钢骨架增强塑料复合管电热熔焊接工艺研究-3

PE电熔管件焊接工艺探讨陈士刚胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司复合管厂研究所摘要：对PE电熔管件焊接参数进行了研究，提出了焊接时恒压及过程动态控制的方法，推导出焊接电压的计算公式，有效解决了施工焊接中存在的关键问题。

关键词：电熔焊接、焊接电压、焊接动态过程控制The study of electrofusion welding for steel-plactic composited pipes我国近几年以来非金属管材发展迅速，尤其以PE为基础材料的各种复合管材更为突出。

以PE为材质的复合管连接基本上全部采用PE电熔管件，此类管件的性能、结构、生产设备以及安装施工工艺在较多的文章中都有介绍，但涉及到其中最关键的电熔焊接参数方面的问题基本上都是一笔带过，很少有详细的探讨，笔者从事PE电熔管件制造、试验及施工多年，现就此重点介绍电熔管件焊接参数的确定以及施工中必须注意的事项。

PE电熔管件结构形式如图1所示图1 电热熔套筒PE电熔管件在装配时应做到以下几点焊前准备工作：（1）管材、管件内外表面保持干燥，如有水或潮湿应采取干燥措施。

（2）用电动钢丝刷去除管材焊接部位的氧化层，使得表面粗糙以保证融合两表面受热均匀，融合良好。

（3）用丙酮擦拭管件内表面，以去除水、油锈等污物。

（4）根据管件的深度在管材上作记号，保证管材插入到位。

1 焊接方法及焊接参数的确定1.1焊接方法的确定（1）焊接原理：电熔焊接的基本原理是通过给嵌于管件内壁的铜丝通电，使焊接部位受热达到一定温度，在此温度下，融合面上的塑料树脂发生相变，由固态转变为粘弹态，高分子链段获得了一定的活动能力，同时塑料树脂材料受热膨胀，增大了整个融合面的压力，这样就使得连接界面处的高分子材料互相渗透、交织，而后通过冷却使得材料重新结晶排列，整个焊接部位结合成一个牢固的整体，完成焊接过程。

（2）焊接方法：焊接过程中的热量是由嵌于管件内表面的铜丝通过专用热熔焊机通电产生的。

由基本的电学公式Q=I2Rt，我们知道铜丝导电发热是与电流、电阻、时间或电压、电阻、时间有关的，根据焊机的调节特点，我们可以分别采用恒压或恒流对铜丝通电，因此把电熔焊接分为恒压焊接和恒流焊接两种方法。

（3）焊接方法的确定：由于发热元件铜丝的电阻随温度的升高而增大，因此两种焊接方法的特点如下：恒流焊接的特点是：随着焊接时间的递增，焊接过程中焊机输出功率的不断增大，单位时间内输入的热量也不断增大。

恒压焊接的特点是：随着焊接时间的递增，热熔焊机的输出功率不断变小，相应的单位时间内的输入热量也趋于减小。

在电熔焊接时，如果要使熔合面结合良好，必须使整个熔合面受热均匀，相态一致。

管件内铜丝是以一定的螺距旋绕而成，又知HDPE料的热传导率和热扩披散率都很小，是热的不良导体，因此熔合面受热均匀需要一定的时间。

当采用恒流焊接时，越到焊接中后期，单位时间内输入的热量就越大，当铜丝产生的热量不能很快传递走时，会使得铜丝温度快速升高到HDPE的分解温度，容易造成焊接失败。

而恒压焊接焊接的特点弥补了材料导热差的特性，当进入到焊接过程的中后期阶段由于输入的热量是降低的，因此热量有时间向周围扩散，避免了局部的温升过高。

从上面论述可知，恒压焊接应优先采用。

2.2 恒压焊接时焊接参数的确定恒压法焊接时，需要确定的焊接参数有焊接电压和焊接时间，焊接电压的确定可由计算公式定量计算，而焊接时间的确定由于受到塑料复杂的温度场分布，进行计算时存在困难，因此采用理论分析与焊接试验的方法进行确定。

2.2.1焊接电压的确定聚乙烯是一种对称无极性材料，在材料的微观结构中同时存在结晶区和无定形区两种排列形式。

其中结晶区在70-80%。

电熔连接时如果给连接界面输入比较多的热量，将大大延长冷却时间，势必造成连接界面的晶粒过于粗大，降低界面强度。

为控制热量的输入，同时又保证界面处得到足够的热量使高分子链段有足够的活动能力，因此对电熔管件应采用“快速加热”的方式。

即在相对较短的时间内获得一个窄而平滑的熔融区，迅速使链段获得活动能力，由于聚乙烯导热性较低，在连接界面温度达到熔融时，在厚度方向是一个相对陡峭的温度场分布，这种温度场分布特性既保证了界面处高分子材料的互相渗透、交织，又保证了焊后冷却时间的相对减少，避免了组织晶粒的粗大。

目前，从国外及国内使用的小口径电熔管件，焊接电压基本上采用39.5V，这是可以保证“快速加热”的。

对于钢塑复合管，由于承压较高，电熔套筒的热熔区相应加长，尤其对于大口径管材（φ≥200mm）再采用39.5V，已经不能满足“快速加热”的要求。

为实现“快速加热”的要求，根据电热阻丝的物理特性，可以推导出电压计算公式。

先来确定以下符号所代表的物理量：d—管件内径(cm) n—铜丝圈数d2—铜丝直径(cm) L—铜丝长度(cm)d1—计算直径(cm) s—铜丝表面积(cm2) N—加热功率(W) U—焊接电压(V)R—铜丝电阻(Ω) e —铜丝缠绕螺距(mm) ρ—电阻率(Ω/cm) k—表面热负荷(W/cm2)由电工学的一些基本知识，我们可以得到以下一些基本公式：铜丝长度：L=πd1n铜丝表面积：S=πd2L铜丝电阻：R=ρL加热功率：N=αsk（α=0.2～0.5）由N=IU=U2/R则：U2=NR所以：U=πd1nραπkd2根据电熔管件所选用的热阻丝的材料的不同，电阻率及表面热负荷有所不同，所选用的α系数取值也有所不同，这些属于管件设计参数，可由管件制造厂提供。

根据笔者长期的工作经验，所计算的电压值是否合适，可以用一个简单的方法试验，取一个成品管件连接到电熔焊机上，焊机电压设定为计算电压，启动焊机，观察电流，如果启动电流在0.8～0.9倍的热阻丝的熔断电流，此电压为合适的电压。

2.2.2焊接时间的确定PE电熔管件通电加热时，铜丝电阻、电流、单位时间内输出的功率都是变化的；同时熔融部位的温度场分布及环境散热的情况也十分复杂，对于聚乙烯料来说，其所吸收的热量并不是全部用于升高温度，而是有一部分消耗于聚合物晶体相态的转变，这些情况都给定量计算焊接时间带来较大的困难。

因此我们采用焊接理论分析与试验相结合的方法来确定。

电熔管件采用恒压焊接时，焊接电流是变化的，稳定的焊接过程电流表现为初始值较高，下降也较快，逐渐呈现一个缓降的现象。

如果管件热阻丝螺距设计合理，焊接电压选择适当，在焊接快结束时焊接电流几乎稳定在某一数值不变。

此现象可以用电工学的知识解释，热阻丝受热，温度升高，电阻率变大，电压不变，电流变小。

当焊接过程进入后期，通过对电熔管件的合理设计，保证融合界面处的温度处于高分子材料的熔融温度而不再变化，此时热阻丝产生的热量与传递走的热量相等，热阻丝温度也不再上升，电阻率不再变化，因此电流趋于稳定。

焊接电流趋于稳定是进行焊接试验时判定接头是否融合良好的一个重要表象。

由于受到管材、管件配合间隙，椭圆度等方面的影响，确定焊接时间主要依据焊接试验。

其试验步骤如下：（Ⅰ）保证环境温度处于室温，所选用管材管件合格；（Ⅱ）按照焊前准备要求，作好清理、准备和组装工作；（Ⅲ）按照管件规格，计算出所需焊接电压；（Ⅳ）焊接开始后，保持电压不变，焊接过程中作好参数和试验现象的记录。

参数记录为各时间段的电流，通过多组试验作出焊接电流—时间变化曲线；焊接现象重点观察电熔管件观察孔凸起的高度，熔接区内壁的温度和变形等。

（Ⅴ）焊后做连接件的水压试验；（Ⅵ）水压试验合格后，对熔合部位解剖，分别进行熔合面的观察和撕裂试验。

熔合面应以呈锯齿形交错为最佳，如果两面仍呈平面，则时间过短；如管件料已进入钢骨架下方，则证明时间过长，都不是最佳时间。

撕裂试验以断裂面不是熔合面为合格。

只有以上各试验结果和观察现象都为最佳时，才可以把试验的焊接时间确定为室温下的最佳焊接时间。

3 焊接设备的选用电熔焊机应该具备两种基本功能，一是电压或电流调节能力，以便在施工现场电源波动或是电源负载变化时能按预定的电压（电流）值向管件的热阻丝供电；二是时间控制能力，当管件熔接时的电压（电流）确定后，对管件输入的能量问题就转化为时间的控制问题，焊机应有较高的时间控制精度；同时要求时间控制系统电源独立供电，避免受到现场用电不稳的影响。

钢塑复合管管材、管件在存放的过程中，由于环境温度及存放等原因，不可避免出现变形问题，因此管材、管件装配后存在局部装配间隙不均匀的情况，容易引起焊接过程的不稳定，这就需要在焊接过程中进行动态控制。

鉴于此，钢塑复合管焊接时所选用的焊机应该能够进行电流和电压的适时调整，同时还要满足输出功率的要求。

目前市场上的焊机大致分两类：一类是自动化程度较高，焊接参数自动识别或人工输入后自动完成焊接，这类焊机无法实现电流电压的适时控制，输出功率一般在5Kw以下，此类焊机已经有了国家标准；另一类焊机自动化程度较低，焊接过程中电压需手动控制，能够即时显示回路中的电流，参数可以随时调整，此类焊机输出功率较大（最大为18Kw），完全满足钢塑复合管焊接的需要。

工程实践证明，后一种焊机更适合于钢塑复合管的焊接。

4 工装卡具的应用在钢塑复合管的焊接过程中，聚乙烯料由于受热膨胀，因而在融合面上产生一定的压力。

管材在一定的轴向分力的作用下，使原本紧靠的两端面分开，由于管材、管件的相对运动，使得熔融区的的料在外力作用下运动，熔融料的运动带动了热阻丝的运动，容易造成热阻丝碰到一起（俗称搭线），一旦出现这种情况，在搭线部位温度急速上升，使该部位的聚乙烯料快速分解汽化，出现“冒烟”现象，造成焊接失败。

这种情况在大口径钢塑复合管的焊接过程中表现尤为突出。

此外，由于焊接过程中管材的移动，使得熔合面处压力降低，冷却后宜造成组织疏松，降低了管道的使用压力等级。

为解决上面的问题，在焊接时应使用工装卡具，其结构及安装如图2所示。

图2 焊接卡具安装示意图在图2中管材被工装卡具固定住，消除了管材的移动，也就避免了上述问题。

注意在使用工装的过程中，不要使卡具直接作用于管件，以免管件受热过程中受到外力作用产生较大的变形，出现焊接质量问题。

5 焊接施工过程中的注意事项由于施工现场比较复杂，既有环境温度的变化，又有管材、管件等自然变形而引起的装配间隙等问题，所以在现场焊接时应注意以下几点：（1）根据现场的环境温度，适当调节焊接参数，在有条件的情况下应进行现场首件的试验。

（2）焊接起始电压应从“0”位上调，调节速度不宜过快，以避免起始电流过大，对大口径管件来说，电压从0到设定电压在20秒左右为佳。

（3）焊接过程中如遇到焊接不稳的情况，一般表现为焊接电流不是缓降而是缓升，这种情况多数出现在焊接中期，此时需将焊接电压降低到设定电压值的一半，稳定10秒左右，在将焊接电压调回到设定值即可解决。

这是由于热阻丝线圈通电受热产生震动而引起的偶尔短路，容易调节。