專利名稱：能夠防止產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的電熔焊接方法及電熔焊機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電熔焊機(jī)技術(shù)，特別涉及能夠防止產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的電熔焊接方法及電熔焊機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，我國能源結(jié)構(gòu)和政策的調(diào)整以及西氣東輸?shù)戎匾茉磻?zhàn)略計劃的進(jìn)一步實(shí)施，給我國的燃?xì)夤艿佬袠I(yè)帶來了巨大的發(fā)展空間。塑料管道和熱塑性增強(qiáng)塑料復(fù)合管以其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能在各行業(yè)中得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。電熔焊接是塑料管和復(fù)合管最主要的連接方式之一，尤其在某些復(fù)雜惡劣環(huán)境(如高壓、泥漿等)下使用的復(fù)合管道， 電熔焊接幾乎是唯一適用的連接方式。
合理的焊接工藝是保障電熔接頭質(zhì)量的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的電熔接頭在焊接工藝開發(fā)階段，均采用試驗(yàn)的方法確定工藝的合理性，即通過不斷改變焊接時間，制備出不同工藝條件下焊制的電熔接頭，然后通過拉伸剝離試驗(yàn)，若剝離后試樣滿足GB15558. 2中規(guī)定的不超過33%的脆性破壞，就認(rèn)為是合格的焊接工藝。
這種方法的主要缺點(diǎn)是，開發(fā)周期長，剝離試驗(yàn)結(jié)果波動性較大，并且只能通過破壞性試驗(yàn)檢驗(yàn)接頭是否有冷焊或過焊發(fā)生，而不能對焊接過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測以在接頭焊接過程中避免發(fā)生冷焊或過焊。施建峰等提出的聚乙烯管道冷焊接頭的檢測和評價方法只能適用于對已完成焊接的接頭進(jìn)行檢測，不能在實(shí)施焊接的時候就避免冷焊或過焊的產(chǎn)生。 (施建峰，聚乙烯管道電熔接頭冷焊缺陷的檢測、評定及其形成機(jī)理研究，浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2011)
冷焊和過焊缺陷是工程中常見的由焊接工藝不合理造成的缺陷。如果焊接界面溫度過低或者沒有在熔融溫度以上持續(xù)足夠長的時間，會產(chǎn)生冷焊缺陷，含冷焊缺陷的電熔接頭在服役過程中可能會發(fā)生沿熔合面發(fā)生貫穿裂紋擴(kuò)展失效。如果焊接輸入熱量過多， 可能會使電熔接頭內(nèi)部的聚乙烯因溫度過高而發(fā)生裂解，產(chǎn)生過焊缺陷。
現(xiàn)有的電熔焊接主要采用39. 5V的恒電壓焊接方式，唯一的控制參量是焊接時間。但是焊接時間與電熔焊接界面的溫度值并沒有直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而且實(shí)際上，由于不同的廠家電阻絲工藝各不相同，因此即使相同的焊接電壓，焊接輸入功率是不同的，因而所需的焊接時間也不相同。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種防止電熔焊接過程中產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
提供一種能夠防止產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的電熔焊接方法，包括
(1)在焊接過程中，實(shí)時測量焊接電路的電流與電壓，以獲取電熔套筒中電阻絲的電阻值變化情況；通過控制焊接電路的電壓，以實(shí)現(xiàn)對電阻絲電阻值及焊接功率的控制；同時，控制焊接過程中電阻絲周圍聚乙烯材料的溫度Tpe始終滿足
Tm < Tpe < Td
其中，Tm為聚乙烯完全熔融的溫度，°C ;Td為聚乙烯裂解的溫度，V ；
對Tpe的控制是根據(jù)下述公式，通過控制電熔套筒中電阻絲的電阻值來實(shí)現(xiàn)的
ΓΡ￡=丄(丟 ΚΔΓcct R0
式中，CIt為電阻絲溫度系數(shù)，trSR為實(shí)時測量的電阻值，Ω ；Rtl為電熔接頭的初始電阻值，Ω ；Ttl為初始環(huán)境溫度，°C ;ΔΤ為電阻絲周圍的聚乙烯材料與電阻絲之間的溫差，其值可取為20 60°C，取決于電阻絲與聚乙烯的貼合程度。
(2)記錄焊接過程中電阻絲的實(shí)時焊接功率，并累加計算焊接輸入熱量，當(dāng)焊接輸入熱量達(dá)到電熔套筒完成焊接所需總輸入熱量Q的數(shù)值時，焊接結(jié)束。
作為一種改進(jìn)，在開始焊接之前，向焊接機(jī)的控制器中輸入電熔套筒完成焊接所需總輸入熱量Q的數(shù)值；當(dāng)焊接輸入熱量達(dá)到總輸入熱量Q的數(shù)值時，自動切斷焊接電路的電源。
更進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種用于前述方法的電熔焊機(jī)，其焊接電路中包括精密(或電流測量用小)電阻和電流測量電路，所述電流測量電路中包括兩個并聯(lián)接至選擇切換開關(guān)的電流測量模塊，兩個電流測量模塊共用一路由控制器控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路; 其中一個電流測量模塊在焊接前使用，其放大器放大系數(shù)為100 500 ；另一個電流測量模塊在焊接過程中使用，其放大器放大系數(shù)為10 100。
作為一種改進(jìn)，所述精密電阻的電阻值為0.5 ΙΟπιΩ，標(biāo)示阻值誤差不超過士 0.5%，電阻溫度系數(shù)(溫漂)不超過20ppm。
本發(fā)明的有益效果
通過本發(fā)明中的方法，對于某一規(guī)格的電熔套筒，只要給定需要的焊接輸入熱量， 電熔焊機(jī)就可以自動確定合理的焊接工藝。目標(biāo)是確定電熔接頭能獲得足夠的焊接輸入熱量的前提下，不會發(fā)生冷焊和過焊缺陷。
在現(xiàn)有的數(shù)字式焊機(jī)上可以方便地加入這種控制方法，成為具有防冷焊與過焊功能的新型電熔焊機(jī)。這種新型電熔焊機(jī)適用于現(xiàn)有全部規(guī)格的電熔套筒，不需要對電熔套筒做任何結(jié)構(gòu)上或電路上的改進(jìn)。該電熔焊機(jī)可根據(jù)所檢測到的焊接界面溫度調(diào)節(jié)輸入電壓，并在焊接過程中實(shí)時監(jiān)測輸入功率并計算輸入熱量，以保證電熔焊接過程中電阻絲向管件與管材傳遞足夠的熱量，從焊機(jī)控制角度避免過焊、冷焊等常見焊接缺陷的發(fā)生。


圖1為電熔焊機(jī)中電路測量模塊示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理是
以焊接輸入總熱量為控制變量，以測量的焊接界面溫度結(jié)果為監(jiān)測變量，以電阻絲的焊接輸入電壓為控制參數(shù)，實(shí)時調(diào)整電熔接頭的焊接輸入功率。通過實(shí)時監(jiān)測電熔焊接過程中電阻絲的變化來檢測焊接界面溫度，在確保充足的焊接輸入熱量的目標(biāo)下，避免因焊接界面溫度過高而導(dǎo)致電熔接頭產(chǎn)生過焊缺陷，或因?yàn)楹附咏缑鏈囟炔蛔愣a(chǎn)生冷焊缺陷。
電熔焊接過程中電阻絲的電阻值會隨著溫度升高而線性增大，其變化形式如下式所示
R = R0 [1+Qt(T-T0)](1)
式中=Rtl為電熔接頭的初始電阻，Ω ；R為實(shí)時測量的電阻值，Ω ；T0為初始環(huán)境溫度，°c ;at為電阻絲溫度系數(shù)，°c-1J為電阻絲實(shí)時溫度，°c。
根據(jù)(1)式，電阻絲的實(shí)時溫度T可以表示為
Γ =丄(|-1) + Γ0(2)cct R0
施建峰等研究發(fā)現(xiàn)(JianfengShi, JinyangZheng, et. al. ASME Journal of PressureVessel Technology, vol. 131):電阻絲周圍的聚乙烯材料與電阻絲之間存在一定的溫差ΔΤ;溫差Δ T在焊接開始后先迅速增大，然后在焊接過程中迅速減小，并最后穩(wěn)定在20 60°C之間。
因此，
ΓΡ￡=丄+(3)cct R0
式中Tpe為電阻絲周圍聚乙烯材料的溫度，°C。
設(shè)Tm為聚乙烯完全熔融溫度(V )，Td為聚乙烯裂解溫度(V )。只要在焊接過程中始終使Tpe滿足
Tm < Tpe < Td(4)
就可以確保電熔接頭不會出現(xiàn)過焊或者冷焊缺陷。
在焊接過程中實(shí)時檢測電阻絲的電阻值變化，根據(jù)公式(3)可以得到焊接界面聚乙烯的實(shí)時溫度。根據(jù)焊接界面聚乙烯溫度與熔融溫度及裂解溫度的關(guān)系控制焊接輸入電壓，從而控制焊接功率并最終達(dá)到控制焊接界面溫度的效果。焊接過程實(shí)時記錄焊接功率， 并累加計算焊接輸入熱量，當(dāng)焊接輸入熱量達(dá)到規(guī)定值時，焊接結(jié)束。
需要指出的是，對某一規(guī)格的電熔接頭進(jìn)行焊接時，其總輸入熱量Q是根據(jù)電熔套筒的布線區(qū)寬度和所用的材料(即考慮材料熔融所需要吸收的熱量)綜合確定，通常由電熔套筒的生產(chǎn)商通過試驗(yàn)確定，可視為電熔套筒的固有性能數(shù)據(jù)，用于直接輸入電熔焊機(jī)的控制器作為初始參數(shù)。同時由于電熔套筒內(nèi)用的是發(fā)熱電阻，在焊機(jī)上的發(fā)熱和電阻絲上的電磁能量損耗相對于焊接熱量而言非常小，可以忽略不計(通常焊接功率在I-IOkW 之間，而在焊機(jī)內(nèi)的消耗不會超過low)。因此可近似認(rèn)為電熔焊機(jī)的熱效率為100%，即焊機(jī)的能量全部轉(zhuǎn)化為焊接輸入熱量。
對于某一規(guī)格的電熔套筒，只要給定需要的焊接輸入熱量，電熔焊機(jī)就可以自動確定合理的焊接工藝。目標(biāo)是確定電熔接頭能獲得足夠的焊接輸入熱量的前提下，不會發(fā)生冷焊和過焊缺陷。
具體實(shí)施例
(1)獲取電熔接頭焊接輸入?yún)?shù)
電熔焊機(jī)電源接頭后，焊機(jī)就開始檢測是否已經(jīng)接通電熔套筒。通常電熔套筒內(nèi)的電阻值在0.5 10Ω之間，通過在電熔焊機(jī)的輸出端頭施加一低壓直流電壓隊，同時檢測電流。若檢測到電流通過，且數(shù)值在o.mt 2 之間時，認(rèn)為電路已經(jīng)接通。待電流穩(wěn)定后，測得通過電路的電流數(shù)值為It，則電熔套筒的初始電阻值為
R0 = 1J-(5)』t
同時，通過溫度測量裝置測得此時的環(huán)境溫度值為 ；。電熔接頭所需的焊接輸入熱量和電阻溫度系數(shù)可以通過手動輸入，也可以通過在焊機(jī)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢獲得。
(2)電熔焊接過程分為兩個控制階段進(jìn)行
第一階段為焊接界面完全熔融之前，采用現(xiàn)有電熔焊機(jī)普遍采用的39. 5V恒電壓焊接，每隔At = 0. 測量一次電熔套筒內(nèi)電阻絲的電阻值。若連續(xù)&檢測到的電阻絲溫度值均在聚乙烯的完全熔融溫度以上，則認(rèn)為焊接界面的聚乙烯已經(jīng)完全熔融，電熔焊接第一階段結(jié)束。電阻絲溫度值采用(3)式進(jìn)行計算。每隔At時間記錄焊接過程中的電壓與電流變化。
在電熔焊接的第二階段，根據(jù)焊接界面的溫度對電阻絲的焊接輸入電壓進(jìn)行實(shí)時控制。當(dāng)焊接界面溫度高時，降低電阻絲的焊接輸入電壓；當(dāng)焊接界面溫度低時，提高焊接輸入電壓。焊接輸入電壓根據(jù)測得的聚乙烯溫度進(jìn)行比例控制，可按下式調(diào)節(jié)
U = k(l-^^)xU0(6)Id — ^m
式中，1^是焊接界面聚乙烯的實(shí)時溫度，根據(jù)(4)式進(jìn)行計算禮為初始焊接電壓，通常為39. 5V ；k為比例控制系數(shù)，通?？扇?. 0 ；U為當(dāng)前需要控制輸出的焊接電壓。
焊接過程中，每隔At時間記錄焊接過程中的電壓與電流變化。根據(jù)每隔At記錄得到電阻絲兩端電壓U和電阻絲中電流I，可近似計算At時間內(nèi)的輸入熱量。設(shè)電熔焊接過程經(jīng)歷了 twn = η · Δ t秒。設(shè)第i (i < η)個周期內(nèi)的焊接電壓和電流分別為Ui和 Ii，則tm秒內(nèi)電熔焊機(jī)的總輸入熱量為
Qn= (UJi+UJ^L+UJJ ‘ At(7)
當(dāng)I大于等于電熔接頭所需的熱量時，焊接結(jié)束。
為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要對現(xiàn)有的電熔焊機(jī)的電流測量電路進(jìn)行改進(jìn)。
電熔焊機(jī)的焊接電路中包括精密電阻(電阻值為0. 5 ΙΟπιΩ)和電流測量電路。 所述電流測量電路中包括兩個并聯(lián)接至選擇切換開關(guān)的電流測量模塊，兩個電流測量模塊共用一路由控制器控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中一個電流測量模塊在焊接前使用，其放大器放大系數(shù)為100 500，可稱為弱電測量電路；另一個電流測量模塊在焊接過程中使用，其放大器放大系數(shù)為10 100，可稱為強(qiáng)電測量電路。
在電熔焊接前，控制器接通弱電測量電路。在電熔焊接過程中，控制器接通強(qiáng)電測量電路。弱電測量電路和強(qiáng)電測量電路的主要區(qū)別是不同放大系數(shù)的放大器。測量結(jié)果輸入到控制器中用于計算焊接前和焊接過程中的實(shí)時電阻值。
權(quán)利要求
1.一種能夠防止產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的電熔焊接方法，包括(1)在焊接過程中，實(shí)時測量焊接電路的電流與電壓，以獲取電熔套筒中電阻絲的電阻值變化情況；通過控制焊接電路的電壓，以實(shí)現(xiàn)對電阻絲電阻值及焊接功率的控制；同時， 控制焊接過程中電阻絲周圍聚乙烯材料的溫度Tpe始終滿足Tm < Tpe < Td其中，Tm為聚乙烯完全熔融的溫度，°C ;Td為聚乙烯裂解的溫度，V ；對Tpe的控制是根據(jù)下述公式，通過控制電熔套筒中電阻絲的電阻值來實(shí)現(xiàn)的
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在開始焊接之前，向焊接機(jī)的控制器中輸入電熔套筒完成焊接所需總輸入熱量Q的數(shù)值；當(dāng)焊接輸入熱量達(dá)到總輸入熱量Q的數(shù)值時，自動切斷焊接電路的電源。
3.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的電熔焊機(jī)，其焊接電路中包括精密電阻和電流測量電路，其特征在于，所述電流測量電路中包括兩個并聯(lián)接至選擇切換開關(guān)的電流測量模塊，兩個電流測量模塊共用一路由控制器控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中一個電流測量模塊在焊接前使用，其放大器放大系數(shù)為100 500 ；另一個電流測量模塊在焊接過程中使用， 其放大器放大系數(shù)為10 100。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電熔焊機(jī)，其特征在于，所述精密電阻的電阻值為0.5 IOmΩ，標(biāo)示阻值誤差不超過士0. 5%，電阻溫度系數(shù)不超過20ppm。
全文摘要
本發(fā)明涉及電熔焊機(jī)技術(shù)，旨在提供一種能夠防止產(chǎn)生冷焊與過焊缺陷的電熔焊接方法及電熔焊機(jī)。該方法包括(1)在焊接過程中，實(shí)時測量焊接電路的電流與電壓以獲取電阻絲的電阻值變化情況；通過控制焊接電路的電壓，以實(shí)現(xiàn)對電阻絲電阻值及焊接功率的控制；同時，控制焊接過程中電阻絲周圍聚乙烯材料的溫度；(2)記錄焊接過程中電阻絲的實(shí)時焊接功率，并累加計算焊接輸入熱量，當(dāng)焊接輸入熱量達(dá)到電熔套筒完成焊接所需總輸入熱量Q的數(shù)值時，焊接結(jié)束。利用本發(fā)明，只要給定需要的焊接輸入熱量，電熔焊機(jī)就可以自動確定合理的焊接工藝。在現(xiàn)有的數(shù)字式焊機(jī)上可以方便地加入這種控制，成為具有防冷焊與過焊功能的新型電熔焊機(jī)。
文檔編號B29C65/02GK102514193SQ20111042834
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者徐成, 施建峰, 鄭津洋, 郭偉燦 申請人:浙江大學(xué)