聚乙烯電熔焊接新方法及工藝優(yōu)化研究

郭偉燦，施建峰，劉仲?gòu)?qiáng)

（1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 杭州310020；2.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州310027）

0 前言

PE管道連接主要有電熔和熱熔兩種方式。其中電熔焊接方式，由于施工操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輕便，焊接速度快，很快得到了發(fā)展和推廣。由于各種因素的影響，連接接頭處不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，使接頭成為PE管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)［1］，給管道的使用帶來(lái)了安全隱患。研究表明，焊接工藝是決定PE電熔接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵因素［2－3］，影響電熔接頭強(qiáng)度的主要焊接工藝參數(shù)有輸入電壓、熔合區(qū)單位長(zhǎng)度電阻值、電阻絲加熱區(qū)寬度和焊接時(shí)間等。PE 電熔接頭焊接工藝試驗(yàn)通常采用一系列的焊接工藝參數(shù)組合焊接后，根據(jù)實(shí)測(cè)的接頭力學(xué)性能結(jié)果確定合適的工藝參數(shù)。由于焊接工藝參數(shù)組合較為復(fù)雜，因此需要大量的試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)才能確定合適的工藝參數(shù)。本文通過(guò)大量試驗(yàn)研究，采用相控陣聚焦技術(shù)和超聲掃描成像技術(shù)，可以探測(cè)到金屬絲上方一定距離位置的超聲反射信號(hào)線(xiàn)，該線(xiàn)的位置會(huì)隨著焊接條件的改變而規(guī)律地改變，從而與電熔接頭的焊接程度產(chǎn)生聯(lián)系［4］。進(jìn)一步研究表明，在電熔接頭焊接過(guò)程中超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像時(shí)，可以根據(jù)特征線(xiàn)移動(dòng)速度以及特征線(xiàn)與電阻絲的距離變化情況，估評(píng)電熔接頭的焊接工藝是否合適。本文將該方法應(yīng)用于PE電熔接頭新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，對(duì)電熔接頭新產(chǎn)品焊接過(guò)程中進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像，通過(guò)特征線(xiàn)移動(dòng)速度判斷焊接工藝參數(shù)是否合適，根據(jù)特征線(xiàn)與電阻絲的距離變化情況判斷焊接時(shí)間是否足夠，并根據(jù)錄像情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入功率和焊接時(shí)間，經(jīng)實(shí)測(cè)接頭力學(xué)性能的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性，從而可大幅降低電熔接頭的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

1 研究方法

PE管道電熔接頭如圖1所示，電熔接頭由電熔套筒以及兩側(cè)的PE 管材組成。電熔焊接的基本原理是通過(guò)在加熱電阻絲兩端加一恒定電壓，利用電阻絲的焦耳效應(yīng)發(fā)熱將套筒與管材壁面附近的PE 熔融并粘接在一起［5］。焊接開(kāi)始后電阻絲溫度迅速升高，在焊接過(guò)程中，靠近金屬絲的PE 材料溫度迅速升高，當(dāng)溫度升高至PE 的熔點(diǎn)附近時(shí)，固態(tài)PE 晶區(qū)開(kāi)始熔化，并形成熔化區(qū)，隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，熔化區(qū)不斷擴(kuò)大，熔化區(qū)與固態(tài)的交接交界線(xiàn)按一定規(guī)律向套管外壁位移，如圖2所示。

圖1 電熔接頭示意圖Fig.1 Sketch of electro－fusion joints

圖2 電熔接頭焊接過(guò)程示意圖Fig.2 Sketch of welding process for electro－fusion joints

通過(guò)對(duì)不同焊接參數(shù)的電熔接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像，并用軟件測(cè)量特征線(xiàn)形成后向外移動(dòng)的速度。結(jié)果表明，在一定的初始焊接功率下，特征線(xiàn)向外的移動(dòng)速度基本不變。初始焊接功率越大，特征線(xiàn)的移動(dòng)速度也越快。因此，特征線(xiàn)的移動(dòng)速度與初始焊接功率存在一定的相關(guān)性。進(jìn)一步研究表明，特征線(xiàn)的移動(dòng)速度與電阻絲產(chǎn)生的總熱流密度存在近似的線(xiàn)性關(guān)系，可以用式（1）進(jìn)行表征。

式中 k1——與PE材料相關(guān)的系數(shù)，m3／W·s

V——特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度，m／s

q——電阻絲產(chǎn)生的初始總熱流密度，W／m2

電阻絲產(chǎn)生的初始總熱流密度可以用式（2）計(jì)算。

式中 R——隨溫度變化的電阻值，Ω

U——為焊機(jī)輸出的恒定電壓，V

lc——電阻絲加熱區(qū)寬度，m

rc——電阻絲布線(xiàn)半徑，m

結(jié)合式（1）、（2），可以得出特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度與電熔接頭焊接參數(shù)之間的關(guān)系式：

本文設(shè)計(jì)一種軟件可以測(cè)得超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像時(shí)特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度，通過(guò)比較正常焊接參數(shù)條件下測(cè)得的特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度和試驗(yàn)條件下測(cè)得的特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度，從而評(píng)估試驗(yàn)條件下焊接參數(shù)是否合適。具體方法按以下方法實(shí)現(xiàn)：

1）對(duì)每類(lèi)的PE材料，用超聲實(shí)時(shí)錄像確定已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的正常焊接參數(shù)條件下電熔接頭焊接過(guò)程中特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度V0；

2）對(duì)待測(cè)電熔接頭同樣進(jìn)行超聲實(shí)時(shí)錄像，測(cè)得電熔接頭焊接過(guò)程中特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度V′；

3）根據(jù)測(cè)得的V0和V′代入公式：

式中 X—總熱流密度比值

2 理論分析

本文通過(guò)應(yīng)用傳熱學(xué)理論，綜合考慮了PE 比熱容、密度和熱導(dǎo)率，電阻絲與PE 間的接觸熱導(dǎo)以及焊機(jī)輸入功率等因素隨溫度變化的影響，建立了PE 管道電熔接頭一維非穩(wěn)態(tài)整體傳熱模型［6］。通過(guò)建立電熔接頭焊接的傳熱模型，分析計(jì)算焊接過(guò)程中電熔接頭各點(diǎn)溫度隨加熱時(shí)間、電功率、環(huán)境溫度的變化規(guī)律，并從理論上分析熔化區(qū)與固態(tài)交接線(xiàn)隨時(shí)間的變化規(guī)律。利用該模型，可計(jì)算熔化區(qū)與固態(tài)交接線(xiàn)隨時(shí)間的變化規(guī)律。計(jì)算實(shí)例中，以浙江中財(cái)管道科技股份有限公司生產(chǎn)的公稱(chēng)直徑為90mm（DN90）的PE80級(jí)電熔接頭為例：管外徑為90mm 、壁厚度8.1mm 、套管外徑108mm、壁厚14mm，PE80級(jí)材料的熔融溫度為130 ℃左右，針對(duì)上述的給定條件當(dāng)輸入電壓為30.0、35.0、39.5V 以及45.0V 時(shí)，通過(guò)該理論模型，計(jì)算的熔合線(xiàn)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3，從圖中可以看出，針對(duì)每一給定的初始焊接電壓，固液交界線(xiàn)與熱源中心的距離和時(shí)間存在近似線(xiàn)性的關(guān)系，圖中曲線(xiàn)的斜率與給定的初始焊接電壓存在著確定的關(guān)系，因此可以通過(guò)交界線(xiàn)移動(dòng)速度，估評(píng)特定類(lèi)型電熔接頭的焊接工藝狀態(tài)。

圖3 不同功率下特征線(xiàn)隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Law of eigen－line changing with time

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)材料為浙江中財(cái)管道科技股份有限公司生產(chǎn)的用于PE 管道的DN90電熔套筒，電熔焊機(jī)為T(mén)hermoplast電熔焊機(jī)，該焊機(jī)為電壓控制型，可以調(diào)節(jié)焊接時(shí)間和焊接電壓。采用超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用B掃描實(shí)時(shí)成像技術(shù)，并能進(jìn)行超聲成像實(shí)時(shí)錄象。通過(guò)對(duì)不同焊接工藝條件下DN90管道及套筒的焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像，并用軟件算出不同焊接工藝條件下特征線(xiàn)移動(dòng)的平均速率，其結(jié)果見(jiàn)表1，從表1 的結(jié)果中得出，可以用特征線(xiàn)的移動(dòng)速度，根據(jù)式（4）估評(píng)電阻絲產(chǎn)生的總熱流密度比值，在特定條件下進(jìn)而估評(píng)電熔接頭的焊接功率，其誤差在6%以?xún)?nèi)。

表1 電阻絲產(chǎn)生的總熱流密度Tab.1 Heat flow density produced by resistance wire

本文采用超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像對(duì)焊接工藝進(jìn)行監(jiān)測(cè)和優(yōu)化，通過(guò)測(cè)得超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像時(shí)特征線(xiàn)的平均移動(dòng)速度，評(píng)估試驗(yàn)條件下焊接參數(shù)是否合適。具體按式（4）所述方法進(jìn)行。在電熔接頭焊接時(shí)超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像中觀察到，一旦切斷電源，特征線(xiàn)便停止移動(dòng)，在超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像中可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到特征線(xiàn)與電熔接頭表面的距離，通過(guò)換算可以得到特征線(xiàn)與金屬絲的距離，結(jié)合本文在前期研究中提出的冷焊特征線(xiàn)檢測(cè)方法，根據(jù)特征線(xiàn)與金屬絲的距離為參數(shù)對(duì)冷焊程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而判斷電熔接頭焊接時(shí)間是否足夠。

本文以DN90電熔套筒為例介紹電熔接頭工藝優(yōu)化過(guò)程。圖4為優(yōu)化前后DN90電熔接頭焊接溫度場(chǎng)，圖5為優(yōu)化后的電熔焊接過(guò)程溫度場(chǎng)，由圖中可以看出，優(yōu)化后其電阻絲的最高溫度略大于250 ℃，而電阻絲周?chē)臏囟仍?20 ℃左右，明顯低于優(yōu)化前的溫度。表2給出了優(yōu)化前后的各個(gè)參數(shù)對(duì)比，優(yōu)化前后電熔套筒均能保證熔焊面在熔融溫度以上維持600s以上，但是優(yōu)化后電阻絲的最高溫度及焊接界面的最高溫度都明顯降低，并且使焊接功率減小。

圖4 優(yōu)化前后DN90套筒焊接溫度場(chǎng)Fig.4 Temperature field of sleeve welding before and after optimization

表2 優(yōu)化前后焊接效果對(duì)比Tab.2 Comparison of welding effect before and after optimization

4 結(jié)論

（1）采用相控陣聚焦技術(shù)，并采用合適的檢測(cè)工藝參數(shù)，可以探測(cè)到PE電熔接頭金屬絲上方一定距離位置的超聲反射信號(hào)線(xiàn)，即特征線(xiàn)；

（2）理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，特征線(xiàn)的移動(dòng)速度與電阻絲產(chǎn)生的總熱流密度存在近似的線(xiàn)性關(guān)系；

（3）在電熔接頭焊接過(guò)程中進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像，可以根據(jù)特征線(xiàn)移動(dòng)速度以及特征線(xiàn)與電阻絲的距離變化情況，估評(píng)電熔接頭的焊接工藝是否合適；

（4）在電熔接頭新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中采用超聲檢測(cè)實(shí)時(shí)錄像，通過(guò)特征線(xiàn)的移動(dòng)情況對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而可大幅降低電熔接頭的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

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