钢骨架增强塑料复合管电热熔焊接工艺研究

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1、PE电熔管件焊接工艺探讨对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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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)铜丝的电阻率直径，mm0.50.81.01.2ρ，10-4Ω/cm7.52