht auch eine alternative Kompensations­ möglichkeit darin, die Abstände zwischen den Bohrungen 17 bzw. Heizpatronen 18 von unten nach oben hin zu ver­ größern. Auch hierdurch kann eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung erreicht werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum stirnseitigen Verschweißen von Kunststoffprofilen, insbesondere von Rohren, mit Spann­ vorrichtungen zur koaxialen Positionierung und zur Ausführung einer axialen Relativbewegung der zu verschweißenden Profile und mit einer zwischen die zu verschweißenden Profile bringbaren Heizplatte aus Stahl zur Beaufschlagung der zugewandten Stirnseiten der Profile mit Wärmestrahlung, wobei die mit einem Keramikmaterial beschichtete Heizplatte im wesentlichen parallel und be­ abstandet zu den Stirnseiten der zu verschweißenden Profile angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplatte (15) aus einem Weichstahl besteht und das Keramik­ material (19) eine Schichtdicke zwischen 10 µ und 90 µ auf­ weist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizplatte (15) in entsprechenden Bohrungen (17) angeordnete Heizstäbe oder Heizpatronen (18) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bohrungen (17) parallel zur Plattenebene ver­ laufen, an wenigstens einer Schmalseite (16) der Platte (15) münden und über die Fläche der Heizplatte (15) ver­ teilt angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrungen (17) horizontal verlaufen und daß die Heizleistungen der einzelnen Heizstäbe oder Heiz­ patronen (18) zur Erzielung einer gleichmäßigen Tempera­ turverteilung über die Heizplatte (15) von unten nach oben hin abnehmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bohrungen (17) horizontal verlaufen und daß die Zwischenabstände zwischen diesen Bohrungen (17) zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung über die Heizplatte (15) von unten nach oben hin zunehmen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heizplatte (15) eine Heizdraht- oder Heiz­ leiteranordnung enthält.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile Kunststoffrohre (10, 11; 26, 27) sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur alternativen Verwendung der Heizplatte (15) als Kontaktheizvorrichtung flachseitig an ihr anbringbare und dadurch aufheizbare und in Kontakt mit den zu verschweißenden Profilen (10, 11; 26, 27) bringbare Kontaktaufheizelemente (21; 23-25) vor­ gesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kontaktaufheizelemente (21; 23) als ebene Platten ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktaufheizelemente (23) zur Herstel­ lung von Muffenschweißverbindungen an Rohren (26, 27) einerseits mit einem Heizdorn (24) und andererseits mit einer Heizmuffe (25) versehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktaufheizelemente (21; 23-25) aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktaufheizelemente (21) mit einem Antihaftbelag (22) aus einem wärmebeständigen Kunststoffmaterial wenigstens an der in Kontakt mit den zu verschweißenden Profilen gelangenden Stellen versehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Heizplatte (15) an jeder ihrer Flachseiten mit wenigstens einer Steck- oder Ge­ windeaufnahme (20) und/oder wenigstens einem Steck- oder Gewindevorsprung versehen ist, wobei die Kontaktaufheiz­ elemente (21; 23-25) zur Steckverbindung mit ent­ sprechenden Gegensteck- bzw. Gegenschraubelementen (28) versehen sind.