聚乙烯燃气管道电熔焊接喷料问题及对策

2011-08-26陈学林广西霈普市政工程建设有限公司广西宁市530022

中国建材科技 2011年4期

陈学林（广西霈普市政工程建设有限公司，广西宁市 530022）

聚乙烯管道电熔焊接的原理即利用电熔焊机给镶嵌在电熔管件内壁的电阻丝通电加热，产生的能量使管材和管件的连接界面熔融，熔融物在高温和压力作用下，分子链段相互扩散，当界面上互相扩散的深度达到了分子链缠结所必须的尺寸，自然冷却后界面就可以达到必要的焊接强度，把管道可靠地连接[1]。

我国在使用聚乙烯管材的早期，一些管材管件生产商专门设计了符合自身产品特点的电熔焊机，以便形成独特的销售链，保持其产品市场占有率。但随着聚乙烯管道产品的广泛应用，国内涌现了许多管材、管件、焊接设备生产商，建设方和施工方未必选择同一厂家的管材、管件和焊机，不同的管材、管件和焊机在焊接时是否兼容，是否出现焊接问题，一直为业界关注。

实际情况表明，安装时使用的管件、管材、电熔焊机不是同一厂家产品时，电熔焊接易出现焊接喷料现象，故有必要对其产生的原因进行分析并设法解决。

根据国外实践经验证实，管道能否形成可靠焊接，主要由电熔管件的设计、电阻丝的温度-电阻特性、电熔焊机输出电压的稳定性、管件和管材的材料性质、连接界面的处理情况、连接界面缝隙的宽度和均匀性、管件和管材的对中、和夹持稳定状况、焊接工艺参数（电压、电流、时间）、焊接时环境温度、操作人员的水平等因素决定。[1]本文通过分析实际施工中的遇到的问题，用排除法确定最有可能造成喷料的原因，从而采取相应对策。

1 焊接喷料问题描述

某施工单位采购的一批Φ63 燃气电熔套筒，与另一厂家的Φ63 燃气管材焊接配套使用，全自动电熔焊机为管材生产商自己研发的早期配套焊机，结果在不同的工地发生了约20 起电熔焊接喷料的情况。发生喷料的管件焊接面上的电阻丝严重移位，管材严重变形，显示其焊接时功率异常偏高。当时焊接的各种影响因素见表1。

表1 焊接影响因素分析

从表中可以看出，直接导致管件在焊接过程喷料的影响因素是：焊接电源、电阻丝质量、焊机完好状况。为此，本文逐一对这三个因素进行分析。

2 喷料原因分析

2.1 焊接电源类型的影响—电源错误造成的能量输入偏差

国内专业电熔焊机生产商长期试验后的验证结果表明，在相同额定输出电压下，直流电熔焊机的实际功率明显大于交流焊机，故直流电熔焊机焊接时发热比较迅猛。由于PE 材料是热的不良导体，吸热和散热均较为缓慢，因此用直流电熔焊机焊接容易导致焊接喷料现象。正是由于这个原因，目前国内外普遍采用交流电熔焊机焊接，避免产生焊接喷料，包括早期采用直流焊机的PE管生产商也都逐渐向交流焊机转换，采用直流焊机的焊接案例越来越小。咨询国内其他焊机生产厂后得知，在PE 电熔连接领域，D315 及以下规格电熔焊机焊接通常设置成39.5V的标准电压，同时按照相关施工规范规定，其输出电压的波动范围控制在39.5±0.5V 之间，国内电熔管件的生产商也把电熔管件按交流电压焊接进行参数设计。

而施工单位出现焊接喷料的实际情况是：施工人员未仔细阅读管件说明书的要求，误以为焊接电源无须区分交流或直流，只要输出电压达到39.5±0.5V 即可；本次喷料的管件使用了直流焊机，而管件说明书却是要求用交流电焊接，结果在焊接时间尚未完成前的2～3 秒，电熔管件的发热值已超出设计值，从而焊接面过熔，乃至喷料，说明焊机的电源与电熔管件要求的不一致时，有可能产生焊接喷料。施工单位后用管件生产商提供的普通交流焊机焊接，在正常的焊接条件和参数下，不再出现喷料现象。

然而，为什么这一批电熔管件用直流焊机焊接只有20个出现喷料，其他未出现这种情况呢？原来，电熔管件生产商在设计焊接时间时，已确保正常焊接时间距离易出现喷料的时间还有足够的空间，故一般情况下，采用正常的交流电焊接，可确保不会出现喷料现象。使用直流焊机焊接交流电压的管件，在焊接过程中，部分产品未出现喷料，除了设计焊接时间时预留了空间，还有一个主要原因是管件的电阻值有一定程度的波动，加上焊机输出功率、电压的波动，管材与管件的配合间隙、管材的椭圆度、环境温度等众多因素，决定了焊接过程中可能不喷料。尽管部分管件未出现喷料现象，但可以判定，采用直流焊机焊接交流电压的电熔管件有可能存在不同程度过熔，只不过部分管件处于喷料临界点下方，未出现喷料而已。

2.2 电阻丝电阻值的影响—管件自身电阻偏差造成的能量输入偏差

既然电阻值的波动直接影响焊接质量，那么发生喷料的管件，其电热丝电阻是否存在问题呢？将这些有问题的20个管件和10个焊接正常的管件同时剖开检查，用万用表分别检测了管件内电热丝的电阻，结果发现喷料的20个管件中，有8个管件的电热丝电阻值均比质量合格管件的小。根据功率计算式P=U2/R 得知，相同电压情况下，电阻越小，功率越大，所以不难理解在相同的焊接时间下，电热丝电阻偏小时，发热量是增高的，故电热丝质量（阻值）不稳定可以视为喷料的另一个主要原因。

2.3 焊机完好状况的影响—电源波动造成的能量输入偏差

对于给定的一个电熔管件，其内部预埋的电阻丝的阻值是一定的，此时，电阻发热消耗的功率只与焊机提供的电压或电流有关[2]。

焊机提供的电压（电流）值必须有一个上限，超出这个上限，电热丝表面的热负荷扩大，会使其周围的树脂过热分解。当然，电压也必须有一个下限，低于这个下限，电热丝将无法充分发热熔接界面的树脂无法充分的绕结。

从这种意义上讲，一个电熔焊机相当于一个稳压（稳流）源，它必须具备在电源电压波动很大的情况下，保持电熔管件提供的电压（电流）不超过允许的波动范围。这一指标是焊机的最主要指标之一。所以焊机的完好状态对控制焊接质量影响很大。

最后检查焊机的完好状况时发现这批用于焊接的焊机多为早期的直流焊机，出厂日期为2005～2006年。由于使用频繁，设备已维修多次；临时维修时，设备维修员曾用代用的电子元件更换过一些原厂件；部分焊机输出接头损坏，施工时，工人采用导线直接插到电熔管件的铜电极上焊接，随时出现接触不良的问题；用万用表检查两台焊机，实际输出电压差异较大，有些达到40.3V，有的只有38.7V，由于电熔管件的发热功率与输出电压成平方关系，因此，这些焊机的输出功率相差可达8.4%，对于需要精确控制焊接热量的电熔管件来说，对焊接质量的影响已经比较明显。