作者: 曹晉杰,尤啟江,王振超

緒　　論

 隨著塑料壓力管道廣泛用于燃氣輸送、給水、排污、農業(yè)灌溉、礦山細顆粒固體輸送以及油田、化工和郵電通訊等領域，特別在燃氣輸送方面得到了普遍的應用，與傳統(tǒng)的鋼管相比較具有價格低廉，經久耐用，這使塑料壓力管道迅速的發(fā)展。由于管道輸送的流體中不乏危險介質，如天然氣和煤氣等， 結構一旦破壞后果不堪設想，因此管道的連接技術是影響塑料管道是否廣泛應用的關鍵技術之一。

    熱熔對接是塑料管道最為可靠的連接方式之一，從歐美發(fā)達國家到進入中國，已經得到多年的使用驗證。然而，由于熱熔焊機市場良莠不齊，劣質焊機仍然被廣泛使用。加上很多使用者熱熔焊接知識缺乏，操作水平不高，給管道連接做成了極大的安全隱患。本文以PE管焊接作為研究對象，來闡述一款新型的智能化的熱熔焊機及輔助裝置，作為保障PE管對接質量與安全的一個系統(tǒng)化解決方案，希望對行業(yè)健康發(fā)展起到積極推動作用。

 一．PE熱熔對接特性

 直管熱熔對接的連接界面是平面，其方法是將兩相同的連接界面用熱板加熱到粘流態(tài)后，再給連接界面施加一定壓力，并在此壓力狀態(tài)下冷卻固化，形成牢固的連接。在加熱前需要將待焊管道的兩端口進行銑削，這樣可以使焊接面更加平整，并且去掉端口表面的塑料氧化層使得同分子熔融更徹底。  

 整個焊接工藝的主要過程為調整、加熱、切換、升壓和冷卻。對接時界面上處于粘流態(tài)的材料有流動也有擴散，流動太大不利于擴散和纏結，所以要把流動限制在一定范圍，在有限的流動中實現(xiàn)“熔后焊接”。因此，對接工藝的關鍵是要在對接過程中控制好溫度、時間、壓力三參數(shù)。

聚乙烯管道熱熔焊接過程如圖所示，當聚乙烯管道端面被加熱到熔融狀態(tài)后，熔融層中聚乙烯高分子鏈熱運動加劇，對兩端面施加軸向壓力使其緊密的結合在一起，這時一端熔融層中的緊密纏結的分子鏈在熱運動和壓力的共同作用下，將進行解纏結，并通過聚乙烯分子間空穴滲入到另一端熔融層的分子間隙中，并與該熔融層高分子鏈盤繞纏結在一起，冷卻后形成性能穩(wěn)定的熱熔焊接接頭。

  熱熔焊接過程示意圖

二，熱熔對接設備分析

    目前市場上存在不同形式，和不同制造水平的PE管對接設備，因為實現(xiàn)焊接功能的原理相同，統(tǒng)稱為熱熔對接焊機。 根據(jù)實現(xiàn)熱熔焊接的方式的自動化程度不同，我們將其分為三類：手動焊機，普通液壓焊機，半自動液壓焊機，全自動液壓焊機。

1. 手動焊機

顧名思義，手動焊機的整個焊接過程是通過人為的操作，手動人力切換加熱板和銑削裝置。 由于焊接壓力和時間控制都依靠手動控制，因此無法精確控制焊接的標準，焊接質量完全依賴焊接操作者的個人感覺，這種焊接一般用于對管道對接焊口質量要求比較低的場合。

手動焊機

2.　普通液壓焊機

普通液壓焊機，在手動焊機的基礎上增加了液壓系統(tǒng)，操作者仍然手動人力切換加熱板和銑削裝置，但通過液壓系統(tǒng)來施加銑削力，熱滲力和冷卻保持力。焊接壓力由配有指針式壓力表的液壓系統(tǒng)提供，優(yōu)良焊機廠家提供的焊機壓力穩(wěn)定且較為準確。液壓焊機自帶數(shù)顯計時器，能夠準確的控制吸熱階段與冷卻階段的時間。但由于各焊接階段都是由人工操作，壓力和時間的控制容易產生誤差，且無法對每一個接口數(shù)據(jù)進行完整的記錄、監(jiān)控，所以焊接質量無法精確控制。

液壓焊機

3.　半自動液壓焊機

　　半自動液壓焊機是在普通液壓焊機的基礎上增加了工藝參數(shù)計算，工藝過程提醒，焊接數(shù)據(jù)自動記錄的功能。最簡單的做法是在普通液壓焊機上改造加裝智能數(shù)據(jù)控制儀。在進行焊接之前，焊接操作者輸入相關管道數(shù)據(jù)，機器根據(jù)焊接標準，或操作者自定義焊接標準，自動計算各個工藝過程得壓力和時間，機器提醒何引導操作者手動地完成整個焊接過程。

　　半自動熱熔焊機能夠較好執(zhí)行焊接的工藝參數(shù)，并且記錄實際參數(shù)，便以施工現(xiàn)場的管理和項目追溯。但由于其整個焊接過程仍然由手動控制，控制的精準度依然需要提高。

半自動焊機

4.　全自動熱熔對接焊機

全自動焊機實在半自動機器的基礎上將影響焊接質量的整個焊接過程交給機器自動來執(zhí)行和控制。　

焊接加裝溫度，壓力，時間和行程智能系統(tǒng)，自動適應環(huán)境的變化以及自動調整在新材料上焊接的焊接參數(shù)；具有記憶功能，自動記錄所采用的焊接參數(shù)；采用磁卡數(shù)據(jù)載體；對塑料焊機采用ID授權管理。隨著網絡技術的發(fā)展，將對焊機利用網絡進行輔助管理遠程故障診斷及遠程參數(shù)設置。充分利用網絡的快捷、方便，使塑料焊接技術向前發(fā)展。

　　全自動焊機最大限度地減少人為因素對焊接過程的影響，并且能夠降低對焊接操作人員焊接經驗的依賴。能夠很方便地接入企業(yè)管理體系，適應物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)時代對焊接設備的要求。

全自動焊機

三，PE管道熱熔焊接工藝

管道的連接技術的關鍵影響因數(shù)主要是管道焊接工藝、焊接設備的質量以及人為操作的影響。關于焊接工藝當前比較常用的德國“DVS”焊接標準，國內“TSG2002-2006”焊接標準已經是比較成熟的焊接工藝標準。所以當前焊接質量主要是焊接設備的質量以及人為因素的影響。

管道熔接共分為五個階段

P1：總對接壓力  P2：焊接壓力  Pt：拖動壓力  T1：卷邊時間

T2：吸熱時間    T3：切換時間  T4:熔接時間    T5：冷卻時間

Pt：Pt為拖動壓力，其數(shù)值為實際焊接過程中測得，定義為能使管材勻速移動的最小壓力；

P2：焊接壓力為根據(jù)管材的外徑、壁厚計算得到的壓力；

焊接壓力=×0.15

管材截面積=3.14×(管材直徑-壁厚)×壁厚

P1：總對接壓力=焊接壓力+拖動壓力(Mpa)；

拖動壓力一般不得大于焊接壓力的50%。

T2：吸熱時間=壁厚×10；

T3：加熱結束至壓焊開始的一段時間,包括管道與加熱板分開的時間、加熱板移出的時間和管道互相靠攏的時間;

T4：管道互相靠攏至壓力到達對接壓力所用的時間；

T5：管道完全冷卻所需的時間;

卷邊階段：此階段是為了消除加熱板與待焊端面間存在的微小間隙，使兩端面均勻貼近加熱板，達到均勻吸收熱量的目的。

 吸熱階段：此階段的目的是為了獲得充分的融化區(qū)域，此時兩管端間的壓力接近0，施加拖動壓力確保兩管端與解熱板間不產生位移，避免因管道回彈造成管端與加熱板脫離

切換階段：即打開對接架取出加熱板的過程為盡可能減少熱量損失，避免灰塵沙粒等，污染已熔融的焊接端面，此階段要求所用時間越短越好，限定在工藝參數(shù)提供的切換時間之內完成。

熔接階段：這一階段是充分熔融兩端面的聚乙烯分子在壓力作用下相互擴散，重新組合的過程。為了或得一個好的焊口，壓力增加時應做到迅速平穩(wěn)。

冷卻階段：這是在保持溶解壓力的條件下使焊口自然冷卻的過程。由于聚乙烯材料導熱性差焊縫行成過程較長以及冷卻過程材料收縮等因素，要求冷卻過程必須在保持壓力下進行。

焊接過程中多余的熔融塑料被擠出,形成了焊接接頭,且焊接接頭的大小和幾何形狀影響焊接質量。研究表明,接頭性能的好壞主要由焊接過程中的溫度、壓力及加熱時間決定。

熱熔對接焊機是用來加熱塑料管道(或管件)端面的專用設備,使被加熱的兩端面熔化,迅速將其貼合。保有一定的壓力、冷卻,達到熔接的目的。

 四，基于大數(shù)據(jù)及云技術的智能PE管熱熔焊機

全自動熱熔對接焊機是機電一體化產品，其機械部分的結構采用夾持及導向裝置，動力由液壓系統(tǒng)提供，該裝置裝卸方便，并且可通過在夾持裝置中添加內夾瓦，以適應不同規(guī)格塑料管道焊接的需要。銑刀使用高速碳鋼刀片、鏈條驅動增強銑刀的切削能力。加熱板采用鋁合金制成，這種加熱板表面不易腐蝕，而且傳熱快，表面溫度均勻。同時表面有聚四氟乙烯薄膜防止塑料粘在加熱板上。

基于大數(shù)據(jù)及云技術的智能PE管熱熔焊機，不僅實現(xiàn)了焊接過程的自動化。更重要的是，能夠實時執(zhí)行相關焊接標準規(guī)定的焊接工藝，還能實時監(jiān)測工藝執(zhí)行的符合性，并將焊接數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)狡髽I(yè)管理系統(tǒng)，讓企業(yè)對施工質量能夠進行實時的監(jiān)控。讓企業(yè)對施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，留檔。將施工責任落實到具體的單位和個人，也能夠對焊機進行有效管理。讓企業(yè)管理水平提升到適應智慧城市發(fā)展和中國制造2025等國家戰(zhàn)略等新時期的新要求。

4.1 焊機的基本結構

 全自動智能化的焊機采用西門子S7-200 PLC控制焊接的工藝參數(shù)和工藝過程,可避免人為因素的影響。本設備采用預置參數(shù)控制熱熔對接焊過程，就是將PE管道熱熔對接焊的8個工藝參數(shù)的計算公式寫入PLC,焊接時PLC自動根據(jù)輸入的管材參數(shù)計算焊接工藝參數(shù)，同時考慮焊接現(xiàn)場環(huán)境溫度的影響自動修正工藝參數(shù),得出適合于現(xiàn)場的焊接工藝參數(shù),并根據(jù)這些工藝參數(shù)完成其工藝過程,從而不用人工干預,實現(xiàn)自動焊接過程。

采用西門子模數(shù)轉換模塊，將溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器的模擬量信號準確的轉換成數(shù)字信號。

采用Touch win 與機械鍵盤組合的人機交互系統(tǒng)，人機交互快速方便。Touch win 可以實時顯示焊接流程中每個階段的各項參數(shù)。

采用電比例放大器控制電比例溢流閥控制壓力，壓力控制準確。

加熱板采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)插入、抽出動作的自動化，排除人為因數(shù)干擾。

4.2 焊機的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由西門子S7-200 PLC 、A/D模數(shù)轉換模塊、人機交互系統(tǒng)、傳感器等組成。

全自動熱熔對接焊機控制系統(tǒng)框架圖

控制系統(tǒng)工作方式

1.多路傳感器采集模擬量信號傳輸?shù)紸/D轉換模塊，A/D轉換模塊將數(shù)字信號傳輸?shù)絇LC匯總運算。

2.Touch win 進行人機交互，將管材參數(shù)傳輸給PLC進行參數(shù)計算。并且記錄實時焊接數(shù)據(jù)儲存到自帶的存儲器內，存儲器容量為2000條記錄。 Touch win 可以將所有存儲的數(shù)據(jù)以表格形式導出備份，同時可以使用與之連接的微型打印機打印當前的焊接記錄。

3.PLC 內置自主開發(fā)的焊接程序，根據(jù)接收到的管道參數(shù)、環(huán)境溫度，自動計算各種焊接參數(shù)，包括壓力、溫度、時間。然后進入焊接程序中的步進程序進行自動焊接，參照傳感器的反饋自動調節(jié)各參數(shù)。

4.DTU具有GPS定位、遠程數(shù)據(jù)傳輸、ID識別等功能。ID識別功能采用指紋識別，焊接開始前需要進行指紋解鎖方可進入焊接程序。焊接結束后DTU接收來自PLC的焊接記錄數(shù)據(jù)，與實時的位置信息一起發(fā)送至云端服務器。

4.3 焊機軟件功能

1.實現(xiàn)人機交互

2.溫度采樣、壓力采樣、位移采樣、冷端補償、PID 計算和加熱控制

3.焊接參數(shù)的計算

4.焊接動作流程的控制

5.焊接記錄的存儲、打印、遠程傳輸

6.對傳感器故障及操作失誤的報警處理

參數(shù)計算

數(shù)據(jù)采樣及焊接流程控制

焊接記錄

故障報警

五, 基于大數(shù)據(jù)及云技術的智能PE管熱熔焊機實現(xiàn)的管理功能

智能PE管熱熔焊機在大數(shù)據(jù)及云技術的支持下可以實現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的實時收集和分析，人員和工程質量的監(jiān)控，歷史工程的追蹤回溯。具體可分為以下幾個方面。

1.數(shù)據(jù)收集管理：能夠收集焊接過程中的實時焊接參數(shù)，以及焊接工程信息（包括但不僅限于工程號、項目號、施工隊信息、施工員信息、焊口編號、焊口坐標）。以此對施工人員、工程質量、管線進行管理。

2.實時上傳：實時上傳焊接信息可以保證信息的真實有效，且系統(tǒng)帶有軟件加密和防火墻，防止入侵篡改焊接信息。

3.定位功能：集成GPS與北斗定位供選擇使用，GPS在當前市場應用較為廣泛但精度只有10m，北斗系統(tǒng)在配合基站的情況下可達到亞米級，精度較高。

4.指紋識別與人臉識別：可以用軟件綁定人員信息，控制人員的操作權限，可以設定操作有效期，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷人員的焊接質量，當某個人的焊接質量產生嚴重問題時能夠提示且取消操作權限。將每個焊口的質量指定到人。

5.焊口RIFD芯片追蹤：芯片追蹤可以實現(xiàn)焊口信息與焊口地理位置的準確綁定，能夠準確定位焊口鋪設的位置及深度（焊機定位只能提供焊接的位置），方便管線的后期維護管理。

6.拍照功能：可以將焊口的實際照片與焊口信息綁定，真實記錄。

7.在線監(jiān)測：能夠在線實時監(jiān)測設備的狀態(tài)與性能，并實現(xiàn)遠程故障監(jiān)測。

8.輔助統(tǒng)計分析:通過后臺軟件對焊接合格率、焊接效率進行處理統(tǒng)計，再經過大數(shù)據(jù)分析能夠得出焊接工程的最佳優(yōu)化方案。

數(shù)據(jù)收集管理

定位功能

 指紋識別與設備管理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

六． 結論

全自動熱熔對接焊機的工藝參數(shù)較多,動作過程也較復雜, 但利用計算機控制焊接的工藝參數(shù)和工藝過程，把焊接過程中的人為因素降為最小，這樣就保證了焊接質量，

該系統(tǒng)采用PLC對加熱板的溫度、壓力、位移數(shù)值進行檢測和控制獲得了滿意的結果，同時該系統(tǒng)調式方便，精度高，抗干擾能力強，比起傳統(tǒng)的手工焊接方式有很大的益處，可避免由于人為因素的影響,同時利用計算機控制塑料壓力管道的焊接,還可以自動修正焊接現(xiàn)場環(huán)境條件對焊接工藝參數(shù)的影響,從而能保證焊接的質量。

在物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)分析的社會大背景下，智能PE管熱熔焊機能夠充分利用這些優(yōu)勢使得焊接工程更加可控，焊接質量更有保障。后期對管線的維護監(jiān)測更加方便。

塑料壓力在燃氣、供排水等領域得到了廣泛應用，其管道的連接技術保證了管網系統(tǒng)的正常施工和安全運行。隨著科學技術的發(fā)展，塑料壓力管道的焊接技術將向自動化、智能化和信息化方向發(fā)展。

參考文獻：

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