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1、 PE電熔管件焊接工藝探討 對(duì)PE電熔管件焊接參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了焊接時(shí)恒壓及過程動(dòng)態(tài)控制的方法，推導(dǎo)出焊接電壓的計(jì)算公式，有效解決了施工焊接中存在的關(guān)鍵問題。 關(guān)鍵詞：電熔焊接、焊接電壓、焊接動(dòng)態(tài)過程控制 9 我國近幾年以來非金屬管材發(fā)展迅速，尤其以PE為基礎(chǔ)材料的各種復(fù)合管材更為突出。以PE為材質(zhì)的復(fù)合管連接基本上全部采用PE電熔管件，此類管件的性能、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)設(shè)備以及安裝施工工藝在較多的文章中都有介紹，但涉及到其中最關(guān)鍵的電熔焊接參數(shù)方面的問題基本上都是一筆帶過，很少有詳細(xì)的探討，筆者從事PE電熔管件制造、試驗(yàn)及施工多年，現(xiàn)就此重點(diǎn)介紹電熔管件焊接參數(shù)的確定以及施工中

2、必須注意的事項(xiàng)。 PE電熔管件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示 圖1 電熱熔套筒 PE電熔管件在裝配時(shí)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)焊前準(zhǔn)備工作： （1）管材、管件內(nèi)外表面保持干燥，如有水或潮濕應(yīng)采取干燥措施。 （2）用電動(dòng)鋼絲刷去除管材焊接部位的氧化層，使得表面粗糙以保證融合兩表面受熱均勻，融合良好。 （3）用丙酮擦拭管件內(nèi)表面，以去除水、油銹等污物。 （4）根據(jù)管件的深度在管材上作記號(hào)，保證管材插入到位。 1 焊接方法及焊接參數(shù)的確定 1.1焊接方法的確定 （1）焊接原理：電熔焊接的基本原理是通過給嵌于管件內(nèi)壁的銅絲通電，使焊接部位受熱達(dá)到一定溫度，在此溫度下，融合面上的塑料樹脂發(fā)生

3、相變，由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰棏B(tài)，高分子鏈段獲得了一定的活動(dòng)能力，同時(shí)塑料樹脂材料受熱膨脹，增大了整個(gè)融合面的壓力，這樣就使得連接界面處的高分子材料互相滲透、交織，而后通過冷卻使得材料重新結(jié)晶排列，整個(gè)焊接部位結(jié)合成一個(gè)牢固的整體，完成焊接過程。 （2）焊接方法：焊接過程中的熱量是由嵌于管件內(nèi)表面的銅絲通過專用熱熔焊機(jī)通電產(chǎn)生的。由基本的電學(xué)公式Q=I2Rt，我們知道銅絲導(dǎo)電發(fā)熱是與電流、電阻、時(shí)間或電壓、電阻、時(shí)間有關(guān)的，根據(jù)焊機(jī)的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，我們可以分別采用恒壓或恒流對(duì)銅絲通電，因此把電熔焊接分為恒壓焊接和恒流焊接兩種方法。 （3）焊接方法的確定：由于發(fā)熱元件銅絲的電阻隨溫度的升高而增大，因此兩

4、種焊接方法的特點(diǎn)如下： 恒流焊接的特點(diǎn)是：隨著焊接時(shí)間的遞增，焊接過程中焊機(jī)輸出功率的不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量也不斷增大。 恒壓焊接的特點(diǎn)是：隨著焊接時(shí)間的遞增，熱熔焊機(jī)的輸出功率不斷變小，相應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)的輸入熱量也趨于減小。 在電熔焊接時(shí)，如果要使熔合面結(jié)合良好，必須使整個(gè)熔合面受熱均勻，相態(tài)一致。管件內(nèi)銅絲是以一定的螺距旋繞而成，又知HDPE料的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)披散率都很小，是熱的不良導(dǎo)體，因此熔合面受熱均勻需要一定的時(shí)間。當(dāng)采用恒流焊接時(shí)，越到焊接中后期，單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量就越大，當(dāng)銅絲產(chǎn)生的熱量不能很快傳遞走時(shí)，會(huì)使得銅絲溫度快速升高到HDPE的分解溫度，容易造成焊接失敗

5、。而恒壓焊接焊接的特點(diǎn)彌補(bǔ)了材料導(dǎo)熱差的特性，當(dāng)進(jìn)入到焊接過程的中后期階段由于輸入的熱量是降低的，因此熱量有時(shí)間向周圍擴(kuò)散，避免了局部的溫升過高。從上面論述可知，恒壓焊接應(yīng)優(yōu)先采用。 2.2 恒壓焊接時(shí)焊接參數(shù)的確定 恒壓法焊接時(shí)，需要確定的焊接參數(shù)有焊接電壓和焊接時(shí)間，焊接電壓的確定可由計(jì)算公式定量計(jì)算，而焊接時(shí)間的確定由于受到塑料復(fù)雜的溫度場分布，進(jìn)行計(jì)算時(shí)存在困難，因此采用理論分析與焊接試驗(yàn)的方法進(jìn)行確定。 2.2.1焊接電壓的確定 聚乙烯是一種對(duì)稱無極性材料，在材料的微觀結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)兩種排列形式。其中結(jié)晶區(qū)在70-80%。電熔連接時(shí)如果給連接界面輸入比較多的

6、熱量，將大大延長冷卻時(shí)間，勢必造成連接界面的晶粒過于粗大，降低界面強(qiáng)度。為控制熱量的輸入，同時(shí)又保證界面處得到足夠的熱量使高分子鏈段有足夠的活動(dòng)能力，因此對(duì)電熔管件應(yīng)采用“快速加熱”的方式。即在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得一個(gè)窄而平滑的熔融區(qū)，迅速使鏈段獲得活動(dòng)能力，由于聚乙烯導(dǎo)熱性較低，在連接界面溫度達(dá)到熔融時(shí)，在厚度方向是一個(gè)相對(duì)陡峭的溫度場分布，這種溫度場分布特性既保證了界面處高分子材料的互相滲透、交織，又保證了焊后冷卻時(shí)間的相對(duì)減少，避免了組織晶粒的粗大。 目前，從國外及國內(nèi)使用的小口徑電熔管件，焊接電壓基本上采用39.5V，這是可以保證“快速加熱”的。對(duì)于鋼塑復(fù)合管，由于承壓較高，電熔套筒

7、的熱熔區(qū)相應(yīng)加長，尤其對(duì)于大口徑管材（φ≥200mm）再采用39.5V，已經(jīng)不能滿足“快速加熱”的要求。為實(shí)現(xiàn)“快速加熱”的要求，根據(jù)電熱阻絲的物理特性，可以推導(dǎo)出電壓計(jì)算公式。先來確定以下符號(hào)所代表的物理量： d—管件內(nèi)徑(cm) n—銅絲圈數(shù)d2—銅絲直徑(cm) L—銅絲長度(cm) d1—計(jì)算直徑(cm) s—銅絲表面積(cm2) N—加熱功率(W) U—焊接電壓(V) R—銅絲電阻(Ω) e —銅絲纏繞螺距(mm) ρ—電阻率(Ω/cm) k—表面熱負(fù)荷(W/cm2) 銅絲的電阻率 直徑，mm 0.5 0.8 1.0 1.2 ρ，10-4Ω

8、/cm 7.5 2.7 1.6 1.0 銅絲表面熱負(fù)荷 直徑，mm 0.5 0.8 1.0 1.2 K，W/cm2 ≤8 ≤7 ≤6 ≤5 由電工學(xué)的一些基本知識(shí)，我們可以得到以下一些基本公式： 銅絲長度： L=πd1n 銅絲表面積：S=πd2L 銅絲電阻： R=ρL 加熱功率：N=αsk（α=0.2～0.5） 由 N=IU=U2/R 則： U2=NR 所以：U=πd1n 根據(jù)電熔管件所選用的熱阻絲的材料的不同，電阻率及表面熱負(fù)荷有所不同，所選用的α系數(shù)取值也有所不同，這些屬于管件設(shè)計(jì)參數(shù)，可由管件制造廠提供。 計(jì)算的電壓

9、值是否合適，可以用一個(gè)簡單的方法試驗(yàn)，取一個(gè)成品管件連接到電熔焊機(jī)上，焊機(jī)電壓設(shè)定為計(jì)算電壓，啟動(dòng)焊機(jī)，觀察電流，如果啟動(dòng)電流在0.8～0.9倍的熱阻絲的熔斷電流，此電壓為合適的電壓。 2.2.2焊接時(shí)間的確定 PE電熔管件通電加熱時(shí)，銅絲電阻、電流、單位時(shí)間內(nèi)輸出的功率都是變化的；同時(shí)熔融部位的溫度場分布及環(huán)境散熱的情況也十分復(fù)雜，對(duì)于聚乙烯料來說，其所吸收的熱量并不是全部用于升高溫度，而是有一部分消耗于聚合物晶體相態(tài)的轉(zhuǎn)變，這些情況都給定量計(jì)算焊接時(shí)間帶來較大的困難。因此我們采用焊接理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法來確定。 電熔管件采用恒壓焊接時(shí)，焊接電流是變化的，穩(wěn)定的焊接過程電流表現(xiàn)

10、為初始值較高，下降也較快，逐漸呈現(xiàn)一個(gè)緩降的現(xiàn)象。如果管件熱阻絲螺距設(shè)計(jì)合理，焊接電壓選擇適當(dāng)，在焊接快結(jié)束時(shí)焊接電流幾乎穩(wěn)定在某一數(shù)值不變。此現(xiàn)象可以用電工學(xué)的知識(shí)解釋，熱阻絲受熱，溫度升高，電阻率變大，電壓不變，電流變小。當(dāng)焊接過程進(jìn)入后期，通過對(duì)電熔管件的合理設(shè)計(jì)，保證融合界面處的溫度處于高分子材料的熔融溫度而不再變化，此時(shí)熱阻絲產(chǎn)生的熱量與傳遞走的熱量相等，熱阻絲溫度也不再上升，電阻率不再變化，因此電流趨于穩(wěn)定。焊接電流趨于穩(wěn)定是進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)判定接頭是否融合良好的一個(gè)重要表象。 由于受到管材、管件配合間隙，橢圓度等方面的影響，確定焊接時(shí)間主要依據(jù)焊接試驗(yàn)。 其試驗(yàn)步驟如下： （

11、Ⅰ）保證環(huán)境溫度處于室溫，所選用管材管件合格； （Ⅱ）按照焊前準(zhǔn)備要求，作好清理、準(zhǔn)備和組裝工作； （Ⅲ）按照管件規(guī)格，計(jì)算出所需焊接電壓； （Ⅳ）焊接開始后，保持電壓不變，焊接過程中作好參數(shù)和試驗(yàn)現(xiàn)象的記錄。參數(shù)記錄為各時(shí)間段的電流，通過多組試驗(yàn)作出焊接電流—時(shí)間變化曲線；焊接現(xiàn)象重點(diǎn)觀察電熔管件觀察孔凸起的高度，熔接區(qū)內(nèi)壁的溫度和變形等。 （Ⅴ）焊后做連接件的水壓試驗(yàn)； （Ⅵ）水壓試驗(yàn)合格后，對(duì)熔合部位解剖，分別進(jìn)行熔合面的觀察和撕裂試驗(yàn)。熔合面應(yīng)以呈鋸齒形交錯(cuò)為最佳，如果兩面仍呈平面，則時(shí)間過短；如管件料已進(jìn)入鋼骨架下方，則證明時(shí)間過長，都不是最佳時(shí)間。 撕裂試驗(yàn)以斷裂面不是

12、熔合面為合格。 只有以上各試驗(yàn)結(jié)果和觀察現(xiàn)象都為最佳時(shí)，才可以把試驗(yàn)的焊接時(shí)間確定為室溫下的最佳焊接時(shí)間。 3 焊接設(shè)備的選用 電熔焊機(jī)應(yīng)該具備兩種基本功能，一是電壓或電流調(diào)節(jié)能力，以便在施工現(xiàn)場電源波動(dòng)或是電源負(fù)載變化時(shí)能按預(yù)定的電壓（電流）值向管件的熱阻絲供電；二是時(shí)間控制能力，當(dāng)管件熔接時(shí)的電壓（電流）確定后，對(duì)管件輸入的能量問題就轉(zhuǎn)化為時(shí)間的控制問題，焊機(jī)應(yīng)有較高的時(shí)間控制精度；同時(shí)要求時(shí)間控制系統(tǒng)電源獨(dú)立供電，避免受到現(xiàn)場用電不穩(wěn)的影響。 鋼塑復(fù)合管管材、管件在存放的過程中，由于環(huán)境溫度及存放等原因，不可避免出現(xiàn)變形問題，因此管材、管件裝配后存在局部裝配間隙不均勻的情況，容易

13、引起焊接過程的不穩(wěn)定，這就需要在焊接過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。鑒于此，鋼塑復(fù)合管焊接時(shí)所選用的焊機(jī)應(yīng)該能夠進(jìn)行電流和電壓的適時(shí)調(diào)整，同時(shí)還要滿足輸出功率的要求。 目前市場上的焊機(jī)大致分兩類：一類是自動(dòng)化程度較高，焊接參數(shù)自動(dòng)識(shí)別或人工輸入后自動(dòng)完成焊接，這類焊機(jī)無法實(shí)現(xiàn)電流電壓的適時(shí)控制，輸出功率一般在5Kw以下，此類焊機(jī)已經(jīng)有了國家標(biāo)準(zhǔn)；另一類焊機(jī)自動(dòng)化程度較低，焊接過程中電壓需手動(dòng)控制，能夠即時(shí)顯示回路中的電流，參數(shù)可以隨時(shí)調(diào)整，此類焊機(jī)輸出功率較大（最大為18Kw），完全滿足鋼塑復(fù)合管焊接的需要。工程實(shí)踐證明，后一種焊機(jī)更適合于鋼塑復(fù)合管的焊接。 4 工裝卡具的應(yīng)用 在鋼塑復(fù)合管的焊接過

14、程中，聚乙烯料由于受熱膨脹，因而在融合面上產(chǎn)生一定的壓力。管材在一定的軸向分力的作用下，使原本緊靠的兩端面分開，由于管材、管件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得熔融區(qū)的的料在外力作用下運(yùn)動(dòng)，熔融料的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了熱阻絲的運(yùn)動(dòng)，容易造成熱阻絲碰到一起（俗稱搭線），一旦出現(xiàn)這種情況，在搭線部位溫度急速上升，使該部位的聚乙烯料快速分解汽化，出現(xiàn)“冒煙”現(xiàn)象，造成焊接失敗。這種情況在大口徑鋼塑復(fù)合管的焊接過程中表現(xiàn)尤為突出。此外，由于焊接過程中管材的移動(dòng)，使得熔合面處壓力降低，冷卻后宜造成組織疏松，降低了管道的使用壓力等級(jí)。 為解決上面的問題，在焊接時(shí)應(yīng)使用工裝卡具，其結(jié)構(gòu)及安裝如圖2所示。 圖2 焊接卡

15、具安裝示意圖 在圖2中管材被工裝卡具固定住，消除了管材的移動(dòng)，也就避免了上述問題。注意在使用工裝的過程中，不要使卡具直接作用于管件，以免管件受熱過程中受到外力作用產(chǎn)生較大的變形，出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。 5 焊接施工過程中的注意事項(xiàng) 由于施工現(xiàn)場比較復(fù)雜，既有環(huán)境溫度的變化，又有管材、管件等自然變形而引起的裝配間隙等問題，所以在現(xiàn)場焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境溫度，適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，在有條件的情況下應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場首件的試驗(yàn)。 （2）焊接起始電壓應(yīng)從“0”位上調(diào)，調(diào)節(jié)速度不宜過快，以避免起始電流過大，對(duì)大口徑管件來說，電壓從0到設(shè)定電壓在20秒左右為佳。 （3）焊接過程中如遇到

16、焊接不穩(wěn)的情況，一般表現(xiàn)為焊接電流不是緩降而是緩升，這種情況多數(shù)出現(xiàn)在焊接中期，此時(shí)需將焊接電壓降低到設(shè)定電壓值的一半，穩(wěn)定10秒左右，在將焊接電壓調(diào)回到設(shè)定值即可解決。這是由于熱阻絲線圈通電受熱產(chǎn)生震動(dòng)而引起的偶爾短路，容易調(diào)節(jié)。如果在焊接后期出現(xiàn)電流急劇上升的情況，表明界面處的熔融料以運(yùn)動(dòng)較劇烈，有較多的熱阻絲出現(xiàn)短路，此時(shí)應(yīng)結(jié)束焊接，焊接質(zhì)量并不受到影響，否則熔接部位很快就會(huì)出現(xiàn)“冒煙”現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。 （4）焊后冷卻過程中，嚴(yán)禁接頭部位受外力或震動(dòng)，自然冷卻不低于十倍的焊接時(shí)間，固定工裝卡具須待拉桿螺栓完全松動(dòng)后方可拆除。 6結(jié)語 各種非金屬管材正處于蓬勃發(fā)展的階段，最終處于主導(dǎo)地位的必將是集經(jīng)濟(jì)性、可靠性于一體的管材，以PE料為基材的復(fù)合管的性能及經(jīng)濟(jì)性是非常高的，應(yīng)該不斷研究此類管材的連接技術(shù)，提高管道系統(tǒng)的可靠性，充分發(fā)揮出其優(yōu)于其他管材的優(yōu)點(diǎn)，在“以塑代鋼”的綠色管道革命中占據(jù)主導(dǎo)地位。