聚乙烯燃氣管道電熔焊接噴料問題及對策

陳學林（廣西霈普市政工程建設有限公司，廣西 寧市 530022）

聚乙烯管道電熔焊接的原理即利用電熔焊機給鑲嵌在電熔管件內(nèi)壁的電阻絲通電加熱，產(chǎn)生的能量使管材和管件的連接界面熔融，熔融物在高溫和壓力作用下，分子鏈段相互擴散，當界面上互相擴散的深度達到了分子鏈纏結所必須的尺寸，自然冷卻后界面就可以達到必要的焊接強度，把管道可靠地連接[1]。

我國在使用聚乙烯管材的早期，一些管材管件生產(chǎn)商專門設計了符合自身產(chǎn)品特點的電熔焊機，以便形成獨特的銷售鏈，保持其產(chǎn)品市場占有率。但隨著聚乙烯管道產(chǎn)品的廣泛應用，國內(nèi)涌現(xiàn)了許多管材、管件、焊接設備生產(chǎn)商，建設方和施工方未必選擇同一廠家的管材、管件和焊機，不同的管材、管件和焊機在焊接時是否兼容，是否出現(xiàn)焊接問題，一直為業(yè)界關注。

實際情況表明，安裝時使用的管件、管材、電熔焊機不是同一廠家產(chǎn)品時，電熔焊接易出現(xiàn)焊接噴料現(xiàn)象，故有必要對其產(chǎn)生的原因進行分析并設法解決。

根據(jù)國外實踐經(jīng)驗證實，管道能否形成可靠焊接，主要由電熔管件的設計、電阻絲的溫度-電阻特性、電熔焊機輸出電壓的穩(wěn)定性、管件和管材的材料性質(zhì)、連接界面的處理情況、連接界面縫隙的寬度和均勻性、管件和管材的對中、和夾持穩(wěn)定狀況、焊接工藝參數(shù)（電壓、電流、時間）、焊接時環(huán)境溫度、操作人員的水平等因素決定。[1]本文通過分析實際施工中的遇到的問題，用排除法確定最有可能造成噴料的原因，從而采取相應對策。

1 焊接噴料問題描述

某施工單位采購的一批Φ63 燃氣電熔套筒，與另一廠家的Φ63 燃氣管材焊接配套使用，全自動電熔焊機為管材生產(chǎn)商自己研發(fā)的早期配套焊機，結果在不同的工地發(fā)生了約20 起電熔焊接噴料的情況。發(fā)生噴料的管件焊接面上的電阻絲嚴重移位，管材嚴重變形，顯示其焊接時功率異常偏高。當時焊接的各種影響因素見表1。

表1 焊接影響因素分析

從表中可以看出，直接導致管件在焊接過程噴料的影響因素是：焊接電源、電阻絲質(zhì)量、焊機完好狀況。為此，本文逐一對這三個因素進行分析。

2 噴料原因分析

2.1 焊接電源類型的影響—電源錯誤造成的能量輸入偏差

國內(nèi)專業(yè)電熔焊機生產(chǎn)商長期試驗后的驗證結果表明，在相同額定輸出電壓下，直流電熔焊機的實際功率明顯大于交流焊機，故直流電熔焊機焊接時發(fā)熱比較迅猛。由于PE 材料是熱的不良導體，吸熱和散熱均較為緩慢，因此用直流電熔焊機焊接容易導致焊接噴料現(xiàn)象。正是由于這個原因，目前國內(nèi)外普遍采用交流電熔焊機焊接，避免產(chǎn)生焊接噴料，包括早期采用直流焊機的PE管生產(chǎn)商也都逐漸向交流焊機轉換，采用直流焊機的焊接案例越來越小。咨詢國內(nèi)其他焊機生產(chǎn)廠后得知，在PE 電熔連接領域，D315 及以下規(guī)格電熔焊機焊接通常設置成39.5V的標準電壓，同時按照相關施工規(guī)范規(guī)定，其輸出電壓的波動范圍控制在39.5±0.5V 之間，國內(nèi)電熔管件的生產(chǎn)商也把電熔管件按交流電壓焊接進行參數(shù)設計。

而施工單位出現(xiàn)焊接噴料的實際情況是：施工人員未仔細閱讀管件說明書的要求，誤以為焊接電源無須區(qū)分交流或直流，只要輸出電壓達到39.5±0.5V 即可；本次噴料的管件使用了直流焊機，而管件說明書卻是要求用交流電焊接，結果在焊接時間尚未完成前的2～3 秒，電熔管件的發(fā)熱值已超出設計值，從而焊接面過熔，乃至噴料，說明焊機的電源與電熔管件要求的不一致時，有可能產(chǎn)生焊接噴料。施工單位后用管件生產(chǎn)商提供的普通交流焊機焊接，在正常的焊接條件和參數(shù)下，不再出現(xiàn)噴料現(xiàn)象。

然而，為什么這一批電熔管件用直流焊機焊接只有20個出現(xiàn)噴料，其他未出現(xiàn)這種情況呢？原來，電熔管件生產(chǎn)商在設計焊接時間時，已確保正常焊接時間距離易出現(xiàn)噴料的時間還有足夠的空間，故一般情況下，采用正常的交流電焊接，可確保不會出現(xiàn)噴料現(xiàn)象。使用直流焊機焊接交流電壓的管件，在焊接過程中，部分產(chǎn)品未出現(xiàn)噴料，除了設計焊接時間時預留了空間，還有一個主要原因是管件的電阻值有一定程度的波動，加上焊機輸出功率、電壓的波動，管材與管件的配合間隙、管材的橢圓度、環(huán)境溫度等眾多因素，決定了焊接過程中可能不噴料。盡管部分管件未出現(xiàn)噴料現(xiàn)象，但可以判定，采用直流焊機焊接交流電壓的電熔管件有可能存在不同程度過熔，只不過部分管件處于噴料臨界點下方，未出現(xiàn)噴料而已。

2.2 電阻絲電阻值的影響—管件自身電阻偏差造成的能量輸入偏差

既然電阻值的波動直接影響焊接質(zhì)量，那么發(fā)生噴料的管件，其電熱絲電阻是否存在問題呢？將這些有問題的20個管件和10個焊接正常的管件同時剖開檢查，用萬用表分別檢測了管件內(nèi)電熱絲的電阻，結果發(fā)現(xiàn)噴料的20個管件中，有8個管件的電熱絲電阻值均比質(zhì)量合格管件的小。根據(jù)功率計算式P=U2/R 得知，相同電壓情況下，電阻越小，功率越大，所以不難理解在相同的焊接時間下，電熱絲電阻偏小時，發(fā)熱量是增高的，故電熱絲質(zhì)量（阻值）不穩(wěn)定可以視為噴料的另一個主要原因。

2.3 焊機完好狀況的影響—電源波動造成的能量輸入偏差

對于給定的一個電熔管件，其內(nèi)部預埋的電阻絲的阻值是一定的，此時，電阻發(fā)熱消耗的功率只與焊機提供的電壓或電流有關[2]。

焊機提供的電壓（電流）值必須有一個上限，超出這個上限，電熱絲表面的熱負荷擴大，會使其周圍的樹脂過熱分解。當然，電壓也必須有一個下限，低于這個下限，電熱絲將無法充分發(fā)熱熔接界面的樹脂無法充分的繞結。

從這種意義上講，一個電熔焊機相當于一個穩(wěn)壓（穩(wěn)流）源，它必須具備在電源電壓波動很大的情況下，保持電熔管件提供的電壓（電流）不超過允許的波動范圍。這一指標是焊機的最主要指標之一。所以焊機的完好狀態(tài)對控制焊接質(zhì)量影響很大。

最后檢查焊機的完好狀況時發(fā)現(xiàn)這批用于焊接的焊機多為早期的直流焊機，出廠日期為2005～2006年。由于使用頻繁，設備已維修多次；臨時維修時，設備維修員曾用代用的電子元件更換過一些原廠件；部分焊機輸出接頭損壞，施工時，工人采用導線直接插到電熔管件的銅電極上焊接，隨時出現(xiàn)接觸不良的問題；用萬用表檢查兩臺焊機，實際輸出電壓差異較大，有些達到40.3V，有的只有38.7V，由于電熔管件的發(fā)熱功率與輸出電壓成平方關系，因此，這些焊機的輸出功率相差可達8.4%，對于需要精確控制焊接熱量的電熔管件來說，對焊接質(zhì)量的影響已經(jīng)比較明顯。

3 避免焊接噴料的幾點措施

1）采購時，必須向管件供應商了解管件的焊接工藝，了解管件適用于哪一種焊接電源；結合公司現(xiàn)有焊接設備，提供相應的工況參數(shù)給管件生產(chǎn)商，以便定制適合現(xiàn)有焊接設備的管件。

2）加強對供應商的供貨質(zhì)量評審，及時反饋產(chǎn)品質(zhì)量問題，督促其保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

3）現(xiàn)場焊接應嚴格按照材料使用說明書進行，不宜使用與說明書不一致的焊接電源(電熔焊機)，應選擇合適的與管件焊接參數(shù)相匹配的焊機。

4）加強焊接設備的維護保養(yǎng)，尤其對焊機上的指示儀表加強定期檢驗和校驗，減少示值誤差；不帶病工作，必要時更新?lián)Q代。

5）焊接前應認真測試焊接輸出電壓是否與管件使用說明書一致才決定是否進入下一步的焊接。

6）堅持規(guī)范的焊接操作，杜絕各種貪圖省事和不負責任的不良行為。

4 結語

及時分析焊接過程出現(xiàn)的問題采取措施解決，堅持一絲不茍地按焊接規(guī)程操作，電熔焊接出現(xiàn)的這類問題可以減少甚至避免，PE 燃氣管道的焊接質(zhì)量就可以得到較好地控制。

[1]李萍，劉國忠.電熔焊機電源設計[J].《焊接技術》.2010，（4）.50-52

[2]PE 生產(chǎn)廠家.詳解PE 管電熔焊機使用中的常見問 題［EB/OL］http://www.xingyaguanye.com/shownews.asp?id=282