一、概述
聚烯烴塑料管材包括由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP-R，PP-B）樹脂，經(jīng)擠出成型獲得的管材。如果將其擴(kuò)展，還可包括鋼編織增強(qiáng)、鋼板孔網(wǎng)增強(qiáng)、玻纖增強(qiáng)等復(fù)合塑料管材。
當(dāng)把這些管材用管路元件連接起來時(shí)，則構(gòu)成了管道系統(tǒng)?？梢杂脕磔斔蜌怏w或液體介質(zhì)。
聚烯烴塑料管材與管路元件一般可以采用以下兩種連接形式：
● 對(duì)接熱熔連接
● 電熔連接
電熔連接對(duì)上述管材具有普遍的適應(yīng)性，它是將預(yù)埋了電阻絲的電熔管件套在管材或管路元件上，然后通以電流，電阻絲發(fā)熱使管材與管件上的連接部位熔融，在樹脂熔脹壓力的作用下連接界面兩側(cè)的樹脂分子重新繞結(jié)，冷卻后達(dá)到連接目的。近年來,大口徑聚乙烯纏繞管也有電熔連接的應(yīng)用。
電熔連接是電熔管件在電熔焊機(jī)的支持下連接管材的一個(gè)過程。
二、電熔管件的設(shè)計(jì)
電熔管件依據(jù)其與管材的連接型式可以分為: 電熔套筒、三通、變徑、鞍型三通、鋼塑過渡。大口徑PE纏繞管的電熔連接則將電熱絲制成帶狀體,將其敷設(shè)相應(yīng)連接界面內(nèi)。
電熔連接大量地用于輸配燃?xì)獾木垡蚁┕艿老到y(tǒng)中，在這一系統(tǒng)中電熔管件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亦相對(duì)最為完善。
目前，設(shè)計(jì)制造電熔管件有二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以遵從：
1、GB15558.2《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕芗?br />
2、ISO/8085-2000《燃?xì)庥镁垡蚁┕芗?nbsp;
上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電熔管件的材料，幾何特性，機(jī)械、物理性能等指標(biāo)和測(cè)試方法都做出了詳細(xì)的規(guī)定。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕芗罚℅B15558-2）亦在修訂中，相信隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的修訂與完善將為管件制造商提供更為完善的技術(shù)條件，促進(jìn)國(guó)內(nèi)電熔管件的產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。
除此之外,電熔管件設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是電熱絲發(fā)熱元件的設(shè)計(jì),它往往決定著管件的連接性能，也是衡量管件品質(zhì)的最主要指標(biāo)之一。
有多種思路設(shè)計(jì)電熱絲發(fā)熱元件，但遵從的原則都是一致的:
●在熔接全過程,發(fā)熱元件的溫升不能導(dǎo)致樹脂降解,但能使樹脂充分熔融。
● 盡可能選擇單一的電氣參數(shù)向發(fā)熱元件提供能量，如選擇:恒壓源；恒流源等。
依據(jù)上述原則,問題歸結(jié)為:合理地設(shè)計(jì)和選擇電熱絲表面積的功率負(fù)荷及熔接界面的功率負(fù)荷。
一個(gè)好的設(shè)計(jì)是以管件的容錯(cuò)性強(qiáng)為表征的.而評(píng)價(jià)熔接的可靠性則可以按ISO/13954-1997《塑料管材管件-聚乙烯電熔焊組件的剝離試驗(yàn)》； ISO/13955-1997《塑料管材管件-聚乙烯電熔焊組件的擠壓試驗(yàn)》來進(jìn)行。
另外，電熔管件設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題是電熱絲的敷設(shè)方法，其實(shí)，這既是一個(gè)工藝問題也是一個(gè)設(shè)計(jì)思想問題，有些制造商將電熱絲裸繞在管件的表面以使熱傳遞獲得最好的效果（所謂的裸露式）；另一些則將電熱絲埋伏在管件的內(nèi)側(cè)以使電熱絲得到保護(hù)（所謂的埋敷式），各有說詞。應(yīng)該說這是設(shè)計(jì)思想的爭(zhēng)論，而按工藝方法分類，可分為:
●一次注塑成型
●兩次注塑成型
●機(jī)械布線法
從獲得制品的性能上講，一次注塑成型是最理想的，在獲得彎頭,變
徑類管件時(shí)尤其可以顯示優(yōu)勢(shì)。但在控制管件幾何尺寸上不及機(jī)械布線法容易，另外，受注塑機(jī)注塑量的限制難以獲得大口徑管件。
兩次注塑成型法與一次注塑成型法基本上是一致的，只是先注一套繞絲的支架，再在支架上繞絲后進(jìn)行注塑，可以得到“埋敷式”管件，也便于加工過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但有人對(duì)兩次注塑獲得的制品存有異議。
機(jī)械布線法最大的優(yōu)勢(shì)是可以利用厚壁管材加工大口徑電熔管件，避開了大型注塑機(jī)和模具的巨大投資。
目前，PE管件已在國(guó)內(nèi)形成了一定的投資熱點(diǎn)，應(yīng)審慎地確定設(shè)計(jì)思想和工藝方案，防止低水平建設(shè)；也要防止不切實(shí)際地追求自動(dòng)化，特別是管材企業(yè)投資管件生產(chǎn)還應(yīng)考慮自身的市場(chǎng)容量對(duì)投資效益的影響。
三、電熔焊機(jī)
在電熔管件的應(yīng)用早期，所有電熔管件的制造商都為自己的管件開發(fā)了適合其自身特點(diǎn)的電熔焊機(jī)。一般它具備兩種基本能力：
● 電壓或電流調(diào)節(jié)能力，以便在施工現(xiàn)場(chǎng)電源波動(dòng)或是管件負(fù)載變化時(shí)能按預(yù)定的電壓（電流）值向管件的電熱絲供電。
● 時(shí)間控制能力，當(dāng)管件在熔接時(shí)的電壓（電流）確定后，對(duì)管件輸入的能量問題，轉(zhuǎn)化為時(shí)間控制問題，焊機(jī)應(yīng)有較高的時(shí)間控制精度。
隨著管件應(yīng)用量的擴(kuò)大，電熔連接過程自動(dòng)化及不同品牌電熔管件與
電熔焊機(jī)的兼容性問題被提出。
電熔連接自動(dòng)化的本質(zhì)問題是電熔焊機(jī)可以自動(dòng)識(shí)別給定的電熔管件所需要的焊接參數(shù)。而兼容問題則要求電熔焊機(jī)對(duì)不同的電熔管件具有普遍的適應(yīng)性。目前有以下三種形式的自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)。
● 電阻識(shí)別系統(tǒng)
生產(chǎn)管件時(shí)在電熔管件的電熱絲中串入了一個(gè)電阻（這個(gè)電阻的阻值很大，以至可以忽略管件自身用于發(fā)熱的電阻阻值）。在焊接過程開始前，焊機(jī)首先檢測(cè)該電阻，并按照焊機(jī)內(nèi)存中預(yù)存的表格，找出與這個(gè)管件對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)，并按此參數(shù)控制供給管件的能量。
● 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
它是基于控制輸入能量的設(shè)計(jì)思想建立起來的一個(gè)識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)給管件加上一定的電壓（電流），管材和管件的接口界面受熱膨脹，多余的熔融樹脂從校準(zhǔn)井溢出。電熔焊機(jī)設(shè)在校準(zhǔn)井處的微動(dòng)開關(guān)切斷電源。這是一個(gè)不需預(yù)先設(shè)置參數(shù)的焊接自動(dòng)化系統(tǒng)。
● 條碼自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)
在生產(chǎn)階段給管件貼上統(tǒng)一的條形碼做為識(shí)別的標(biāo)識(shí)，生產(chǎn)廠商按照統(tǒng)一的編碼規(guī)則輸入必要的信息。
施工人員用焊機(jī)配置的光筆讀出這些信息，輸入給焊機(jī)的控制系統(tǒng)以保證焊機(jī)向管件提供所需的最佳能量。光筆將條形碼中的信息輸入給焊機(jī)的控制系統(tǒng)，避免了出現(xiàn)錯(cuò)誤的危險(xiǎn)。
這種識(shí)別系統(tǒng)適用于不同品牌、不同規(guī)格電熔管件的自動(dòng)識(shí)別與控制，愈來愈受到用戶的認(rèn)同。
目前，電熔焊機(jī)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/12176.2-1998）已經(jīng)公布，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電熔焊機(jī)的分類、安全性能及主要的技術(shù)條件和指標(biāo)都提出了系統(tǒng)的要求，使電熔焊機(jī)的制造過程更加規(guī)范。
四、電熔連接的操作
電熔連接的操作過程可以分為以下幾個(gè)步驟：
1．切割管材并標(biāo)記管材插入管件的深度；
2．刮削管端口；
管材的端口應(yīng)用刮刀去掉表面的舊層（刮削厚度一般為0.2mm），刮削完畢的表面不可再被污染。
3．擦拭管件
應(yīng)用潔凈的棉織物或?qū)Ｓ檬眉埐潦霉芗娜劢訁^(qū)域。
4．裝夾管件
應(yīng)盡可能使用專用的夾具固定要連接的組件，管子的不圓度不應(yīng)超過管子外徑的1.5%,否則應(yīng)在相應(yīng)的夾具上進(jìn)行校正。
管材與管件應(yīng)有適合的間隙，一般以用微力插入為宜，（大口徑管件需用木錘敲入），間隙過大或過小都會(huì)影響接口的質(zhì)量。
5．熔接
按照電熔焊機(jī)的操作要求連接導(dǎo)線，并向焊機(jī)輸入必要的參數(shù)（當(dāng)管件具有自動(dòng)識(shí)別功能時(shí)，可按自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的要求操作），啟動(dòng)焊機(jī)，熔接將自動(dòng)完成。
6．冷卻
待熔接區(qū)達(dá)到冷卻時(shí)間后方可移開焊機(jī)的插頭并拆除夾具。
五、影響電熔連接接口質(zhì)量的幾個(gè)因素
1．電源波動(dòng)對(duì)接口質(zhì)量的影響
對(duì)于給定的一個(gè)電熔管件，其內(nèi)部預(yù)埋的電阻絲的阻值是一定的，此時(shí)，電阻發(fā)熱消耗的功率只與焊機(jī)提供的電壓（電流）有關(guān)。
焊機(jī)提供的電壓（電流）值必須有一個(gè)上限，超出了這個(gè)上限，電熱絲表面的熱負(fù)荷過大會(huì)使其周圍的樹脂過熱分解。當(dāng)然，電壓值也必須有一個(gè)下限，低于這個(gè)下限，電熱絲將無法充分地發(fā)熱，熔接界面的樹脂無法充分地繞結(jié)。
從這種意義上講，一個(gè)電熔焊機(jī)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓（穩(wěn)流）源，它必須具備在電源電壓波動(dòng)很大的情況下，保持向電熔管件提供的電壓（電流）不超過允許的波動(dòng)范圍。這一指標(biāo)是焊機(jī)的最主要指標(biāo)之一。因?yàn)閷?shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，供電電源的電壓波動(dòng)往往很大。當(dāng)然，同種管件間其內(nèi)部電熱絲的電阻值也會(huì)存在一些差別，即使供電電壓（電流）一樣，也會(huì)造成一定的功率波動(dòng)。
2．熔接時(shí)間對(duì)接口質(zhì)量的影響
在熱傳遞條件相同時(shí)，每種規(guī)格的管件在熔接時(shí)所消耗的能量應(yīng)當(dāng)是相同的，如果加熱能量恒定，消耗能量的大小僅與時(shí)間有關(guān)，實(shí)踐表明，熔接時(shí)間必須控制在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)。
當(dāng)加熱時(shí)間不足一個(gè)最短的熔接時(shí)間，即消耗的能量處在一個(gè)下限時(shí)，接口界面的分子無法充分繞結(jié)，機(jī)械強(qiáng)度和氣密性都無法達(dá)到可靠連接的目的。
當(dāng)加熱時(shí)間超過最長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，即：消耗的能量過多，可能會(huì)造成大量的熔融樹脂溢出觀察孔，熱量積累過多，同樣也會(huì)造成樹脂分解產(chǎn)生煙霧。使接口質(zhì)量下降。
3．環(huán)境溫度對(duì)熔接質(zhì)量的影響
如果熔接過程的環(huán)境溫度不同，則意味著管件在熔接加熱過程的熱傳導(dǎo)條件發(fā)生了變化，會(huì)引起熔接時(shí)所需總能量的變化，同樣表現(xiàn)在熔接時(shí)間發(fā)生變化，實(shí)際測(cè)試表明：當(dāng)環(huán)境溫度在–5～+40℃范圍變化時(shí)，熔接時(shí)間的修正值大約在0.5～1% ℃（電熔管件給出的熔接時(shí)間參數(shù)，一般都是以環(huán)境溫度20℃時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)給出的）。
4．不良操作對(duì)焊接質(zhì)量的影響
所謂不良操作，一般指兩方面的內(nèi)容，一是指熔接時(shí)裝卡、定位管材與管件及在管材的刮削、擦拭管件時(shí)不符合規(guī)范要求；二是指對(duì)焊機(jī)輸入熔接參數(shù)時(shí)發(fā)生了錯(cuò)誤，這些都會(huì)對(duì)接口質(zhì)量造成不良影響或使熔接失敗。
采用條形碼或磁卡的輸入方式可有效地避免輸入?yún)?shù)時(shí)造成的誤操作，但焊機(jī)一般無法判斷裝卡管材時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
特別需要指出的是，刮削管材端口是十分重要和必要的。尤其是存儲(chǔ)期較長(zhǎng)的管材，刮削更顯得重要，否則會(huì)大大增加不良接口的比率，甚至造成百分之百的熔接失敗。
六、可焊性的判別
當(dāng)管材和管件來自不同的供應(yīng)商時(shí)，其可焊性的判別是必須的，除非得到了兩個(gè)供應(yīng)商的認(rèn)可。這在目前的市場(chǎng)狀況下是十分重要的，因?yàn)楹芏喙茏硬牧掀焚|(zhì)的差別實(shí)在太大。
可焊性的判別一般要在實(shí)驗(yàn)室中通過剝離實(shí)驗(yàn)的方法判別。在沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的施工現(xiàn)場(chǎng)，亦可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，粗略判斷管材和管件的可焊性及焊接的可靠性：
取一個(gè)熔焊完成的管件，沿管件的軸線方向鋸下一條10～15mm樣條，用兩只手鉗剝離兩側(cè)疊在一起的樣條。當(dāng)二側(cè)的樣條受拉變形被伸長(zhǎng)，而熔接的界面沒有被破壞時(shí)，一般可以認(rèn)為管材與管件具備可靠性，而且焊接是可靠的。反之，應(yīng)查找焊接失敗的原因。
七、自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電熔管件
自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電熔管件，我們也常把它簡(jiǎn)稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)管件。其原理是利用焊接過程中材料熔融產(chǎn)生的壓力驅(qū)動(dòng)焊機(jī)插頭上設(shè)置的微動(dòng)開關(guān)來控制焊接的過程。
自動(dòng)調(diào)節(jié)管件為電熔焊接提供了一個(gè)近乎理想的焊接概念。
在電熔焊接的過程中，影響焊接質(zhì)量的因素有：
1．電源波動(dòng)造成的能量輸入偏差；
2．焊接參數(shù)輸入錯(cuò)誤造成的錯(cuò)誤焊接；
3．管件自身電阻偏差造成的能量輸入偏差；
4．環(huán)境溫度的影響；
5．管材嵌入不當(dāng)，主要指嵌入的間隙及兩段管材不同軸時(shí)產(chǎn)生的外力干擾。
上述五種因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響程度依次增大。在以往的概念中人們一般把注意力放在提升焊機(jī)的功能上，最典范的例子是條形碼系統(tǒng)用于焊接系統(tǒng)中，它有效地避免了手動(dòng)輸入熔接參數(shù)時(shí)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，也可以拒絕管件自身電阻值超差時(shí)對(duì)管件進(jìn)行焊接。但無論怎樣以往的焊接方式都有一個(gè)共同弱點(diǎn)：無法對(duì)一個(gè)多變量系統(tǒng)給出一個(gè)綜合的控制量。尤其無法修正嵌入間隙對(duì)焊接質(zhì)量的影響，其實(shí)這是對(duì)焊接質(zhì)量影響最大的一個(gè)因素。再如，具有條形碼輸入功能的焊機(jī)，可以使焊機(jī)讀出條形碼系統(tǒng)中焊接過程對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償量，但焊機(jī)實(shí)際測(cè)得的環(huán)境溫度，往往并不是焊接時(shí)管材或管件的表面的溫度，因此，這種補(bǔ)償實(shí)際只能是近似的。
自動(dòng)調(diào)節(jié)管件控制焊接過程的基本思想則完全不同于以往的思想，其關(guān)注的是電熔焊接進(jìn)程的效果，是綜合了各種影響因素的綜合效應(yīng)來確定焊接的終止時(shí)刻。因此，它具有更高的可靠性。
正是由于上述特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)管件的設(shè)計(jì)思想也有一定的特點(diǎn)，如焊接區(qū)表面積的功率負(fù)荷一般要設(shè)計(jì)得小一些等等。
自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接管件與支持這種管件的電熔焊接機(jī)具構(gòu)成了一個(gè)電熔管件的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，它具有如下顯著的特點(diǎn)：
● 焊接程序自動(dòng)化;
● 焊接時(shí)間由操作現(xiàn)場(chǎng)的綜合參數(shù)確定，無需預(yù)先確定;
● 可避免重疊焊接;
● 可有效地發(fā)現(xiàn)管材嵌入不當(dāng)?shù)那闆r。
與條碼技術(shù)相結(jié)合，自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電熔管件將成為一種最優(yōu)秀的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)。
