热熔工艺.docx

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热熔工艺

PE管热熔焊接兼容性分析

一热熔焊接的基础理论

热熔焊接是焊接部件表面与热板接触热熔后，变成粘滞的流体，将熔融的表面压在一起，聚合物分子在热及压力的作用下运动，相互穿插盘绕，产生范德华作用力，冷却后形成坚固的焊接面，分子之间没有产生化学连接键，焊接强度取决于焊接面之间的相互穿插盘绕程度。

   为了对热熔焊接有更深入的认识，我们首先了解以下理论：

1.1粘合理论

这个理论强调的是相互焊接的两种聚合物之间具有零或近乎零的表面接触能量的重要性。

两种完全相同的聚合物相焊接是最好的情况，如相同牌号的聚乙烯之间的焊接。

一些杂质和添加剂或不同牌号则可能会影响焊接质量，依据此理论，选择相同材料的管材进行焊接是最佳的选择。

1.2分子扩散缠绕理论

   两种相容的高分子材料，加热到一定温度，使大分子得到能量和空间。

由于分子的热运动，并在得到的外力作用下，强制的彼此流动进行迁移、扩散，相互缠绕，随着温度的下降开始结晶，得到一定的结晶度则达到理想的焊接目的。

因此两种材料的相容性越好，则扩散越充分，连接性越好。

1.3流动过程理论

   该理论强调了焊接压力的重要性，指出焊接强度随焊接压力的升高而提高，直到焊接强度达到一个曲线的平稳段，几乎不再受压力的影响。

   根据以上理论，可以解释为什么要选择相同或相近的材料进行热熔焊接。

由于焊接的机理不同，热熔焊接对管材的要求相对电熔连接更为严格!

   CJJ33-1995中4.1.4亦要求“聚乙烯燃气管道连接宜采用同种牌号、材质的管材和管件。

对性能相似的不同牌号、材质的管材和管材与管件之间的连接，应经过试验，判定连接质量能得到保证后。

方可进行。

”

二不同聚乙烯材料的焊接兼容性理论分析

 影响两种聚乙烯材料焊接兼容性的主要因素是聚合物的分子量分布和分子结构的不同，作为一种表现形式就是熔体流动速率的不同。

熔体质量流动速率（MFR）是表征材料在熔融状态时的粘度大小的物理量，是分子平均尺寸和流动性的量度。

定义是在190℃和5kg荷载下，按质量计算的聚乙烯流动速率，它是制定焊接工艺的重要依据。

以下透过焊接温度及焊接压力，从熔体流动速率的层面对焊接兼容性进行分析。

2.1焊接温度

   根据分子扩散缠绕理论，两种聚乙烯材料热熔焊接时需要具备一定的焊接温度。

焊接温度是材料的熔融粘流转化温度，此时，聚乙烯产生熔融流动。

大分子相互扩散和缠绕，继而结晶连接，因此聚乙烯热熔焊接温度对焊接兼容性有重要影响。

而熔体流动速率是焊接工艺中焊接温度设定的重要参考因素。

   此外。

对于不同材料各项材料耐温指标也不尽相同，例如维卡软化点、熔融温度、热变形温度等。

因此当两种熔体流动速率不同的材料焊接时，由于焊接温度要求不同，则要么一方加热温度相对过低，加热不充分而导致材料软化不够，分子扩散和缠结受到影响，焊接兼容性差；要么一方加热温度过高，卷边尺寸增大，聚合物产生热氧化破坏，会导致原料产生降解使得接头强度降低。

2.2焊接压力

   依据流动过程理论，焊接时熔合部位的熔体应建立一定的压力，而这要求熔体有一定的粘度，防止熔体从熔合部位过渡挤出，形成冷焊。

而一定温度下的熔体粘度可以通过熔体流动速率来反映。

   对于不同熔体流动速率的材料，在同一压力下，对于熔体流动速率高的材料，则压力相对过低，焊接连接量过少，熔合面的部分熔膜不能挤出，很难形成尺寸合理的翻边，不利于加热过程中焊接面与热板接触时产生的污染及受空气中氧气、灰尘影响的熔膜层的排出，导致焊接质量不过关。

压力相对过大则会使熔料挤出，造成塑料熔体流向焊端的边缘形成焊瘤刺，使熔化层的深度减少，无法形成合理的熔膜厚度，而且会使熔合区域材料的结晶度提高，使焊缝部位抗冲击性下降；在熔膜层过多被挤出的同时，在翻边的根部加剧形成与管壁垂直的分子定向，产生应力集中的力学薄弱点，容易发生破坏，这也被实际经常发生的破坏类型所证实，严重影响焊接质量。

要形成良好的焊接，前提必须是适当的卷边高度及其对称性，据此，良好的焊接理论准则就可以表述为焊区内适当的粘度及其分布的对称性，但是不同熔体流动速率的材料其焊区温度和粘度分布不同，为达致此目的，可以通过改变两者的温度分布即加热历史，力求使两者的粘度适当并分布一致，从而获得良好的焊接质量。

   TN-13/2001认为，在相同的热驱动下，不同熔体流动速率的两种材料焊接，要先加热熔融指数高的材料，才会同时达到近乎一致的熔融深度。

为了达到不同MFR材料良好的焊接目的，往往对两种被焊材料的加工工艺要求是不同的。

熔体流动速率较高的材料可设定较高的温度，而熔体流动速率较低的材料可以通过延长保温时间来获得合适的熔膜厚度，但是这操作起来比较困难，难于保证焊接质量，故此不予以提倡。

但是当两种材料的熔体流动速率在一定范围内时，试验证明可以达到良好的焊接效果。

   DVS2207认为：

MFR（190℃，5KG）=（O.3～1.7）g/lOmin的聚乙烯都是可焊的。

   GBl5555.1-2003中的要求是原材料熔体质量流动速率应在0.2～1.4g/10min，之间，且最大偏差不应超过混配料标称值的+20％。

  TSGD2001-2005《燃气用聚乙烯管道焊接技术安全规程》认为：

材料的熔体质量流动速率（MFR）差别值不小于0.5g/lOmin（190℃，5kg）。

四结论

（1）应尽量避免不同熔体流动速率的材料相焊接的情形。

（2）若无法避免，则建议在实际操作中，依据规范要求熔体流动速率应在0.3～1.3g/10min（190℃，5kg）范围内，且MFR差别值不大于0.5g/10min（190℃，5000g），并且相互焊接的聚乙烯管材的MFR最好位于同一分组内。

   （3）目前市场上的中密度PE80与PEl00管材存在焊接兼容问题，需引起重视，需加强材料的入库验收管理，应在PE材料的质保书中增加原料牌号和水含量检测报告，以便今后管网营运中做好质量跟踪，提高已使用工程材料追溯的准确性。

PE管热熔焊接工艺

　一、焊接准备。

热熔焊接施工准备工作如下：

　　①将与管材规格一致的卡瓦装入机架；

　　②准备足够的支撑物，保证待焊接管材可与机架中心线处于同一高度，并能方便移动；

　　③设定加热板温度200～230℃

　　④接通焊机电源，打开加热板、铣刀和油泵开关并试运行。

　　二、焊接。

焊接工艺流程如下：

检查管材并清理管端→紧固管材→铣刀铣削管端→检查管端错位和间隙→加热管材并观察最小卷边高度→管材熔接并冷却至规定时间→取出管材。

在焊接过程中，操作人员应参照焊接工艺卡各项参数进行操作，而且在必要时，应根据天气、环境温度等变化对其进行适当调整：

①外观检查。

核对欲焊接管材规格、压力等级是否正确，检查其表面是否有磕、碰、划伤，如伤痕深度超过管材壁厚的10%，应进行局部切除后方可使用；检查管子内外表面是否清洁光滑，是否有沟槽、划伤、凹陷、杂质和颜色不均等。

长度检查。

定尺管的长度应均匀一致，误差不应超过20mm。

注意检查管口端面是否与管子的轴线垂直，是否存在气孔，若有气孔则管材不合格。

颜色检查。

燃气管材应为黄色或黑色，当为黑色时管上必须有醒目的黄色条纹。

同时管材上应有连续的、间距不超过2m的永久性标志，写明用途（燃气或水）、原料牌号、标准尺寸、标准代号和顺序号、生产厂名或商标、生产日期。

用于焊制管件的管材的圆度应高于标准值，下料时要留出10-20mm的切削余量。

　　②用软纸或布蘸酒精清除两管端的油污或异物；

③将欲焊接的管材置于机架卡瓦内，使两端伸出的长度相当（在不影响铣削和加热的情况下尽可能短），管材机架以外的部分用支撑物托起，使管材轴线与机架中心线处于同一高度，选择合适的卡瓦，切削前必须将所焊管段夹紧。

用于管道连接时应将两待焊管材置于平坦的地面夹紧管材。

④用双面铣刀铣削焊口两端面，完全清除管端氧化层，使其连接端面吻合，且在同一轴线上。

置入铣刀，先打开铣刀电源开关，然后再合拢管材两端，并加以适当的压力，直到两端有连续的切屑出现后（切屑厚度为0.5～1mm，通过调节铣刀片的高度可调节切屑厚度），撤掉压力，略等片刻，再退开活动架，关闭铣刀电源。

⑤取出铣刀，合拢两管端，检查两端对齐情况（管材两端的错位量不能超过壁厚的10%，通过调整管材直线度和松紧卡瓦予以改善；如果错边大，会导致应力集中。

管材两端面间的间隙也不能超过0.3mm（de225mm以下）、0.5mm（de225mm~400mm）、1mm（de400mm以上），如不满足要求，应在此铣削，直到满足要求。

⑥拖动压力测试调压阀旋至最低值，按动前进按钮均匀缓慢加压，当机架开始移动时，此时压力即为拖动压力。

前后移动机架，观察机架移动过程中是否存在阻力。

拖动压力不是固定值，每个焊口的拖动压力都需测定，当拖动压力过大时，可采用垫短管等方法解决。

　　⑦加热板温度达到设定值后，放入机架，施加规定的压力，直到两边最小卷边达到规定高度时，压力减小到规定值（管端两面与加热板之间刚好保持接触，进行吸热），时间达到后，松开活动架，迅速取出加热板，然后合拢两管端，其切换时间尽量缩短，冷却到规定时间后，卸压，松开卡瓦，取出连接完成的管材。

三、焊接工艺参数与焊接直接有关的参数为：

温度、时间、压力。

焊接工艺曲线图表示为焊接过程压力与时间的关系图。

　　焊接工艺曲线图

Pa厂家提供的对焊压力Pa0拖动压力Pa1卷边压力pa2吸热压力pf1熔接压力pf2冷却压力ta1加热时间Tu切换时间（包括加热板撤出时间）tf1增压时间tf2冷却时间

Pa1卷边压力=（pao拖动压力）+（Pa厂家提供的对焊压力）（对焊压力理论依据：

pa1=a1*p0/a2a1：

管材截面积p0:

作用于管材上单位面积的力0.15N/MM2a2:

作用于液压缸活塞单位面积的力）

Pa2吸热压力=（Pa0拖动压力）+（1/10Pa厂家提供的对焊压力）

Pf1熔接压力=pf2冷却压力=（pao拖动压力）+（Pa厂家提供的对焊压力）溶融的分子在此压力下扩散缠绕结晶

●加热板温度指加热板表面温度，在测量温度时，要考虑环境温度的影响。

热板温度既要保证管材端面迅速熔融，又要保证焊制管件不因温度过高而发生降解。

Pe80管210±10℃Pe100管225±10℃

●卷边压力Pa1作用是对管材进行强制加热，去掉管材端面不平整的部分，使管材端面全部与加热板接触，均匀受热。

管材两边整个圆周都达到铭牌提供的参数高度

●卷边高度卷边高度用于衡量加热压力作用于管材截面的时间，即加压加热的程度。

●吸热压力约为熔融对接压力的1/10，它的作用主要是防止管材回弹，使管材紧贴在加热板上，提高加热效果，减少加热时间。

加热阶段的时间与焊制管件的横截面积、加热板温度、环境温度有关。

一般为管材壁厚*10

●熔融对接时间指保持熔融对接压力的时间，主要与管材的壁厚即熔融对接面积有关。

●切换周期热板熔融对焊的主要过程为加热过程和焊制过程。

这两个过程以热板的切换从时间上分开。

切换时间过长，熔化的端面在相互接触之前将因冷却而形成一层“冷皮”，不利于分子链的扩散。

●熔融对接压力指垂直作用于两个对接面上的压力，是焊接的关键，熔融对接过程应始终处于熔融压力之下进行。

●冷却由于塑料材料导热性差，冷却速度相应缓慢。

焊缝材料的收缩、结构的形成过程在长时间内以缓慢的速度进行。

因此，焊缝的冷却必须在一定的压力下进行。

　　四、焊接检验实践证明，聚乙烯燃气管道最容易损坏和泄露的部位，就是管道接口。

工程成功与失败的关键就是管道连接质量的好坏。

多根管道连接、阀门连接，管道碰头连接尤其重要。

由于阀门连接的特殊性，焊口与地面很难保证充分接触，一直处于不均匀受力状态，而且阀门较重，焊接压力较高，更需重视。

1：

连接单根管道、管件

①此种情况下由于拖动压力很小，基本不受外力作用，拖动压力大概0.3mpa

卷边压力Pa1=（Pa厂家提供的对焊压力）+0.3mpa

②吸热压力由于焊机设计问题（滑阀式换向阀本身不能长时间保压，08年以后公司配备环众焊机都为此种结构），油缸不能保压，将很快下降到零，由于无外力作用，在确保加热板与焊接端面紧密的条件下，开始吸热计时，要确保加热板与焊接端面间的紧密贴合

③熔融对接压力pf1=（Pa厂家提供的对焊压力）+0.3mpa

④冷却压力由于油缸不能保压，此时需通过外接压力表持续加压，直到冷却。

，

2：

连接多根根管道、阀门

1拖动压力测试，调压阀旋至最低值，按动前进按钮均匀缓慢加压，当机架开始移动时，此时压力即为拖动压力。

按常规施工经验估算拖动压力，4根de200一般为0.6-0.8mpa。

2按动前进按钮的同时，调节调压阀到卷边压力，卷边压力Pa1=（Pa厂家提供的对焊压力）+（Pa0拖动压力）。

管材两边整个圆周都达到铭牌提供的参数高度

3吸热压力按动前进按钮的同时，调节调压阀向下到（Pa0拖动压力）+（1/10Pa厂家提供的对焊压力或微弱正压），由于焊机设计问题，油缸不能保压，将很快下降到零，此时需一直按前进按钮，观察压力表读数，不断加压。

由于此时压力近似等于拖动压力，不会出现融化料挤出现像。

作用防止管材回弹，使管材紧贴在加热板上，提高加热效果，减少加热时间。

此条很重要

4冷却压力按动前进按钮的同时，调节调压阀到（Pa0拖动压力）+（Pa厂家提供的对焊压力），由于油缸不能保压，此时最好通过外接压力表持续加压，直到冷却。

由焊接原理可知，此步保压冷却是整个焊接工序的关键。

五检查焊环质量，焊缝宽度，高度符合规范要求为合格，否则割开重焊。

　　焊环尺寸（见图2）

图2合格热熔对接焊口示意图

　焊环的宽度：

B=0．35～0．45S

　　焊环的高度：

H=0．2～0．25S

　　环缝的高度：

h=0．1～0．2S

　　对上述系数的选取应遵循“小管径，选较大值；大管径，选较小值”原则。

内部质量：

通过斜切开焊口观察：

熔接界面均匀，没有裂缝、孔等缺陷。

进行焊口拉伸、弯曲试验等，焊口的抗拉强度、延伸性等性能指标是符合规范要求。

表1

序号

焊环情况

产生原因

1

翻边尖央没同管壁接触，高度过低

对接压力不足或加热温度过低

2

翻边高度过大

对接压力过大

3

两环宽度差距过大

可能是由于两管材材料牌号不同或加热板两边温度不均匀

4

两环轴线不在同一条直线上

装卡管材时未能保证同心或两管材外径偏差

5

环不均匀

对接端面铣削不平、对接卡装夹具轴向间隔较大或加热板温度不均匀

6

过窄变形卷边

熔接压力过大

（1）虚焊

热熔对接焊接时出现的虚焊，主要是对接焊机夹具行程不够和对接时夹具速度太快而引起虚焊的两种情况。

1、对接焊机夹具行程不够，两连接件对接前用铣刀铣平管口后进行焊前试碰，碰对后在夹具行程杆上应看到有一定的行程余量，行程余量应不小于20mm为宜。

若不注意这种情况，在焊接过程中，夹具的行程余量不够时，焊接后表面上看对接的非常好，但实际上两对接件熔接的不够彻底，出现虚焊。

这是热熔对接焊中常出现而又不易觉察的题。

解决的办法是每次焊前都应注意留有足够的夹具行程余量。

2、对接件对碰时夹具速度过快。

两连接件经加热板加热后进行对碰，若对碰过程中夹具速度太快，在对碰瞬间，两连接件熔融部分大部分被挤压到内外壁两侧，致使溶合的部分不够充分而造成了虚焊，解决的办法是操作人员控制机具的速度要均匀，使熔接部分充分熔合。

（2）焊不透

出现这种情况的主要原因是加热时间不够。

一般情况下不同的管材、型号、规格的PE管，其焊接加热时间在出厂时都有规定，但所给加热时间是在环境温度为20&C、有微风时设定的，当环境温度低于20&C和风力较大时，若按设定的加热时间进行加热焊接，焊接后表面上与正常时焊接没有多大区别，实际上没焊透，解决办法是当遇到施工环境温度低于20&C和风力较大时，应根据管材不同型号、规格适当调整加热时间。

（3焊口碳化

发生这种质量问题的原因是加热时间过长，与焊不透的情况正好相反，对于热熔对接焊，有些施工人员认为焊接过程中加热时间越长，焊接效果越好，而事实恰好相反，PE管在加热时间过长时，会出现碳化现象，严重影响到焊接质量。

　　必须注意观察管内壁成形情况，存在外壁成形较好而内壁难以成形，环尖端没同管壁接触的情况，这会直接增大管壁阻力影响流通能力。

三个环节质量关

　　把好焊前检查、焊接过程、焊后检查三个环节质量关，落实焊工负责制，施工管理人员做好监督、检查工作。

（1）焊前检查：

管材划伤、管内壁杂物、管材标识、加热板较脏、对接错边量、管端面脏等问题。

（2）焊接过程：

严格按焊接作业指导书进行，注意几个事项：

　　①卡装管材时要控制好移动夹具的位置和管材伸出夹具的自由长度，避免造成移动夹具的行程已尽。

　　②铣管材端面时，要形成连续的切屑，先降压，再打开夹具，最后关闭铣刀。

　　③控制焊接过程拖动压力。

　　④吸热阶段避免由于管材自重或其他外力作用产生往后的拉力，造成管材与加热板分离。

　　⑤夹具闭合后升压时应均匀升压，不能太快或太慢。

　　⑥若现场的环境温度与试验温度相差较大，可对个别参数进行适当调整。

　　⑦阴雨天气要及时做好避雨过措施。

　　（3）焊口检查：

根椐评定标准对焊口进行检查，不合格的切掉。

六PE燃气管不同环境温度焊接

根据《城镇燃气输配工程施工及验收规范》规定：

焊接环境应当防范不良气候影响，管道连接应在环境温度一5—45~C范围内进行。

当环境温度低于50C或在风力大于5级条件下施工时，应采用防风、保温措施等，以保证需要焊接的焊接面有足够的温度，在炎热的夏季施工时应采取遮阳措施。

当管材、管件存放处与现场温度较大时，连接前应将管材、管件在施工现场搁置一段时间，使其温度和施工现场温度接近。

七目前施工过程中存在的工艺操作缺陷

①未进行拖动压力测试初始拖动压力是整个焊接过程的基础，无拖动压力数据，此后所有的吸热压力、卷边压力、熔融冷却压力便无从谈起。

②调压方法不正确未按照焊机面板参数表准确调压，而是按照经验调高或调低压力。

③吸热时间不能准确控制不使用计时器或计时器损坏，按经验观察焊口熔化料的状态来确定吸热时间。

④阀门焊接过程中，阀门底部垫板无足够的机架活动行程，造成阀门与土壤接触，压力增大或不均匀。

为防止阀门反弹，盲目在吸热过程中增大压力，造成熔化料挤出。

吸热压力、冷却压力不能按焊接参数保持不变。

5铣好后的端面用手触摸以除去脏物，此过程应在铣削前进行

6冷天、大风天保温防风措施不足

聚乙烯管SDR11热熔焊接施工技术因具备施工时诸多优点得到快速推广，但由于目前缺乏无损检测手段，因此，主要凭借焊环判断接口质量，因此，施工时必须编制详细的施工组织设计，并通过实验段焊接，确定各品种规格的PE管焊接工艺指导书。

在施工过程中，严格按程序操作，按规定的工艺参数和步骤进行管件的焊接和安装，并对焊环外观质量和几何尺寸严格把关，以确保施工质量。

针对原焊机缺陷，拟改动如下：

原焊机液压原理简图

改进后液压图