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?xì)廨斔�、給水、排污、農(nóng)業(yè)灌溉、礦山細(xì)顆粒固體輸送以及油田、化工和郵電通訊等領(lǐng)域，特別在燃?xì)廨斔头矫娴玫搅似毡榈膽?yīng)用，與傳統(tǒng)的鋼管相比較具有價(jià)格低廉，經(jīng)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(xiǎn)介質(zhì)，如天然氣和煤氣等， 結(jié)構(gòu)一旦破壞后果不堪設(shè)想，因此管道的連接技術(shù)是影響塑料管道是否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

    熱熔對(duì)接是塑料管道最為可靠的連接方式之一，從歐美發(fā)達(dá)國(guó)家到進(jìn)入中國(guó)，已經(jīng)得到多年的使用驗(yàn)證。然而，由于熱熔焊機(jī)市場(chǎng)良莠不齊，劣質(zhì)焊機(jī)仍然被廣泛使用。加上很多使用者熱熔焊接知識(shí)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(duì)象，來(lái)闡述一款新型的智能化的熱熔焊機(jī)及輔助裝置，作為保障PE管對(duì)接質(zhì)量與安全的一個(gè)系統(tǒng)化解決方案，希望對(duì)行業(yè)健康發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。

 一．PE熱熔對(duì)接特性

 直管熱熔對(duì)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(jìn)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(gè)焊接工藝的主要過(guò)程為調(diào)整、加熱、切換、升壓和冷卻。對(duì)接時(shí)界面上處于粘流態(tài)的材料有流動(dòng)也有擴(kuò)散，流動(dòng)太大不利于擴(kuò)散和纏結(jié)，所以要把流動(dòng)限制在一定范圍，在有限的流動(dòng)中實(shí)現(xiàn)“熔后焊接”。因此，對(duì)接工藝的關(guān)鍵是要在對(duì)接過(guò)程中控制好溫度、時(shí)間、壓力三參數(shù)。

聚乙烯管道熱熔焊接過(guò)程如圖所示，當(dāng)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(yùn)動(dòng)加劇，對(duì)兩端面施加軸向壓力使其緊密的結(jié)合在一起，這時(shí)一端熔融層中的緊密纏結(jié)的分子鏈在熱運(yùn)動(dòng)和壓力的共同作用下，將進(jìn)行解纏結(jié)，并通過(guò)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(jié)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(guò)程示意圖

二，熱熔對(duì)接設(shè)備分析

    目前市場(chǎng)上存在不同形式，和不同制造水平的PE管對(duì)接設(shè)備，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)焊接功能的原理相同，統(tǒng)稱為熱熔對(duì)接焊機(jī)。 根據(jù)實(shí)現(xiàn)熱熔焊接的方式的自動(dòng)化程度不同，我們將其分為三類：手動(dòng)焊機(jī)，普通液壓焊機(jī)，半自動(dòng)液壓焊機(jī)，全自動(dòng)液壓焊機(jī)。

1. 手動(dòng)焊機(jī)

顧名思義，手動(dòng)焊機(jī)的整個(gè)焊接過(guò)程是通過(guò)人為的操作，手動(dòng)人力切換加熱板和銑削裝置。 由于焊接壓力和時(shí)間控制都依靠手動(dòng)控制，因此無(wú)法精確控制焊接的標(biāo)準(zhǔn)，焊接質(zhì)量完全依賴焊接操作者的個(gè)人感覺(jué)，這種焊接一般用于對(duì)管道對(duì)接焊口質(zhì)量要求比較低的場(chǎng)合。

手動(dòng)焊機(jī)

2.　普通液壓焊機(jī)

普通液壓焊機(jī)，在手動(dòng)焊機(jī)的基礎(chǔ)上增加了液壓系統(tǒng)，操作者仍然手動(dòng)人力切換加熱板和銑削裝置，但通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)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(jī)廠家提供的焊機(jī)壓力穩(wěn)定且較為準(zhǔn)確。液壓焊機(jī)自帶數(shù)顯計(jì)時(shí)器，能夠準(zhǔn)確的控制吸熱階段與冷卻階段的時(shí)間。但由于各焊接階段都是由人工操作，壓力和時(shí)間的控制容易產(chǎn)生誤差，且無(wú)法對(duì)每一個(gè)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的記錄、監(jiān)控，所以焊接質(zhì)量無(wú)法精確控制。

液壓焊機(jī)

3.　半自動(dòng)液壓焊機(jī)

　　半自動(dòng)液壓焊機(jī)是在普通液壓焊機(jī)的基礎(chǔ)上增加了工藝參數(shù)計(jì)算，工藝過(guò)程提醒，焊接數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄的功能。最簡(jiǎn)單的做法是在普通液壓焊機(jī)上改造加裝智能數(shù)據(jù)控制儀。在進(jìn)行焊接之前，焊接操作者輸入相關(guān)管道數(shù)據(jù)，機(jī)器根據(jù)焊接標(biāo)準(zhǔn)，或操作者自定義焊接標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)計(jì)算各個(gè)工藝過(guò)程得壓力和時(shí)間，機(jī)器提醒何引導(dǎo)操作者手動(dòng)地完成整個(gè)焊接過(guò)程。

　　半自動(dòng)熱熔焊機(jī)能夠較好執(zhí)行焊接的工藝參數(shù)，并且記錄實(shí)際參數(shù)，便以施工現(xiàn)場(chǎng)的管理和項(xiàng)目追溯。但由于其整個(gè)焊接過(guò)程仍然由手動(dòng)控制，控制的精準(zhǔn)度依然需要提高。

半自動(dòng)焊機(jī)

4.　全自動(dòng)熱熔對(duì)接焊機(jī)

全自動(dòng)焊機(jī)實(shí)在半自動(dòng)機(jī)器的基礎(chǔ)上將影響焊接質(zhì)量的整個(gè)焊接過(guò)程交給機(jī)器自動(dòng)來(lái)執(zhí)行和控制。　

焊接加裝溫度，壓力，時(shí)間和行程智能系統(tǒng)，自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化以及自動(dòng)調(diào)整在新材料上焊接的焊接參數(shù)；具有記憶功能，自動(dòng)記錄所采用的焊接參數(shù)；采用磁卡數(shù)據(jù)載體；對(duì)塑料焊機(jī)采用ID授權(quán)管理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)焊機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助管理遠(yuǎn)程故障診斷及遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。充分利用網(wǎng)絡(luò)的快捷、方便，使塑料焊接技術(shù)向前發(fā)展。

　　全自動(dòng)焊機(jī)最大限度地減少人為因素對(duì)焊接過(guò)程的影響，并且能夠降低對(duì)焊接操作人員焊接經(jīng)驗(yàn)的依賴。能夠很方便地接入企業(yè)管理體系，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)焊接設(shè)備的要求。

全自動(dòng)焊機(jī)

三，PE管道熱熔焊接工藝

管道的連接技術(shù)的關(guān)鍵影響因數(shù)主要是管道焊接工藝、焊接設(shè)備的質(zhì)量以及人為操作的影響。關(guān)于焊接工藝當(dāng)前比較常用的德國(guó)“DVS”焊接標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)“TSG2002-2006”焊接標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是比較成熟的焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)。所以當(dāng)前焊接質(zhì)量主要是焊接設(shè)備的質(zhì)量以及人為因素的影響。

管道熔接共分為五個(gè)階段

P1：總對(duì)接壓力  P2：焊接壓力  Pt：拖動(dòng)壓力  T1：卷邊時(shí)間

T2：吸熱時(shí)間    T3：切換時(shí)間  T4:熔接時(shí)間    T5：冷卻時(shí)間

Pt：Pt為拖動(dòng)壓力，其數(shù)值為實(shí)際焊接過(guò)程中測(cè)得，定義為能使管材勻速移動(dòng)的最小壓力；

P2：焊接壓力為根據(jù)管材的外徑、壁厚計(jì)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(duì)接壓力=焊接壓力+拖動(dòng)壓力(Mpa)；

拖動(dòng)壓力一般不得大于焊接壓力的50%。

T2：吸熱時(shí)間=壁厚×10；

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

T4：管道互相靠攏至壓力到達(dá)對(duì)接壓力所用的時(shí)間；

T5：管道完全冷卻所需的時(shí)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(dá)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(shí)兩管端間的壓力接近0，施加拖動(dòng)壓力確保兩管端與解熱板間不產(chǎn)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(duì)接架取出加熱板的過(guò)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(shí)間越短越好，限定在工藝參數(shù)提供的切換時(shí)間之內(nèi)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(kuò)散，重新組合的過(guò)程。為了或得一個(gè)好的焊口，壓力增加時(shí)應(yīng)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(guò)程。由于聚乙烯材料導(dǎo)熱性差焊縫行成過(guò)程較長(zhǎng)以及冷卻過(guò)程材料收縮等因素，要求冷卻過(guò)程必須在保持壓力下進(jìn)行。

焊接過(guò)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(zhì)量。研究表明,接頭性能的好壞主要由焊接過(guò)程中的溫度、壓力及加熱時(shí)間決定。

熱熔對(duì)接焊機(jī)是用來(lái)加熱塑料管道(或管件)端面的專用設(shè)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(dá)到熔接的目的。

 四，基于大數(shù)據(jù)及云技術(shù)的智能PE管熱熔焊機(jī)

全自動(dòng)熱熔對(duì)接焊機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)采用夾持及導(dǎo)向裝置，動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供，該裝置裝卸方便，并且可通過(guò)在夾持裝置中添加內(nèi)夾瓦，以適應(yīng)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(qū)動(dòng)增強(qiáng)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(shí)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(shù)的智能PE管熱熔焊機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的自動(dòng)化。更重要的是，能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的焊接工藝，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝執(zhí)行的符合性，并將焊接數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡髽I(yè)管理系統(tǒng)，讓企業(yè)對(duì)施工質(zhì)量能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。讓企業(yè)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，留檔。將施工責(zé)任落實(shí)到具體的單位和個(gè)人，也能夠?qū)�焊機(jī)進(jìn)行有效管理。讓企業(yè)管理水平提升到適應(yīng)智慧城市發(fā)展和中國(guó)制造2025等國(guó)家戰(zhàn)略等新時(shí)期的新要求。

4.1 焊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

 全自動(dòng)智能化的焊機(jī)采用西門子S7-200 PLC控制焊接的工藝參數(shù)和工藝過(guò)程,可避免人為因素的影響。本設(shè)備采用預(yù)置參數(shù)控制熱熔對(duì)接焊過(guò)程，就是將PE管道熱熔對(duì)接焊的8個(gè)工藝參數(shù)的計(jì)算公式寫入PLC,焊接時(shí)PLC自動(dòng)根據(jù)輸入的管材參數(shù)計(jì)算焊接工藝參數(shù)，同時(shí)考慮焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的影響自動(dòng)修正工藝參數(shù),得出適合于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程,從而不用人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接過(guò)程。

采用西門子模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

采用Touch win 與機(jī)械鍵盤組合的人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互快速方便。Touch win 可以實(shí)時(shí)顯示焊接流程中每個(gè)階段的各項(xiàng)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(zhǔn)確。

加熱板采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)插入、抽出動(dòng)作的自動(dòng)化，排除人為因數(shù)干擾。

4.2 焊機(jī)的控制系統(tǒng)

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

全自動(dòng)熱熔對(duì)接焊機(jī)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(hào)傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絇LC匯總運(yùn)算。

2.Touch win 進(jìn)行人機(jī)交互，將管材參數(shù)傳輸給PLC進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。并且記錄實(shí)時(shí)焊接數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到自帶的存儲(chǔ)器內(nèi)，存儲(chǔ)器容量為2000條記錄。 Touch win 可以將所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以表格形式導(dǎo)出備份，同時(shí)可以使用與之連接的微型打印機(jī)打印當(dāng)前的焊接記錄。

3.PLC 內(nèi)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(dòng)計(jì)算各種焊接參數(shù)，包括壓力、溫度、時(shí)間。然后進(jìn)入焊接程序中的步進(jìn)程序進(jìn)行自動(dòng)焊接，參照傳感器的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)各參數(shù)。

4.DTU具有GPS定位、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、ID識(shí)別等功能。ID識(shí)別功能采用指紋識(shí)別，焊接開始前需要進(jìn)行指紋解鎖方可進(jìn)入焊接程序。焊接結(jié)束后DTU接收來(lái)自PLC的焊接記錄數(shù)據(jù)，與實(shí)時(shí)的位置信息一起發(fā)送至云端服務(wù)器。

4.3 焊機(jī)軟件功能

1.實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互

2.溫度采樣、壓力采樣、位移采樣、冷端補(bǔ)償、PID 計(jì)算和加熱控制

3.焊接參數(shù)的計(jì)算

4.焊接動(dòng)作流程的控制

5.焊接記錄的存儲(chǔ)、打印、遠(yuǎn)程傳輸

6.對(duì)傳感器故障及操作失誤的報(bào)警處理

參數(shù)計(jì)算

數(shù)據(jù)采樣及焊接流程控制

焊接記錄

故障報(bào)警

五, 基于大數(shù)據(jù)及云技術(shù)的智能PE管熱熔焊機(jī)實(shí)現(xiàn)的管理功能

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

1.數(shù)據(jù)收集管理：能夠收集焊接過(guò)程中的實(shí)時(shí)焊接參數(shù)，以及焊接工程信息（包括但不僅限于工程號(hào)、項(xiàng)目號(hào)、施工隊(duì)信息、施工員信息、焊口編號(hào)、焊口坐標(biāo)）。以此對(duì)施工人員、工程質(zhì)量、管線進(jìn)行管理。

2.實(shí)時(shí)上傳：實(shí)時(shí)上傳焊接信息可以保證信息的真實(shí)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(dāng)前市場(chǎng)應(yīng)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(dá)到亞米級(jí)，精度較高。

4.指紋識(shí)別與人臉識(shí)別：可以用軟件綁定人員信息，控制人員的操作權(quán)限，可以設(shè)定操作有效期，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷人員的焊接質(zhì)量，當(dāng)某個(gè)人的焊接質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題時(shí)能夠提示且取消操作權(quán)限。將每個(gè)焊口的質(zhì)量指定到人。

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

6.拍照功能：可以將焊口的實(shí)際照片與焊口信息綁定，真實(shí)記錄。

7.在線監(jiān)測(cè)：能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)與性能，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)。

8.輔助統(tǒng)計(jì)分析:通過(guò)后臺(tái)軟件對(duì)焊接合格率、焊接效率進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)，再經(jīng)過(guò)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(shí)別與設(shè)備管理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

六． 結(jié)論

全自動(dòng)熱熔對(duì)接焊機(jī)的工藝參數(shù)較多,動(dòng)作過(guò)程也較復(fù)雜, 但利用計(jì)算機(jī)控制焊接的工藝參數(shù)和工藝過(guò)程，把焊接過(guò)程中的人為因素降為最小，這樣就保證了焊接質(zhì)量，

該系統(tǒng)采用PLC對(duì)加熱板的溫度、壓力、位移數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)和控制獲得了滿意的結(jié)果，同時(shí)該系統(tǒng)調(diào)式方便，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，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(shí)利用計(jì)算機(jī)控制塑料壓力管道的焊接,還可以自動(dòng)修正焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件對(duì)焊接工藝參數(shù)的影響,從而能保證焊接的質(zhì)量。

在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析的社會(huì)大背景下，智能PE管熱熔焊機(jī)能夠充分利用這些優(yōu)勢(shì)使得焊接工程更加可控，焊接質(zhì)量更有保障。后期對(duì)管線的維護(hù)監(jiān)測(cè)更加方便。

塑料壓力在燃?xì)狻⒐┡潘�等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其管道的連接技術(shù)保證了管網(wǎng)系統(tǒng)的正常施工和安全運(yùn)行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，塑料壓力管道的焊接技術(shù)將向自動(dòng)化、智能化和信息化方向發(fā)展。

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