一种精确控制电熔焊接过程中电熔管件焊接电压的方法与流程

本发明涉及塑料管件焊接技术，特别涉及一种精确控制电熔焊接过程中电熔管件焊接电压的方法。

背景技术：

聚乙烯管道以其质轻价廉、比强度大、比刚度高以及耐磨损、耐腐蚀、绝缘等优势正逐渐代替金属管道，成为埋地燃气管道发展的主流。我国目前新铺设的城市燃气管大多为聚乙烯管材。电熔焊接是聚乙烯燃气管道最主要的焊接方式之一。

自上世纪九十年代以来，国内外研究机构在聚乙烯管道接头力学性能和可靠性方面进行了一系列研究，在聚乙烯管道电熔接头缺陷分类方面，研究者主要考虑了焊接接头中的熔合面夹杂缺陷和孔洞缺陷，这些是可直接观察到的表观缺陷，但缺少对聚乙烯管道电熔接头所特有的、工程中却容易出现的冷焊缺陷(由于焊接输入热量不足或过多造成的接头性能达不到规定要求)进行研究。

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。

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。

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。电熔焊机采用控制输出电压的方式控制焊接电压，即在电熔焊机的电压输出端口测量电压，并与39.5v进行比较，若输出端口测得的电压低于39.5v，则提高输出电压，反之降低输出电压，从而使输出端口电压始终保持39.5v。

然而，这种控制方式默认假设连接焊机和管件的焊接线电阻相比管件电阻很小，因而在焊接线上几乎不产生压降。然而通过测量国内数家行业知名企业市售产品(包括从63mm～315mm的电熔管件)的电阻值，发现多数电熔管件的电阻均在0.6～1ω左右。而电熔焊机的焊接线按照国家标准gb/t20674.2-2006的规定，输出焊接线的长度不小于2.5m，实际电熔焊机为现场连线方便，其焊接线长度均超过3～5m。实际测量多台电熔焊机的输出焊接线的电阻，其电阻值均为0.05～0.1ω之间，达到了部分管件电阻的16.7％。采用这样的焊接线进行电熔焊接，会产生不同程度的冷焊缺陷，主要原因在于：(1)由于焊接线电阻的分压，使得实际加到电熔管件上的电压不足39.5v，因而电熔管件实际处于欠压焊接状态，自然会产生冷焊；(2)由于不同管件电阻不同，不同焊接线电阻也不同，因而电熔管件上欠压的幅度也各不相同，因而冷焊的程度也各不相同。

更严重的问题是，部分厂家在对焊接电压进行工艺试验时，一直采用使用年限长且未对焊接线检验的焊机进行焊接，因而其工艺试验时产品的焊接电压就已经低于39.5v，其在此基础上确定的焊接时间实际上是在低于39.5v下的焊接电压得到的焊接时间。由于焊接线分走多少电压取决于焊接线电阻和管件电阻，因而如果实际现场焊接的电熔焊机的焊接线是高质量低电阻的焊接线，可能使管件的焊接电压高于39.5v而造成过焊或甚至喷料的严重后果；若实际现场焊接的电熔焊机的焊接线是高电阻的焊接线，则可能使管件的焊接电压不同程度的低于39.5v而造成冷焊缺陷，且冷焊的程度无法预计。

综上所述，只有精确地控制电熔管件上的焊接电压，才能有效的避免电熔接头的冷焊或过焊缺陷，保障电熔焊接接头的可靠性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种精确控制电熔焊接过程中电熔管件焊接电压的方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种精确控制电熔焊接过程中电熔管件焊接电压的方法，包括以下步骤：

(1)测量焊接线初始电阻值

将两根焊接线分别接至电熔焊机的电源正负极，焊接线的末端相互短接；控制电熔焊机的输出电压从零开始逐渐增加，并持续测量焊接电路中的电压值与电流值，当电流值达到电熔焊机满电流幅值的50％时停止电压输出；获得该过程中的伏安特性曲线，然后计算得到焊接线的电阻值rw；

(2)测量电熔管件内部预埋电阻丝的电阻值

将两根焊接线的末端分别连接至电熔管件的接线插口；控制电熔焊机的输出电压从零开始逐渐增加，并持续测量焊接电路中的电压值与电流值，当电流值达到电熔焊机满电流幅值的50％时停止电压输出；获得该过程中的伏安特性曲线，计算得到焊接电路中焊接线与电熔管件内部预埋电阻丝的初始总电阻值r0；再根据步骤(1)中焊接线电阻rw，得到电阻丝的初始电阻rf0＝r0-rw；

(3)测量焊接过程中总电阻值的变化情况

在实际焊接过程中，实时测量焊接电路中的电压和电流，以获取焊接线与电熔管件内部电阻丝总电阻值rt的变化情况；根据焊接线的电阻值rw，得到电熔管件内部预埋电阻丝的阻值rft＝rt-rw；

(4)通过控制焊机输出电压来精确控制电熔管件上的焊接电压

电熔管件上焊接电压uf与电熔焊机的输出电压ut之间为电阻分压关系：

在整个焊接过程中，根据实时获得的电阻丝阻值rft和焊接电路中总电阻rt，通过调整焊机输出电压ut来实现对电熔管件上焊接电压uf的精确控制。

本发明中，在所述步骤(1)中，先将两根焊接线的末端短接，然后开始增加输出电压的测量过程；或者，先开始增加输出电压的测量过程，随后立即将两根焊接线的末端短接。

本发明中，在所述步骤(1)和(2)中，控制输出电压的增加幅度，使测量时间不大于2s，避免测量时间过长升温产生热量，影响电阻值的测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明的方法能够有效的消除焊接线自身电阻导致的压降的影响，从而可以实现精确控制电熔接头上的焊接电压，使其符合工艺要求。

(2)本发明可以方便地运用到现有的数字式焊机当中，使其成为具有精确控制电熔焊接过程中电熔管件上焊接电压的新型电熔焊机，改造成本很低，但获得的技术效果明显，所带来的经济效益显著。

附图说明

图1为本发明中的电熔焊机控制框图。

附图标记：1电熔焊机；2焊接线。

具体实施方式

本发明的控制框图如图1所示，精确控制电熔焊接过程中电熔管件焊接电压的方法，主要包括以下步骤：

(1)测量焊接线初始电阻值

将两根焊接线分别接至电熔焊机的电源正负极，焊接线的末端相互短接；短接方式可以是先将两根焊接线的末端短接，然后开始增加输出电压的测量过程；或者，先开始增加输出电压的测量过程，随后立即将两根焊接线的末端短接。然后控制电熔焊机的输出电压从零开始逐渐增加，并持续测量焊接电路中的电压值与电流值，当电流值达到电熔焊机满电流幅值的50％时停止电压输出；获得该过程中的伏安特性曲线，然后计算得到焊接线的电阻值rw；

(2)测量电熔管件内部预埋电阻丝的电阻值

将两根焊接线的末端分别连接至电熔管件的接线插口；控制电熔焊机的输出电压从零开始逐渐增加，并持续测量焊接电路中的电压值与电流值，当电流值达到电熔焊机满电流幅值的50％时停止电压输出；获得该过程中的伏安特性曲线，计算得到焊接电路中焊接线与电熔管件内部预埋电阻丝的初始总电阻值r0；再根据步骤(1)中焊接线电阻rw，得到电阻丝的初始电阻rf0＝r0-rw；

(3)测量焊接过程中总电阻值的变化情况

在实际焊接过程中，实时测量焊接电路中的电压和电流，以获取焊接线与电熔管件内部电阻丝总电阻值rt的变化情况；根据焊接线的电阻值rw，得到电熔管件内部预埋电阻丝的阻值rft＝rt-rw；

(4)通过控制焊机输出电压来精确控制电熔管件上的焊接电压

电熔管件上焊接电压uf与电熔焊机的输出电压ut之间为电阻分压关系：

在整个焊接过程中，根据实时获得的电阻丝阻值rft和焊接电路中总电阻rt，通过调整焊机输出电压ut来实现对电熔管件上焊接电压uf的精确控制。

在步骤(1)和(2)的测量过程中，控制输出电压的增加幅度，使测量时间不大于2s，避免测量时间过长升温产生热量，影响电阻值的测量精度。由于整个测量过程时间很短，在该测量时间内焊接线和电阻丝所产生的热量也极其微小，因此在计算过程中不考虑温度变化对电阻值的影响。此外，由于焊接线相对于电阻丝组装较小，在整个焊接过程中焊接线的温度变化很小，可以视为在实际焊接过程中焊接线电阻值rw不变，以方便计算和控制。测量所得焊接线的阻值数据可以存储在电熔焊机中，如果后续焊接过程未更换焊接线，就不必每次焊接前均进行一次针对焊接线的测量操作。同时，考虑到局部接触不良导致接触电阻过大或意外短接人体等原因，可以设置焊接线的电阻值大于200ω后将会进行报警。

具体实施例子：

某电熔焊机采用焊接线电阻为0.09ω的焊接线，对内部预埋电阻丝阻值为0.85ω的电熔管件进行焊接，其焊接电压为39.5v，焊接时间为110s。则整个焊接过程如下：

(1)测量焊接线电阻值

在焊接开始前，将电源线进行短接而后点击测量焊接线电阻值按键，测量得到焊接线电阻值0.09ω；

(2)测量电熔管件内部预埋电阻丝的阻值

将焊接线与电熔管件进行连接，点击焊机上增设的测量电阻丝初始阻值按键，测量得到电熔管件的初始电阻0.85ω；

(3)焊接过程中的控制阶段

获取电熔管件上焊接时间、焊接电压等焊接参数后开始焊接，焊机的输出电压按如下方法获得：

式中：rf0＝0.85ω，r0＝0.85+0.09＝0.94ω，uf0＝39.5v

从而可以计算焊机的初始输出电压ut0＝43.7v。

在焊接过程中，焊机将会实时测量焊接电路中的电压和电流，以获取总电阻的阻值及电阻丝的阻值的变化情况，根据电阻丝在总电阻中的分压关系：

得到电熔焊机的输出电压：

式中：rft为电阻丝的电阻，rt＝rft+0.09(ω)，uf＝39.5v

通过控制焊机输出电压ut来实现电熔管件上焊接电压的精确控制。