Schweißen von Kunststoffrohren

Hanspeter Kohler, Ulrich Kienle

Die Kunststoffverarbeitung in allen Bereichen des Rohrleitungsbaus hat sich in den letzten Jahren enorm entwickelt. Es steht heute eine große Auswahl an Materialien zur Verfügung, die je nach Verwendung eine entsprechende Verbindungstechnologie benötigen. Die Schweißtechnologie und die notwendigen Werkzeuge und Maschinen sind daher abhängig von der Anwendung des benötigten Materials.

Früher wurden Rohre aus Stein, Ton, Blei, Bambus und Holz hergestellt, erst ca. 1450 konnte man durch die Kunst des Eisengießens auch Stahl als Rohrmaterial einsetzen. Rohre aus Kunststoff wurden jedoch erst in der 2. Hälfte dieses Jahrhunderts eingesetzt.

Im klassischen Rohrleitungsbau kann man grundsätzlich die Kunststoffe in zwei Gruppen unterteilen. Nachfolgend sind die wichtigsten der heute gebräuchlichen Kunststoffe (Thermoplaste) aufgeführt:

klebbare Kunststoffe
PVC (Polyvinylchlorid)
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
schweißbare Kunststoffe
PE (Polyethylen)
PP (Polypropylen)
PVDF (Polyvinylidenfluorid)
PB (Polybuten).

Die Auswahl des Materials richtet sich einerseits nach der chemischen Widerstandsfähigkeit (Tabelle 1) wie auch auf die Werkstoffeigenschaften des Materials und dessen Verfügbarkeit in den verschiedenen Dimensionen.

Tabelle 1: Allgemeine chemische Widerstandsfähigkeit von Thermoplasten

	PVC-U	PVC-C	PE	PP	PB	PVDF
widerstandsfähig gegen	Säuren und Laugen		Säuren, Laugen und schwache Lösungsmittel			Säuren, oxidierende Medien, Lösungsmittel, Halogene
nicht widerstandsfähig gegen	aromatische Lösungsmittel		oxidierende Säuren, Halogen			Amine, Alkalien

Verbindungstechnologie

Hier soll speziell auf die schweißbaren Verbindungen eingegangen werden, da diese mehr Werkzeuge und Maschinen beinhalten und weil sich dieser Bereich in den letzten Jahren sehr stark entwickelt hat (Tabelle 2). Grundsätzlich können drei Schweißtechnologien unterschieden werden:

Heizelement-Muffenschweißen
Heizelement-Stumpfschweißen
Heizwendel-Schweißen

Tabelle 2: Rohrverbindungen bei Thermoplasten

Schweißverbindungen	Werkstoff
HE-Muffenschweißung	PE, PP, PVDF, PB
HE-Stumpfschweißung	PE, PP, PVDF, PB
Elektroschweißung	PE, PP, PVDF, PB
Mechanische Verbindung	Werkstoff
Verschraubungen	PVC, PP, PE, PVDF
Gewindeverbindungen	PVC, PP, PE, PVDF
Flanschverbindungen	PVC, PP, PE, PVDF
Klemmverbindungen	PE, PVC, St., PB
Steckverbindungen	PVC
Klebeverbindungen	Werkstoff
	PVC, ABS

Entsprechend sind heute für jede Technologie Maschinen auf dem Markt erhältlich. Gemeinsam bei allen Schweißtechniken ist die Einhaltung der Hauptparameter Zeit, Druck und Temperatur.

Heizelement-Muffenschweißen

Bild 1: Ablauf beim Heizelement-Muffenschweißen.

Hier werden Rohr und Fitting überlappend und ohne Verwendung von Zusatzwerkstoffen verschweißt. Rohrende und Fittingsmuffe werden auf einem muffen- bzw. stutzenförmigen Heizelement auf Schweißtemperatur erwärmt und anschließend ineinandergefügt (Bild 1). Rohrende, Heizwerkzeuge und Fitting sind maßlich so aufeinander abgestimmt, daß sich beim Fügen ein Schweißdruck aufbaut und eine homogene Verbindung entsteht. Es können nur gleichartige Werkstoffe (z.B. PP mit PP) verschweißt werden. Der typische Dimensionsbereich liegt zwischen 16 und 110 mm.

Heizelement-Stumpfschweißen

Bild 2: Prinzip des Heizelement-Stumpfschweißens.

Hier werden die zu verbindenden Teile (Rohr/Rohr, Rohr/Fitting oder Fitting/Fitting) im Schweißbereich erwärmt und unter Druckaufbringung in Achsrichtung ohne Verwendung von Zusatzwerkstoff verschweißt (Bild 2). Dabei entsteht eine homogene Verbindung. Grundsätzlich können nur gleichartige Werkstoffe verschweißt werden. Das Heizelement-Stumpfschweißen kann von 32 mm Rohrdurchmesser bis größer 1 m eingesetzt werden.

Heizwendel-Schweißen

Das Heizwendel-Schweißen oder Elektroschweißen benötigt immer einen Elektrofitting. Diese Fittings haben einen Widerstandsdraht mit externen Kontakten eingegossen. Das Material wird mittels durch diesen Draht fließenden Strom auf Schweißtemperatur gebracht. Mit Hilfe eines Elektroschweißautomaten erfolgt die Energiesteuerung für die Schweißung. Erforderliche Schweißdaten werden über einen Barcode, einen speziellen Stecker oder eine Magnetkarte in den Schweißautomaten eingegeben.

Tabelle 3: Einsetzbare Materialien und Schweißtechnologie mit Dimensionen im Rohrleitungsbau und in der Haustechnik

Hauptanwendung	Material	Schweiß- technologie	Dimensionsbereich
Haustechnik Abfluß	PE	Elektroschweißen Stumpfschweißen	bis 110 mm
	PVC	Kleben Steckverbindung	bis 110 mm
Trinkwasser- versorgung	PB	Muffenschweißen Elektroschweißen	16 bis 110 mm
	PE und PP	Muffenschweißen	16 bis 110 mm
Industrie	PVC	Kleben	6 bis ca. 315 mm
	ABS	Kleben	20 bis 90 mm
	PE	Muffenschweißen Stumpfschweißen	20 bis 110 mm 32 bis ca. 500 mm
	PP	Muffenschweißen Stumpfschweißen IR-Schweißen	20 bis 110 mm 32 bis ca. 315 mm 20 bis 225 mm
	PVDF	Muffenschweißen Stumpfschweißen IR-Schweißen WNF-Schweißen	20 bis 110 mm 32 bis ca. 315 mm 20 bis 225 mm 20 bis 63 mm
Wasserversorgung	PVC	Kleben Steckverbindung	6 bis ca. 400 mm 63 bis ca. 1200 mm
	PE	Steckverbindung Muffenschweißen Elektroschweißen Stumpfschweißen	bis ca. 250 mm 16 bis 110 mm 20 bis ca. 400 mm 32 bis ca. 1200 mm
Gasversorgung	PE	Muffenschweißen Elektroschweißen Stumpfschweißen	16 bis 110 mm 20 bis 250 mm 32 bis ca. 250 mm

Mechanische Verbindungen

Neben dem Schweißen gibt es Übergangsverbindungen (Flansche, Schraubverbindungen, Gewindefittings, Schlauchtüllen, Steckverbindung, Klemmen), um zwei Rohrenden zu verbinden. Diese Verbindungen sind meist wieder lösbar, und es können unterschiedliche Materialien und Dimensionen kombiniert werden.

Anwendungsgebiete mit spezifischen Anforderungen

Jedes Anwendungsgebiet hat spezielle Anforderungen bezüglich der Materialien, des Dimensionsbereiches, der Verlegemethode, der Platzverhältnisse, der geschichtlichen Entwicklung usw. (Tabelle 3).

Bild 3: Stumpfschweißmaschine ASM 160.

Die einzelnen Anwendungsgebiete verlangen auf diese spezifischen Anforderungen abgestimmte Schweißmaschinen. In der Haustechnik sind es kleine, tragbare und handliche Geräte (Bild 3).

In der Gas- und Wasserversorgung werden hauptsächlich hydraulisch betätigte Baustellenmaschinen verwendet. Die Maschinen müssen möglichst kompakt sein, da Stumpfschweißungen auch vereinzelt im Graben ausgeführt werden müssen. Für die Gasversorgung ist zudem eine automatische Protokollierung in den meisten Ländern bereits vorgeschrieben. Datenaufzeichnungsgeräte können heute an bereits bestehende Stumpfschweißmaschinen nachgerüstet werden.

Bild 4: Kombinierte Stumpf-Muffenschweißmaschine SG 160.

Für den industriellen Anwendungsfall haben sich möglichst universelle Maschinen bewährt. Diese zeichnen sich durch schnelle Umstellzeiten und einen hohen Freiheitsgrad aus, um möglichst flexibel für die verschiedenen Bedürfnisse zu sein (Bild 4).

B i l d e r : Georg Fischer, Albershausen

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