能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法及电熔焊机

摘要

本发明涉及电熔焊机技术，旨在提供一种能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法及电熔焊机。该方法包括：(1)在焊接过程中，实时测量焊接电路的电流与电压以获取电阻丝的电阻值变化情况；通过控制焊接电路的电压，以实现对电阻丝电阻值及焊接功率的控制；同时，控制焊接过程中电阻丝周围聚乙烯材料的温度；(2)记录焊接过程中电阻丝的实时焊接功率，并累加计算焊接输入热量，当焊接输入热量达到电熔套筒完成焊接所需总输入热量Q的数值时，焊接结束。利用本发明，只要给定需要的焊接输入热量，电熔焊机就可以自动确定合理的焊接工艺。在现有的数字式焊机上可以方便地加入这种控制，成为具有防冷焊与过焊功能的新型电熔焊机。

说明书

技术领域

本发明涉及电熔焊机技术，特别涉及能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法 及电熔焊机。

背景技术

近年来，我国能源结构和政策的调整以及西气东输等重要能源战略计划的进一步实 施，给我国的燃气管道行业带来了巨大的发展空间。塑料管道和热塑性增强塑料复合管 以其优异的综合力学性能在各行业中得到快速的发展和应用。电熔焊接是塑料管和复合 管最主要的连接方式之一，尤其在某些复杂恶劣环境(如高压、泥浆等)下使用的复合 管道，电熔焊接几乎是唯一适用的连接方式。

合理的焊接工艺是保障电熔接头质量的关键。现有的电熔接头在焊接工艺开发阶 段，均采用试验的方法确定工艺的合理性，即通过不断改变焊接时间，制备出不同工艺 条件下焊制的电熔接头，然后通过拉伸剥离试验，若剥离后试样满足GB15558.2中规定 的不超过33％的脆性破坏，就认为是合格的焊接工艺。

这种方法的主要缺点是，开发周期长，剥离试验结果波动性较大，并且只能通过破 坏性试验检验接头是否有冷焊或过焊发生，而不能对焊接过程进行实时监测以在接头焊 接过程中避免发生冷焊或过焊。施建峰等提出的聚乙烯管道冷焊接头的检测和评价方法 只能适用于对已完成焊接的接头进行检测，不能在实施焊接的时候就避免冷焊或过焊的 产生。(施建峰，聚乙烯管道电熔接头冷焊缺陷的检测、评定及其形成机理研究，浙江 大学博士学位论文，2011)

冷焊和过焊缺陷是工程中常见的由焊接工艺不合理造成的缺陷。如果焊接界面温度 过低或者没有在熔融温度以上持续足够长的时间，会产生冷焊缺陷，含冷焊缺陷的电熔 接头在服役过程中可能会发生沿熔合面发生贯穿裂纹扩展失效。如果焊接输入热量过 多，可能会使电熔接头内部的聚乙烯因温度过高而发生裂解，产生过焊缺陷。

现有的电熔焊接主要采用39.5V的恒电压焊接方式，唯一的控制参量是焊接时间。 但是焊接时间与电熔焊接界面的温度值并没有直接的关联关系，而且实际上，由于不同 的厂家电阻丝工艺各不相同，因此即使相同的焊接电压，焊接输入功率是不同的，因而 所需的焊接时间也不相同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种防止电熔焊接过程 中产生冷焊与过焊缺陷的方法。

本发明采用的技术方案是：

提供一种能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法，包括：

(1)在焊接过程中，实时测量焊接电路的电流与电压，以获取电熔套筒中电阻丝 的电阻值变化情况；通过控制焊接电路的电压，以实现对电阻丝电阻值及焊接功率的控 制；同时，控制焊接过程中电阻丝周围聚乙烯材料的温度T_PE始终满足：

T_m＜T_PE＜T_d

其中，T_m为聚乙烯完全熔融的温度，℃；T_d为聚乙烯裂解的温度，℃；

对T_PE的控制是根据下述公式，通过控制电熔套筒中电阻丝的电阻值来实现的：

$T_{\mathrm{PE}}=\frac{1}{{\alpha }_t}(\frac{R}{R_0}-1)+T_0-\mathrm{\Delta T}$

式中，α_t为电阻丝温度系数，℃^-1；R为实时测量的电阻值，Ω；R₀为电熔接头的 初始电阻值，Ω；T₀为初始环境温度，℃；ΔT为电阻丝周围的聚乙烯材料与电阻丝之 间的温差，其值可取为20～60℃，取决于电阻丝与聚乙烯的贴合程度。

(2)记录焊接过程中电阻丝的实时焊接功率，并累加计算焊接输入热量，当焊接 输入热量达到电熔套筒完成焊接所需总输入热量Q的数值时，焊接结束。

作为一种改进，在开始焊接之前，向焊接机的控制器中输入电熔套筒完成焊接所需 总输入热量Q的数值；当焊接输入热量达到总输入热量Q的数值时，自动切断焊接电 路的电源。

更进一步地，本发明还提供了一种用于前述方法的电熔焊机，其焊接电路中包括精 密(或电流测量用小)电阻和电流测量电路，所述电流测量电路中包括两个并联接至选 择切换开关的电流测量模块，两个电流测量模块共用一路由控制器控制的模数转换电 路；其中一个电流测量模块在焊接前使用，其放大器放大系数为100～500；另一个电流 测量模块在焊接过程中使用，其放大器放大系数为10～100。

作为一种改进，所述精密电阻的电阻值为0.5～10mΩ，标示阻值误差不超过±0.5％， 电阻温度系数(温漂)不超过20ppm。

本发明的有益效果：

通过本发明中的方法，对于某一规格的电熔套筒，只要给定需要的焊接输入热量， 电熔焊机就可以自动确定合理的焊接工艺。目标是确定电熔接头能获得足够的焊接输入 热量的前提下，不会发生冷焊和过焊缺陷。

在现有的数字式焊机上可以方便地加入这种控制方法，成为具有防冷焊与过焊功能 的新型电熔焊机。这种新型电熔焊机适用于现有全部规格的电熔套筒，不需要对电熔套 筒做任何结构上或电路上的改进。该电熔焊机可根据所检测到的焊接界面温度调节输入 电压，并在焊接过程中实时监测输入功率并计算输入热量，以保证电熔焊接过程中电阻 丝向管件与管材传递足够的热量，从焊机控制角度避免过焊、冷焊等常见焊接缺陷的发 生。

附图说明

图1为电熔焊机中电路测量模块示意图。

具体实施方式

本发明的实现原理是：

以焊接输入总热量为控制变量，以测量的焊接界面温度结果为监测变量，以电阻丝 的焊接输入电压为控制参数，实时调整电熔接头的焊接输入功率。通过实时监测电熔焊 接过程中电阻丝的变化来检测焊接界面温度，在确保充足的焊接输入热量的目标下，避 免因焊接界面温度过高而导致电熔接头产生过焊缺陷，或因为焊接界面温度不足而产生 冷焊缺陷。

电熔焊接过程中电阻丝的电阻值会随着温度升高而线性增大，其变化形式如下式所 示：

R＝R₀[1+α_t(T-T₀)]                (1)

式中：R₀为电熔接头的初始电阻，Ω；R为实时测量的电阻值，Ω；T₀为初始环境 温度，℃；α_t为电阻丝温度系数，℃^-1；T为电阻丝实时温度，℃。

根据(1)式，电阻丝的实时温度T可以表示为：

$T=\frac{1}{{\alpha }_t}(\frac{R}{R_0}-1)+T_0---\left(2\right)$

施建峰等研究发现(Jianfeng Shi，JinyangZheng，et.al.ASME Journal of Pressure Vessel Technology，vol.131)：电阻丝周围的聚乙烯材料与电阻丝之间存在一定的温差 ΔT；温差ΔT在焊接开始后先迅速增大，然后在焊接过程中迅速减小，并最后稳定在 20～60℃之间。

因此，

$T_{\mathrm{PE}}=\frac{1}{{\alpha }_t}(\frac{R}{R_0}-1)+T_0-\mathrm{\Delta T}---\left(3\right)$

式中：T_PE为电阻丝周围聚乙烯材料的温度，℃。

设T_m为聚乙烯完全熔融温度(℃)，T_d为聚乙烯裂解温度(℃)。只要在焊接过程 中始终使T_PE满足：

T_m＜T_PE＜T_d                    (4)

就可以确保电熔接头不会出现过焊或者冷焊缺陷。

在焊接过程中实时检测电阻丝的电阻值变化，根据公式(3)可以得到焊接界面聚 乙烯的实时温度。根据焊接界面聚乙烯温度与熔融温度及裂解温度的关系控制焊接输入 电压，从而控制焊接功率并最终达到控制焊接界面温度的效果。焊接过程实时记录焊接 功率，并累加计算焊接输入热量，当焊接输入热量达到规定值时，焊接结束。

需要指出的是，对某一规格的电熔接头进行焊接时，其总输入热量Q是根据电熔套 筒的布线区宽度和所用的材料(即考虑材料熔融所需要吸收的热量)综合确定，通常由 电熔套筒的生产商通过试验确定，可视为电熔套筒的固有性能数据，用于直接输入电熔 焊机的控制器作为初始参数。同时由于电熔套筒内用的是发热电阻，在焊机上的发热和 电阻丝上的电磁能量损耗相对于焊接热量而言非常小，可以忽略不计(通常焊接功率在 1-10kW之间，而在焊机内的消耗不会超过10W)。因此可近似认为电熔焊机的热效率 为100％，即焊机的能量全部转化为焊接输入热量。

对于某一规格的电熔套筒，只要给定需要的焊接输入热量，电熔焊机就可以自动确 定合理的焊接工艺。目标是确定电熔接头能获得足够的焊接输入热量的前提下，不会发 生冷焊和过焊缺陷。

具体实施例：

(1)获取电熔接头焊接输入参数

电熔焊机电源接头后，焊机就开始检测是否已经接通电熔套筒。通常电熔套筒内的 电阻值在0.5～10Ω之间，通过在电熔焊机的输出端头施加一低压直流电压U_t，同时检测 电流。若检测到电流通过，且数值在0.1U_t～2U_t之间时，认为电路已经接通。待电流稳 定后，测得通过电路的电流数值为I_t，则电熔套筒的初始电阻值为：

$R_0=\frac{U_t}{I_t}---\left(5\right)$

同时，通过温度测量装置测得此时的环境温度值为T₀。电熔接头所需的焊接输入热 量和电阻温度系数可以通过手动输入，也可以通过在焊机内置数据库进行查询获得。

(2)电熔焊接过程分为两个控制阶段进行

第一阶段为焊接界面完全熔融之前，采用现有电熔焊机普遍采用的39.5V恒电压焊 接，每隔Δt＝0.5s测量一次电熔套筒内电阻丝的电阻值。若连续5s检测到的电阻丝温 度值均在聚乙烯的完全熔融温度以上，则认为焊接界面的聚乙烯已经完全熔融，电熔焊 接第一阶段结束。电阻丝温度值采用(3)式进行计算。每隔Δt时间记录焊接过程中的 电压与电流变化。

在电熔焊接的第二阶段，根据焊接界面的温度对电阻丝的焊接输入电压进行实时控 制。当焊接界面温度高时，降低电阻丝的焊接输入电压；当焊接界面温度低时，提高焊 接输入电压。焊接输入电压根据测得的聚乙烯温度进行比例控制，可按下式调节：

$U=k(1-\frac{T_{\mathrm{PE}}-T_m}{T_d-T_m})\times U_0---\left(6\right)$

式中，T_PE是焊接界面聚乙烯的实时温度，根据(4)式进行计算；U₀为初始焊接 电压，通常为39.5V；k为比例控制系数，通常可取1.0；U为当前需要控制输出的焊接 电压。

焊接过程中，每隔Δt时间记录焊接过程中的电压与电流变化。根据每隔Δt记录得 到电阻丝两端电压U和电阻丝中电流I，可近似计算Δt时间内的输入热量。设电熔焊接 过程经历了t_wn＝n·Δt秒。设第i(i≤n)个周期内的焊接电压和电流分别为U_i和I_i，则 t_wn秒内电熔焊机的总输入热量为：

Q_n＝(U₁I₁+U₂I₂+L+U_nI_n)·Δt                (7)

当Q_n大于等于电熔接头所需的热量时，焊接结束。

为实现上述功能，需要对现有的电熔焊机的电流测量电路进行改进。

电熔焊机的焊接电路中包括精密电阻(电阻值为0.5～10mΩ)和电流测量电路。所 述电流测量电路中包括两个并联接至选择切换开关的电流测量模块，两个电流测量模块 共用一路由控制器控制的模数转换电路；其中一个电流测量模块在焊接前使用，其放大 器放大系数为100～500，可称为弱电测量电路；另一个电流测量模块在焊接过程中使用， 其放大器放大系数为10～100，可称为强电测量电路。

在电熔焊接前，控制器接通弱电测量电路。在电熔焊接过程中，控制器接通强电测 量电路。弱电测量电路和强电测量电路的主要区别是不同放大系数的放大器。测量结果 输入到控制器中用于计算焊接前和焊接过程中的实时电阻值。