熱板溫度的控制要求與檢測(cè)方法的探討

吳文棟，李茂東，涂 欣，笪 菁

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510663）

熱板溫度的控制要求與檢測(cè)方法的探討

吳文棟，李茂東，涂 欣，笪 菁

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510663）

綜述了目前國(guó)內(nèi)熱熔焊機(jī)熱板溫度控制存在的常見問題，分析了產(chǎn)生問題的主要原因，為明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱板溫度控制要求的規(guī)定，探討了全自動(dòng)熱熔焊機(jī)熱板溫度的控制要求和檢測(cè)方法。

全自動(dòng)熱熔焊機(jī)；熱板溫度；控制要求；檢測(cè)方法

0 前言

聚乙烯（PE）燃?xì)夤艿烙脽崛酆笝C(jī)是通過熱板直接接觸待焊管材端面，并在一定界面作用力下，使管材端面達(dá)到所要求的熔融狀態(tài)，將管材相互連接在一起的設(shè)備。熱板作為熱熔焊機(jī)的關(guān)鍵部件，直接控制焊接溫度，影響管材端面的熔融情況，從而決定焊口的焊接質(zhì)量。從高分子聚合物的性質(zhì)[1]和加工原理[2-4]可知，如果熱板溫度過低，則不能使管材端面充分熔融，PE高分子鏈達(dá)不到充分解纏與接觸，直接影響焊接強(qiáng)度；如果熱板溫度過高，則很容易導(dǎo)致部分PE高分子鏈發(fā)生斷裂與分解，分子量下降直接影響焊接強(qiáng)度；如果熱板表面各點(diǎn)溫度偏差過大，導(dǎo)致部分未達(dá)到充分熔融而另一部分已發(fā)生分解。因此，熱板溫度的控制水平的提高及檢測(cè)方法的規(guī)范對(duì)控制焊機(jī)質(zhì)量和焊接質(zhì)量是極其重要的。

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱熔焊機(jī)熱板的尺寸、材料及表面處理、溫度控制要求給出了一定的規(guī)定，但是從筆者單位對(duì)廣州地區(qū)施工單位送檢的各品牌的全自動(dòng)熱熔焊機(jī)性能的檢測(cè)結(jié)果來看，存在不少焊機(jī)熱板的溫度出現(xiàn)顯著偏高或偏低，甚至整個(gè)熱板表面溫度最大差值超過20℃[5]。這可能與目前缺乏強(qiáng)制性型式檢驗(yàn)和規(guī)范的出廠檢驗(yàn)有關(guān)，同時(shí)與對(duì)熱板溫度的控制要求規(guī)定和檢測(cè)方法完善程度有關(guān)。

本文從現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出發(fā)，結(jié)合目前熱熔焊機(jī)熱板存在的常見問題，分析了溫度控制的現(xiàn)狀，探討了熱板溫度控制要求和有效可行的檢測(cè)方法。

1 現(xiàn)狀與存在的問題及原因分析

從全自動(dòng)熱熔焊機(jī)性能檢測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，不少熱熔焊機(jī)熱板既存在尺寸過小的問題，又存在熱板表面溫度偏差過大的問題。

其一，部分焊機(jī)熱板的尺寸偏小。一方面，較，可明顯看出焊接最大規(guī)格管材時(shí)熱板有效面積偏小。從圖2可看出，有些焊機(jī)的熱板的邊緣帶有螺絲孔，盡管熱板直徑較大，但實(shí)際有效尺寸低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20674.1-2006[6]要求。另一方面，部分焊機(jī)熱板厚度也偏小。圖1熱板厚度約為20 mm，是檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)較薄的熱板。這可能與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱板厚度未作明確規(guī)定有關(guān)。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)既要規(guī)定熱板直徑和厚度偏差以及熱容量，同時(shí)對(duì)各型號(hào)熱板的厚度也需要給出明確的規(guī)定。如圖1所示，某一品牌的250型熱熔焊機(jī)熱板的最大直徑為264 mm，與機(jī)架上的最大規(guī)格夾具比

圖1 某一品牌250型熱熔焊機(jī)的熱板

圖2 某一品牌400型熱熔焊機(jī)的熱板

其二，大部分焊機(jī)熱板存在顯示溫度與設(shè)定工作溫度偏差較大的問題。盡管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定熱板顯示的工作溫度與設(shè)定溫度的偏差應(yīng)小于±5℃，但檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)大部分焊機(jī)需要校準(zhǔn)后才滿足要求。一方面，這與焊機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用后未進(jìn)行檢測(cè)與校準(zhǔn)有關(guān)；另一方面，不少全自動(dòng)熱熔焊機(jī)程序設(shè)定的工作溫度范圍較寬，這導(dǎo)致熱板溫度一段時(shí)間內(nèi)時(shí)而明顯偏高或偏低，存在溫度周期性波動(dòng)的現(xiàn)象。

其三，不少焊機(jī)熱板溫度存在明顯的溫度不均勻問題。盡管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定熱板在-10℃到+40℃環(huán)境溫度下，在170℃至260℃范圍內(nèi)溫度控制系統(tǒng)應(yīng)能確保加熱板工作區(qū)域任一點(diǎn)的溫度偏差小于±7℃，但是發(fā)現(xiàn)不少焊機(jī)熱板最高溫度與最低溫度的差值超過14℃。例如某一施工單位送檢一臺(tái)新買的某品牌315型熱熔焊機(jī)，其熱板溫度檢測(cè)結(jié)果為220.1℃～239.7℃，平均溫度為224.5℃，此時(shí)焊機(jī)設(shè)定的工作溫度為230℃。其原因這既與熱板本身加熱系統(tǒng)有關(guān)，又與該品牌的熱板裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)。從圖3可看出，一方面，該類型熱板兩側(cè)的溫度與內(nèi)部發(fā)熱絲或發(fā)熱片的接觸緊密程度以及熱膨脹系數(shù)有關(guān)；另一方面，固定熱板在機(jī)架上的裝置結(jié)構(gòu)對(duì)熱板溫度均勻性有較顯著的影響，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該類型的熱板固定支架端在未采取良好隔溫處理前，其溫度可達(dá)到120℃左右，從而導(dǎo)致與固定支架端熱板溫度顯著偏低。

圖3 某一品牌熱熔焊機(jī)機(jī)架上固定的熱板

其四，某些焊機(jī)的相同型號(hào)熱熔焊機(jī)的熱板互換后出現(xiàn)溫度偏差的現(xiàn)象。對(duì)于半自動(dòng)型焊機(jī)來說，由于熱板溫度由獨(dú)立溫控裝置控制，其溫度控制與主機(jī)無關(guān)。但對(duì)于全自動(dòng)型焊機(jī)來說，熱板溫度是由主機(jī)控制，直接更換熱板一般不能完全滿足要求，建議更換后進(jìn)行溫度的校準(zhǔn)。

其五，不少廠家對(duì)焊機(jī)熱板溫度的自檢既不夠規(guī)范又不夠準(zhǔn)確。在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，不少焊機(jī)經(jīng)廠家校準(zhǔn)后溫度控制仍超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，其原因在于，有些廠家檢測(cè)溫度時(shí)，既未對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行記錄，又存在測(cè)量整個(gè)熱板表面的溫度點(diǎn)數(shù)量過少的問題。這容易導(dǎo)致對(duì)熱板溫度實(shí)際情況缺乏準(zhǔn)確檢查，同時(shí)無法有效地對(duì)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

2 溫度控制要求的明確化與具體化

盡管現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱板諸如同種尺寸和型號(hào)的熱熔焊機(jī)的熱板應(yīng)可互換、尺寸、表面平面度、材料導(dǎo)熱性、表面處理與防護(hù)等方面的要求，同時(shí)規(guī)定了對(duì)熱板的溫度控制與熱容量等方面的要求，但這對(duì)目前大量使用的全自動(dòng)熱熔焊機(jī)來說，存在一定的局限性。這導(dǎo)致不少焊機(jī)廠家設(shè)置的熱板溫度允許工作范圍存在明顯的差異，對(duì)全自動(dòng)熱熔焊機(jī)的設(shè)定溫度和熱板顯示溫度及實(shí)際溫度等存在不同的看法。

從焊機(jī)檢測(cè)結(jié)果和焊機(jī)廠家反饋的信息中發(fā)現(xiàn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求存在理解差異與控制差異主要表現(xiàn)如下幾個(gè)方面。

其一，對(duì)熱板的溫度表示存在差異。有些認(rèn)為屏幕上顯示的溫度即為熱板的實(shí)際溫度，這是不完全恰當(dāng)?shù)摹Ｓ捎跓岚骞ぷ鲄^(qū)域面積較大，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，各點(diǎn)的溫度既存在差別，又存在一定的波動(dòng)性。因此，熱板的溫度應(yīng)表述為統(tǒng)計(jì)的平均溫度，而對(duì)于此種情況采用算術(shù)平均值即可。如果各點(diǎn)的溫度偏差均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，各點(diǎn)溫度的總的平均值可以較好地描述熱板的溫度。而屏幕顯示的溫度值為溫度傳感器測(cè)得值，因此實(shí)際溫度既與溫度傳感器的精度和傳感熱板溫度部位有關(guān)，又與其對(duì)應(yīng)性有關(guān)。因此，熱板的顯示溫度應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn)，而不只是對(duì)溫度儀表的檢定。

其二，對(duì)焊機(jī)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求與相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定相混淆。盡管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20674.1-2006要求不超過熱板的顯示溫度不超過設(shè)定值的±5℃且各點(diǎn)溫度偏差不超過±7℃，由于TSG D2002-2006[7]給出的推薦性焊接參數(shù)表中提到225℃±10℃（焊接PE100管材時(shí)）或210℃± 10℃（焊接PE80管材時(shí)），不少廠家認(rèn)為熱板溫度的顯示偏差允許為±10℃或各點(diǎn)溫度偏差為±10℃。其實(shí)這應(yīng)理解為焊接PE100管材時(shí)，設(shè)置的熱板溫度不超過215℃～235℃范圍，而熱板本身的溫度偏差與顯示偏差仍應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

其三，設(shè)置的熱板溫度允許工作范圍存在差異。只有個(gè)別品牌的熱板工作溫度等于設(shè)定溫度，即顯示溫度等于設(shè)定溫度時(shí)才允許焊接；而大部分焊機(jī)設(shè)置的允許工作溫度范圍較寬，比如允許工作溫度為210℃±5℃、225℃±5℃、230℃±5℃、230℃（+10℃，-5℃）等。

其四，熱板的工作溫度與選擇的焊接工藝參數(shù)表有關(guān)。當(dāng)熱板本身溫度偏差滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，實(shí)際的工作溫度與焊機(jī)選擇的焊接工藝參數(shù)表有關(guān)。目前工作溫度主要分為兩大類，一類是基于DVS 2207標(biāo)準(zhǔn)，另一類是基于WIS 4-32-08或BG（GAS）標(biāo)準(zhǔn)，后者溫度比前者較高。其實(shí)焊接參數(shù)的選取是由焊接工藝評(píng)定來確定的，但焊機(jī)熱板溫度的控制要求仍應(yīng)滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，也僅如此方可實(shí)現(xiàn)所選取的焊接參數(shù)。

為了保障焊接質(zhì)量，避免熱板溫度出現(xiàn)顯著偏差的問題，對(duì)于全自動(dòng)熱熔焊機(jī)熱板溫度控制應(yīng)滿足如下要求。

（1）熱板各部件完好；最大焊接區(qū)域內(nèi)涂層無明顯劃傷；防護(hù)板的隔熱和保護(hù)效果正常。

（2）溫度均勻性應(yīng)滿足在-10℃到＋40℃環(huán)境溫度下，任一個(gè)在170℃至260℃范圍內(nèi)的工作溫度，任一點(diǎn)的溫度與工作溫度的偏差應(yīng)小于±7℃。

（3）溫度顯示偏差應(yīng)滿足在-10℃到＋40℃環(huán)境溫度下，任一個(gè)在170℃至260℃范圍內(nèi)的工作溫度，熱板表面溫度平均值與工作溫度的偏差應(yīng)小于±5℃。

（4）考慮到熱板本身各點(diǎn)溫度的差異，設(shè)定的工作溫度允許范圍不宜超過±3℃。

（5）加熱板溫度未達(dá)到設(shè)定工作溫度，應(yīng)自動(dòng)不允許焊接。

3 檢測(cè)方法的統(tǒng)一與完善

采取統(tǒng)一的檢測(cè)方法和規(guī)范的檢驗(yàn)程序是確保獲得熱板表面實(shí)際溫度重要途徑，這既有利于檢查熱板的質(zhì)量，又有利于促進(jìn)焊機(jī)技術(shù)的提高。

為了有效地檢查和判定熱板溫度是否正常，既要考慮溫度的統(tǒng)計(jì)分布性，又要考慮焊機(jī)熱板工作的特點(diǎn)，因此既需要確定足夠數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，又需要選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量溫度時(shí)間。對(duì)于全自動(dòng)型熱熔焊機(jī)，盡管不同品牌焊機(jī)熱板加熱特點(diǎn)與供電情況不同，由于焊機(jī)具有自動(dòng)檢測(cè)和判斷溫度達(dá)到焊接工作溫度功能，選擇測(cè)量溫度時(shí)間為焊機(jī)自動(dòng)判斷溫度達(dá)到即可。測(cè)量溫度的儀表精度宜不低于±0.1℃，且為接觸式測(cè)溫儀。如圖4所示，測(cè)量點(diǎn)宜沿?zé)岚逯行膶?duì)稱分布，兩側(cè)分別測(cè)量熱板的最大直徑與最小直徑圓周的溫度，最大直徑為允許焊接的最大管材的公稱外徑，最小直徑為允許焊接的最小管材的公稱直徑或90 mm。任一圓周兩點(diǎn)的圓心角為60°，因此，兩側(cè)各12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，總計(jì)24點(diǎn)。同時(shí)，有必要對(duì)熱板其他區(qū)域的溫度進(jìn)行抽查。

測(cè)量過程中，應(yīng)依序測(cè)量并記錄各點(diǎn)的測(cè)量值。測(cè)量完成后，計(jì)算各點(diǎn)溫度與設(shè)定溫度的偏差是否超出±7℃的范圍，各點(diǎn)溫度總平均值和各圓周溫度平均值與設(shè)定溫度是否超出±5℃的范圍。

圖4 測(cè)量熱板表面點(diǎn)分布示意圖

4 結(jié)束語

目前全自動(dòng)熱熔焊機(jī)熱板溫度的控制情況差異較大，存在的問題不容忽視。為了提高焊機(jī)熱板溫度的控制水平和焊接質(zhì)量，提出了較為全面而具體的控制要求，又提供了較為科學(xué)而規(guī)范的檢測(cè)程序與方法。

［1］ 何曼君，張紅玉，陳維孝，等.高分子物理：第三版［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

［2］A.Melotto Michael，宋寶生.聚合物加工溫度的控制［J］.橡膠參考資料，1996（03）：46-51.

［3］周持興，俞煒.聚合物加工理論：第一版［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

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［5］吳文棟，李茂東，林金梅，等.聚乙烯管道熱熔焊機(jī)質(zhì)量現(xiàn)狀與發(fā)展分析［J］.城市燃?xì)猓?013（05）：4-7.

［6］GB/T 20674.1-2006.塑料管材和管件聚乙烯系統(tǒng)熔接設(shè)備：第1部分：熱熔對(duì)接［S］.

［7］TSG D2002-2006.燃?xì)庥镁垡蚁┕艿篮附蛹夹g(shù)規(guī)則［S］.

Discussion on the Control Requirements and Detection Methods of Hot Plate’s Temperature

WU Wen-dong，LI Mao-dong，TU Xin，DA Jing
（Guangzhou Special Pressure Equipments Inspection and Research Institute，Guangzhou510663，China）

The major problems of the control of hot plate’s temperature of current domestic fusion welding machines were summered，and the main reasons were analyzed.In order to definitude the control requirement of hot plate’s temperature for relevant standards，the control requirements for hot plate’s temperature of automatic fusion welding machines were discussed，and some simple and feasible detection methods were provided.

automatic fusion welding machine；hot plate’s temperature；control requirement；detection method

TG432

A

1009－9492(2014)08－0132－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.037

吳文棟，男，1984年生，湖南婁底人，碩士。研究領(lǐng)域：聚乙烯材料等非金屬材料及設(shè)備的檢驗(yàn)檢測(cè)。 (編輯：王智圣)

2013－10－19；

2014－07－03