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DE102005053347B4 - Verfahren und Anlage zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres - Google Patents

Verfahren und Anlage zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres Download PDF

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DE102005053347B4
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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres, bei welchem ein Metallband in einen rohrförmigen Körper umgeformt, die überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers verschweißt und anschließend wenigstens die Innenseite des rohrförmigen Körpers mit einer Kunststoff-Innenschicht versehen wird, welche mittels einer innerhalb des rohrförmigen Körpers angeordneten Extrusionsdüse zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband zunächst in einen von der Kreisform abweichenden rohrförmigen Körper derart umgeformt wird, dass der Bereich der sich überlappenden Längsränder asymmetrisch nach außen geformt ist, nachfolgend die Längsränder des rohrförmigen Körpers laserverschweißt werden und anschliessend der rohrförmige Körper in eine Kreisform umgeformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres, bei welchem ein Metallband in einen rohrförmigen Körper umgeformt, die überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers verschweißt und anschließend wenigstens die Innenseite des rohrförmigen Körpers mit einer Kunststoff-Innenschicht versehen wird, welche mittels einer innerhalb des rohrförmigen Körpers angeordneten Extrusionsdüse zugeführt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres mit einer Umformeinrichtung zum Umformen eines Metallbandes in einen rohrförmigen Körper, mit einer Schweißeinrichtung zum Verschweißen der benachbarten überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers sowie mit einer Extrusionseinrichtung, welche wenigstens eine Extrusionsdüse zur Zuführung wenigstens einer Kunststoff-Innenschicht in den rohrförmigen Körper aufweist, wobei der Querschnitt des wenigstens einen Strömungskanals der Extrusionsdüse über der gesamten Länge der Extrusionsdüse im Wesentlichen konstant ist, und wobei die Außenseite der Extrusionsdüse als Gegenlager für den Schweißkopf der Schweißeinrichtung ausgebildet ist.
  • Ein Mehrschicht-Verbundrohr mit einem Innenrohr aus Kunststoff, einer das Innenrohr ummantelnden, längs überlappt verschweißten Zwischenschicht aus Metall und einem Außenrohr aus Kunststoff ist z.B. aus DE 195 07 224 A1 bekannt. Dieses bekannte Mehrschicht-Verbundrohr weist eine Zwischenlage aus einer Aluminiumfolie auf, deren Ränder längsüberlappt angeordnet und mit Hilfe einer Elektronenbestrahlung verschweißt sind. Eine solche Verschweißung mittels Elektronenbestrahlung ist regelungstechnisch sehr aufwändig, da vermieden werden muss, dass die Elektronen in die Kunststoff-Innenschicht eindringen. Ein ähnliches Mehrschicht-Verbundrohr dieser Art ist aus DE 200 14 466 U1 bekannt, wobei das Metallband stumpf oder überlappt verschweißt sein kann. Das Metallband besteht bevorzugt aus Aluminium, über die Art der Verschweißung ist nichts ausgesagt.
  • Aus DE 200 05 621 U1 ist ein Mehrschicht-Verbundrohr bekannt, bei welchem zur Vermeidung der geschilderten Probleme im Schweißbereich die Ränder des Metallbandes im Überlappungsbereich verklebt sind. Ferner ist es aus DE 43 23 838 B4 bekannt, das Metallband eines derartigen Mehrschicht-Verbundrohres stumpf laserzuverschweißen. Dabei lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass die Kunststoff-Innenschicht beim Schweißvorgang beschädigt wird, so dass zusätzliche Maßnahmen quasi zur Reparatur des Kunststoffes erforderlich sind.
  • Aus DE 42 25 011 A1 sind ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Anlage bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Extrusionslinie beschrieben, welche zum Herstellen von Mehrschicht-Verbundrohren mit einer Umformeinrichtung zum Umformen eines Metallstreifens zu einem Metallrohr mit sich überlappenden Längsrändern und mit einer Schweißeinrichtung zum Verschweißen der sich überlappenden Längsränder ausgerüstet ist, wobei die Außenwand der Extrusionsdüse als Gegenlager für einen Schweißkopf zum Verschweißen der überlappten Längsränder des eingerollten Bandmaterials zur Erzeugung des Metallrohres dient.
  • Bei dieser bekannten Anlage wird bevorzugt eine Ultraschall-Schweißeinrichtung verwendet. Eine solche Ultraschall-Schweißeinrichtung hat jedoch den Nachteil, dass nur weiche Nichteisenmetalle verarbeitet werden können. Eine Verarbeitung eines Metallstreifens aus Stahl wäre nur dann möglich, wenn stärkere Schweißgeneratoren zum Einsatz kämen, was je doch höhere Anlagekräfte der Sonotrode und somit eine steifere Extrusionsdüse, die als Amboss dient, erforderlich machen würde. Dies hätte zur Folge, dass die als Gegenlager dienende Extrusionsdüse wesentlich verstärkt werden müsste. Dies ließe sich aber nur durch eine Strömungsquerschnittsverengung der Ringkanäle der Extrusionsdüse realisieren. Dadurch wäre nur eine geringere Produktionsgeschwindigkeit der Anlage möglich, da bei gleichbleibender Produktionsgeschwindigkeit mit verringertem Strömungsquerschnitt eine Schädigung des Kunststoffmaterials durch Überschreitung der zulässigen Schergeschwindigkeiten aufträte.
  • Aus DE 44 04 492 C2 ist ein Mehrschicht-Verbundrohr bekannt, bei welchem die längsüberlappten Ränder der Zwischenschicht des Verbundrohres laserverschweißt sind. Die Zwischenschicht besteht dabei aus einer Metallfolie, vorzugsweise aus Aluminium.
  • Aus DE 297 13 049 U1 ist ein Mehrschicht-Verbundrohr mit einem Innenrohr aus Kunststoff, einer das Innenrohr ummantelnden Zwischenschicht aus Metall und einem Außenrohr aus Kunststoff bekannt, wobei die Zwischenschicht aus Stahl bestehen kann.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der mit möglichst hohen Produktiongsgeschwindigkeiten und möglichst geringem Materialeinsatz gasdichte Mehrschicht-Verbundrohre geschaffen werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Metallband zunächst in einen von der Kreisform abweichenden rohrförmigen Körper derart umgeformt wird, dass der Bereich der sich überlappenden Längsränder asymmetrisch nach außen geformt ist, nachfolgend die Längsränder des rohrförmigen Kör pers laserverschweißt werden und anschliessend der rohrförmige Körper in eine Kreisform umgeformt wird.
  • Durch diese zunächst von der Kreisform abweichende asymmetrische Umformung des Metallbandes ist es möglich, im Schweißbereich einen rückseitigen Freiraum bereitzustellen, der den Einsatz eines Laserschweißverfahrens mit einem herkömmlichen Faser-Laser ermöglicht, ohne dass eine Verbindung mit dem Gegenlager erfolgt. Durch die asymmetrische Form ändert sich im Schweißbereich der Strömungsquerschnitt der Extrusionsdüse nur unwesentlich, so dass die gewünschte hohe Produktionsgeschwindigkeit gewährleistet bleibt.
  • Dabei ist die Abfolge bevorzugt so getroffen, dass während der Umformung des rohrförmigen Körpers in eine Kreisform die Kunststoff-Innenschicht von der Extrusionsdüse zugeführt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass die Extrusionsdüse ausgehend vom Schweißbereich bis zu ihrem freien Ende hin in eine kreisförmige Außenkontur übergeht.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Metallband aus Edelstahl verwendet wird. Als Edelstahl kann beispielsweise Edelstahl 1.4301 oder 1.4401 verwendet werden. Eine solche Edelstahlfolie ist in radialer Richtung dehnbar, was den großen Vorteil bietet, dass ein solches Mehrschicht-Verbundrohr im Anschlussbereich, z.B. zur Verbindung mit Armaturen oder dgl., radial gespreizt werden kann. Die Wandstärke der Stahl-, insbesondere Edelstahlfolie, kann sehr gering gewählt werden, sie beträgt vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,15 mm.
  • Die Oberflächenrauhigkeit der Edelstahlfolie ist so gewählt, dass bei Einsatz eines geeigneten Haftvermittlers eine zuverlässige Haftung mit der Kunststoff-Innen- und -Außenschicht gewährleistet ist. Als Kunststoffmaterial wird dabei bevorzugt RT-PE verwendet.
  • Selbstverständlich können auch andere Metalle verwendet werden, da das Verfahren eine Laserschweißeinrichtung verwendet.
  • Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der Aufgabe auch eine gattungsgemäße Anlage vor, die sich dadurch auszeichnet, dass die Schweißeinrichtung als Laser-Schweißeinrichtung ausgebildet ist und die Extrusionsdüse wenigstens im Bereich der Schweißeinrichtung eine von der Kreisform abweichende Außenkontur mit auf der der Schweißeinrichtung zugewandten Seite vergrößerter Wandstärke aufweist, wobei die Außenkontur der Extrusionsdüse zu ihrem freien Ende hin in eine Kreisform übergeht.
  • Die Extrusionsdüse der Anlage weicht somit im Bereich der Schweißeinrichtung von der idealen runden Form ab und ist in ihrem als Gegenlager dienenden, der Laser-Schweißeinrichtung gegenüberliegenden Bereich asymmetrisch nach außen verdickt, so dass die Wandstärke in diesem Bereich größer ist und es möglich ist, ohne den Querschnitt des wenigstens einen Strömungskanales der Extrusionsdüse wesentlich zu verringern, den notwendigen Freiraum für den Einsatz der Laser-Schweißeinrichtung zu schaffen. Aufgrund dieser äußeren Form der Extrusionsdüse wird somit aus dem Metallband zunächst ein unrunder rohrförmiger Körper geschaffen, der unrund verschweißt wird und anschließend in die runde Form umgeformt wird. Aufwändige Änderungen an vorhandenen Anlagen sind nicht erforderlich, es muss lediglich eine veränderte Extrusionsdüse für die Kunststoff-Innenschicht und eine Änderung der Umformeinrichtung durchgeführt werden. Mit einer solchen Anlage können ohne Verringerung der Produktionsgeschwindigkeit alle Metalle verschweißt werden. Je nach Einsatzzweck kann dasjenige Metall für das herzustellende Mehrschicht-Verbundrohr ausgewählt werden, welches benötigt wird. Eine Beschränkung auf Nichteisenmetalle besteht nicht.
  • Um den für die Laser-Schweißeinrichtung notwendigen Freiraum zu schaffen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Extrusionsdüse im Bereich mit vergrößerter Wandstärke gegenüberliegend zur Schweißeinrichtung eine Queraufnahmenut aufweist. Aufgrund der vergrößerten Wandstärke in diesem Bereich der Extrusionsdüse wird durch die Queraufnahmenut der Durchströmungsquerschnitt der Extrusionsdüse nicht beeinträchtigt.
  • Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Extrusionsdüse wenigstens zwei Längsbohrungen vorgesehen sind, die sich bis in die Queraufnahmenut erstrecken. Diese Längsbohrungen dienen dazu, im Schweißbereich ein Schutzgas zuzuführen und dieses sowie etwaigen Abbrand abzuführen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Umformeinrichtung im Bereich der Schweißeinrichtung Formrollen zum Andrücken der überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers an die Extrusionsdüse im Bereich mit vergrößerter Wandstärke sowie in Produktionsrichtung gesehen hinter der Schweißeinrichtung Formrollen zum Umformen des gebildeten Metallrohres in eine Kreisform aufweist.
    •
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in:
  • 1 teilweise im Längsschnitt die wesentlichen Teile einer Anlage zum Herstellen von Mehrschicht-Verbundrohren,
  • 1a bis 1c Schnitte gemäß der Linien A-A, B-B, C-C in 1,
  • 2 eine perspektivische Darstellung der Extrusionseinrichtung der Anlage von hinten,
  • 3 eine perspektivische Darstellung der Extrusionseinrichtung von vorne,
  • 4 in perspektivischer Darstellung ein vergrößertes Detail der Extrusionsdüse der Extrusionseinrichtung,
  • 5 einen Schnitt durch ein fertiges Mehrschicht-Verbundrohr und in
  • 6 ein vergrößertes Detail der 5.
  • Eine in den Figuren dargestellte Anlage dient zur Herstellung von Mehrschicht-Verbundrohren. Unter solchen Mehrschicht-Verbundrohren werden bevorzugt Metallrohre verstanden, die innen- und außenseitig jeweils mit einer Kunststoffschicht versehen sind, wobei beidseitig auf das Metallrohr jeweils bevorzugt ein Haftvermittler aufgetragen ist.
  • In den Figuren sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile einer solchen Anlage dargestellt. In 1 wird von einer nicht dargestellten Metallbandtransporteinrichtung in Richtung des Pfeiles 1 (Produktionsrichtung) ein Metallband 2, vorzugsweise aus Edelstahl, zugeführt, welches zunächst von ersten Formrollen 3 mit Gegenform 4 in eine U-förmige Form umgeformt wird.
  • In Produktionsrichtung gesehen hinter den ersten Formrollen 3 der Umformeinrichtung ist eine Extrusionseinrichtung 5 angeordnet, welche über einen Haltesteg 6 mit einer Extrusionsdüse 7 verbunden ist. Diese Extrusionsdüse 7 weist innenseitig einen vorzugsweise kreisförmigen Strömungskanal 8 auf, dessen Querschnitt über der gesamten Länge der Extrusionsdüse 7 im Wesentlichen konstant ist. Der Strömungskanal 8 steht über den Haltesteg 6, in den ein entsprechender Strömungskanal integriert ist, mit der Extrusionseinrichtung 5 in Verbindung und dient zur Zuführung von Kunststoff zur Erzeugung der Kunststoff-Innenschicht des herzustellenden Mehrschicht-Verbundrohres.
  • Wenn auch ein Haftvermittler zugeführt wird, weist die Extrusionsdüse 7 konzentrisch zum Strömungskanal 8 radial außerhalb desselben einen nicht dargestellten weiteren Strömungskanal auf, dessen Querschnitt sich dann ebenfalls über der Länge der Extrusionsdüse 7 im Wesentlichen nicht verändert.
  • In Produktionsrichtung gesehen hinter der Extrusionseinrichtung 5, aber noch im Bereich der Extrusionsdüse 7, ist eine als Laser-Schweißeinrichtung 9 ausgebildete Schweißeinrichtung vorgesehen, der zwei weitere Formrollen 10 der Umformeinrichtung zugeordnet sind.
  • Wesentlich ist nun die äußere Gestaltung der Extrusionsdüse 7. Die Extrusionsdüse 7 weist wenigstens im Bereich der Schweißeinrichtung 9, bevorzugt aber, wie zeichnerisch dargestellt, vom hinteren Ende 7a bis in den Bereich der Schweißeinrichtung 9 eine von der Kreisform abweichende Außenkontur mit auf der der Schweißeinrichtung 9 zugewandten Seite vergrößerte Wandstärke auf. Dieser Bereich mit vergrößerter Wandstärke ist mit 11 bezeichnet. Ausgehend von diesem Bereich 11 der Extrusionsdüse 7 geht die Außenkontur der Extrusionsdüse 7 in einem Übergangsbereich 12 freiendseitig in eine kreisförmige Außenkontur über, dieser Bereich ist mit 13 bezeichnet.
  • Durch den insbesondere im Bereich der Schweißeinrichtung 9 vorgesehenen Bereich 11 mit vergrößerter Wandstärke der Extrusionsdüse 7 ist es möglich, ohne Verringerung des Querschnittes des Strömungskanales 8 in diesem Bereich unterhalb der Laser-Schweißeinrichtung 9 einen Freiraum bereitzustellen, welcher durch eine Queraufnahmenut 14 in der Extrusionsdüse 7 im Bereich mit vergrößerter Wandstärke 11 gebildet ist. Diese Queraufnahmenut 14 ist gegenüberliegend zur Laser-Schweißeinrichtung 9 angeordnet. Da der Bereich 11 mit vergrößerter Wandstärke der Extrusionsdüse 7 als Gegenlager der Formrollen 10 der Umformeinrichtung im Bereich der Schweißeinrichtung 9 dient, wird das Metallband 2 zunächst ausgehend von der U-Form (1a) in eine in 1b zu erkennende, einseitig ovale Form mit überlappenden Längsrändern 2a gebracht und in dieser Lage verschweißt.
  • In Produktionsrichtung gesehen hinter der Schweißeinrichtung 9 und hinter dem freien Ende der Extrusionsdüse 13 sind weitere Formrollen 15 der Umformeinrichtung vorgesehen, welche das bereits verschweißte, mit einer Kunststoff-Innenschicht versehene Metallrohr in die gewünschte Kreisform umformen. An die Formrollen 15 der Umformeinrichtung schließt sich eine weitere Extrusionseinrichtung zur Zuführung der Kunststoff-Außenschicht an, die nicht dargestellt ist.
  • Der durch die Queraufnahmenut 14 gebildete Freiraum unter halb der Laser-Schweißeinrichtung 9 dient nicht nur zur Ermöglichung des Einsatzes der Laser-Schweißeinrichtung ohne Verringerung des Querschnittes des Strömungskanales 8 der Extrusionsdüse 7, sondern außerdem auch zur Zuführung von Schutzgas in den Schweißbereich und zur Abführung desselben und etwaigem Abbrandes. Dazu sind in der Extrusionsdüse 7 wenigstens zwei Längsbohrungen 16, 17 vorgesehen, die in der Queraufnahmenut 14 enden.
  • Zur Herstellung des gewünschten Mehrschicht-Verbundrohres wird somit verfahrensmäßig zunächst ein Metallband 2 von den Formrollen 3 in eine U-Form umgeformt und anschließend von den Formrollen 10 während des Schweißvorganges gegen den asymmetrischen Bereich 11 der Extrusionsdüse 7 in eine ovale Form mit überlappenden Längsrändern 2a verformt und verschweißt. Etwa gleichzeitig bzw. etwas später wird die Kunststoff-Innenschicht durch das freie Ende 13 der Extrusionsdüse 7 der Innenwandung des so gebildeten rohrförmigen Körpers zugeführt, vorzugsweise zusätzlich mit Hilfe eines Haftvermittlers. Im Anschluss daran wird das so gebildete ovale Rohr mit Kunststoff-Innenschicht von den Formrollen 15 in die gewünschte Kreisform umgeformt und nachfolgend von einer weiteren Extrusionseinrichtung mit einer Kunststoff-Außenschicht versehen.
  • In den 5 und 6 ist ein fertiges erfindungsgemäßes Mehrschicht-Verbundrohr 18 im Schnitt dargestellt. Das Mehrschicht-Verbundrohr 18 weist eine Kunststoff-Innenschicht 19 und eine Kunststoff-Außenschicht 20 auf, welche bevorzugt aus RT-PE bestehen. Zwischen den beiden Schichten 19 und 20 ist die aus dem Metallband 2 gebildete Zwischenschicht 21 angeordnet, die bevorzugt aus Edelstahlfolie mit einer Wandstärke zwischen 0,03 und 0,15 mm besteht. Diese Zwischenschicht 21 weist längsüberlappte Ränder 21a, 21b auf, die laserverschweißt sind. Die Zwischenschicht ist beidseitig jeweils mit einer Haftvermittlerschicht 22, 23 versehen.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres, bei welchem ein Metallband in einen rohrförmigen Körper umgeformt, die überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers verschweißt und anschließend wenigstens die Innenseite des rohrförmigen Körpers mit einer Kunststoff-Innenschicht versehen wird, welche mittels einer innerhalb des rohrförmigen Körpers angeordneten Extrusionsdüse zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband zunächst in einen von der Kreisform abweichenden rohrförmigen Körper derart umgeformt wird, dass der Bereich der sich überlappenden Längsränder asymmetrisch nach außen geformt ist, nachfolgend die Längsränder des rohrförmigen Körpers laserverschweißt werden und anschliessend der rohrförmige Körper in eine Kreisform umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Umformung des rohrförmigen Körpers in eine Kreisform die Kunststoff-Innenschicht von der Extrusionsdüse zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallband aus Edelstahl verwendet wird.
  4. Anlage zum Herstellen eines Mehrschicht-Verbundrohres mit einer Umformeinrichtung zum Umformen eines Metallbandes in einen rohrförmigen Körper, mit einer Schweißeinrichtung zum Verschweißen der benachbarten überlappenden Längsränder des rohrförmigen Körpers sowie mit einer Extrusionseinrichtung, welche wenigstens eine Extrusionsdüse zur Zuführung wenigstens einer Kunststoff-Innenschicht in den rohrförmigen Kör per aufweist, wobei der Querschnitt des wenigstens einen Strömungskanals der Extrusionsdüse über der gesamten Länge der Extrusionsdüse im Wesentlichen konstant ist, und wobei die Außenseite der Extrusionsdüse als Gegenlager für den Schweißkopf der Schweißeinrichtung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißeinrichtung (9) als Laser-Schweißeinrichtung ausgebildet ist und die Extrusionsdüse (7) wenigstens im Bereich der Schweißeinrichtung (9) eine von der Kreisform abweichende Außenkontur mit auf der der Schweißeinrichtung (9) zugewandten Seite vergrößerter Wandstärke (11) aufweist, wobei die Außenkontur der Extrusionsdüse (7) zu ihrem freien Ende hin in eine Kreisform (13) übergeht.
  5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusionsdüse (7) im Bereich (11) mit vergrößerter Wandstärke gegenüberliegend zur Schweißeinrichtung (9) eine Queraufnahmenut (14) aufweist.
  6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Extrusionsdüse (7) wenigstens zwei Längsbohrungen (16, 17) vorgesehen sind, die sich bis in die Queraufnahmenut (14) erstrecken.
  7. Anlage nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung im Bereich der Schweißeinrichtung (9) Formrollen (10) zum Andrücken der überlappenden Längsränder (2a) des rohrförmigen Körpers (2) an die Extrusionsdüse (7) im Bereich (11) mit vergrößerter Wandstärke sowie in Produktionsrichtung (1) gesehen hinter der Schweißeinrichtung (9) Formrollen (15) zum Umformen des gebildeten Metallrohres in eine Kreisform aufweist.
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