聚乙烯電熔焊接新方法及工藝優化研究

郭偉燦，施建峰，劉仲強

（1.浙江省特種設備檢驗研究院，浙江 杭州310020；2.浙江大學化工機械研究所，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，由于施工操作簡單，現場設備輕便，焊接速度快，很快得到了發展和推廣。由于各種因素的影響，連接接頭處不可避免地會產生各種缺陷，使接頭成為PE管道系統的薄弱環節［1］，給管道的使用帶來了安全隱患。研究表明，焊接工藝是決定PE電熔接頭強度的關鍵因素［2－3］，影響電熔接頭強度的主要焊接工藝參數有輸入電壓、熔合區單位長度電阻值、電阻絲加熱區寬度和焊接時間等。PE 電熔接頭焊接工藝試驗通常采用一系列的焊接工藝參數組合焊接后，根據實測的接頭力學性能結果確定合適的工藝參數。由于焊接工藝參數組合較為復雜，因此需要大量的試樣進行力學性能試驗才能確定合適的工藝參數。本文通過大量試驗研究，采用相控陣聚焦技術和超聲掃描成像技術，可以探測到金屬絲上方一定距離位置的超聲反射信號線，該線的位置會隨著焊接條件的改變而規律地改變，從而與電熔接頭的焊接程度產生聯系［4］。進一步研究表明，在電熔接頭焊接過程中超聲檢測實時錄像時，可以根據特征線移動速度以及特征線與電阻絲的距離變化情況，估評電熔接頭的焊接工藝是否合適。本文將該方法應用于PE電熔接頭新產品開發中，對電熔接頭新產品焊接過程中進行超聲檢測實時錄像，通過特征線移動速度判斷焊接工藝參數是否合適，根據特征線與電阻絲的距離變化情況判斷焊接時間是否足夠，并根據錄像情況實時調節輸入功率和焊接時間，經實測接頭力學性能的結果驗證了該方法的正確性，從而可大幅降低電熔接頭的開發時間和成本。

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的PE 管材組成。電熔焊接的基本原理是通過在加熱電阻絲兩端加一恒定電壓，利用電阻絲的焦耳效應發熱將套筒與管材壁面附近的PE 熔融并粘接在一起［5］。焊接開始后電阻絲溫度迅速升高，在焊接過程中，靠近金屬絲的PE 材料溫度迅速升高，當溫度升高至PE 的熔點附近時，固態PE 晶區開始熔化，并形成熔化區，隨著焊接時間的延長，熔化區不斷擴大，熔化區與固態的交接交界線按一定規律向套管外壁位移，如圖2所示。

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

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

通過對不同焊接參數的電熔接頭進行超聲檢測實時錄像，并用軟件測量特征線形成后向外移動的速度。結果表明，在一定的初始焊接功率下，特征線向外的移動速度基本不變。初始焊接功率越大，特征線的移動速度也越快。因此，特征線的移動速度與初始焊接功率存在一定的相關性。進一步研究表明，特征線的移動速度與電阻絲產生的總熱流密度存在近似的線性關系，可以用式（1）進行表征。

式中 k1——與PE材料相關的系數，m3／W·s

V——特征線的平均移動速度，m／s

q——電阻絲產生的初始總熱流密度，W／m2

電阻絲產生的初始總熱流密度可以用式（2）計算。

式中 R——隨溫度變化的電阻值，Ω

U——為焊機輸出的恒定電壓，V

lc——電阻絲加熱區寬度，m

rc——電阻絲布線半徑，m

結合式（1）、（2），可以得出特征線的平均移動速度與電熔接頭焊接參數之間的關系式：

本文設計一種軟件可以測得超聲檢測實時錄像時特征線的平均移動速度，通過比較正常焊接參數條件下測得的特征線的平均移動速度和試驗條件下測得的特征線的平均移動速度，從而評估試驗條件下焊接參數是否合適。具體方法按以下方法實現：

1）對每類的PE材料，用超聲實時錄像確定已經過驗證的正常焊接參數條件下電熔接頭焊接過程中特征線的平均移動速度V0；

2）對待測電熔接頭同樣進行超聲實時錄像，測得電熔接頭焊接過程中特征線的平均移動速度V′；

3）根據測得的V0和V′代入公式：

式中 X—總熱流密度比值

2 理論分析

本文通過應用傳熱學理論，綜合考慮了PE 比熱容、密度和熱導率，電阻絲與PE 間的接觸熱導以及焊機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態整體傳熱模型［6］。通過建立電熔接頭焊接的傳熱模型，分析計算焊接過程中電熔接頭各點溫度隨加熱時間、電功率、環境溫度的變化規律，并從理論上分析熔化區與固態交接線隨時間的變化規律。利用該模型，可計算熔化區與固態交接線隨時間的變化規律。計算實例中，以浙江中財管道科技股份有限公司生產的公稱直徑為90mm（DN90）的PE80級電熔接頭為例：管外徑為90mm 、壁厚度8.1mm 、套管外徑108mm、壁厚14mm，PE80級材料的熔融溫度為130 ℃左右，針對上述的給定條件當輸入電壓為30.0、35.0、39.5V 以及45.0V 時，通過該理論模型，計算的熔合線隨時間的變化規律如圖3，從圖中可以看出，針對每一給定的初始焊接電壓，固液交界線與熱源中心的距離和時間存在近似線性的關系，圖中曲線的斜率與給定的初始焊接電壓存在著確定的關系，因此可以通過交界線移動速度，估評特定類型電熔接頭的焊接工藝狀態。

圖3 不同功率下特征線隨時間的變化規律Fig.3 Law of eigen－line changing with time

3 結果與討論

試驗材料為浙江中財管道科技股份有限公司生產的用于PE 管道的DN90電熔套筒，電熔焊機為Thermoplast電熔焊機，該焊機為電壓控制型，可以調節焊接時間和焊接電壓。采用超聲檢測實時成像系統，該系統采用B掃描實時成像技術，并能進行超聲成像實時錄象。通過對不同焊接工藝條件下DN90管道及套筒的焊接過程進行實時錄像，并用軟件算出不同焊接工藝條件下特征線移動的平均速率，其結果見表1，從表1 的結果中得出，可以用特征線的移動速度，根據式（4）估評電阻絲產生的總熱流密度比值，在特定條件下進而估評電熔接頭的焊接功率，其誤差在6%以內。

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

本文采用超聲檢測實時錄像對焊接工藝進行監測和優化，通過測得超聲檢測實時錄像時特征線的平均移動速度，評估試驗條件下焊接參數是否合適。具體按式（4）所述方法進行。在電熔接頭焊接時超聲檢測實時錄像中觀察到，一旦切斷電源，特征線便停止移動，在超聲檢測實時錄像中可以實時監測到特征線與電熔接頭表面的距離，通過換算可以得到特征線與金屬絲的距離，結合本文在前期研究中提出的冷焊特征線檢測方法，根據特征線與金屬絲的距離為參數對冷焊程度進行評價，從而判斷電熔接頭焊接時間是否足夠。

本文以DN90電熔套筒為例介紹電熔接頭工藝優化過程。圖4為優化前后DN90電熔接頭焊接溫度場，圖5為優化后的電熔焊接過程溫度場，由圖中可以看出，優化后其電阻絲的最高溫度略大于250 ℃，而電阻絲周圍的溫度在220 ℃左右，明顯低于優化前的溫度。表2給出了優化前后的各個參數對比，優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 優化前后DN90套筒焊接溫度場Fig.4 Temperature field of sleeve welding before and after optimization

表2 優化前后焊接效果對比Tab.2 Comparison of welding effect before and after optimization

4 結論

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

（2）理論和試驗結果表明，特征線的移動速度與電阻絲產生的總熱流密度存在近似的線性關系；

（3）在電熔接頭焊接過程中進行超聲檢測實時錄像，可以根據特征線移動速度以及特征線與電阻絲的距離變化情況，估評電熔接頭的焊接工藝是否合適；

（4）在電熔接頭新產品開發中采用超聲檢測實時錄像，通過特征線的移動情況對焊接工藝參數進行優化，從而可大幅降低電熔接頭的開發時間和成本。

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