第一章　概述

第一節(jié)　塑料焊接基本知識

高分子材料是由分子量很大的大分子組成的材料，包括橡膠、纖維、塑料、高分子膠黏劑、高分子涂料和高分子基復合材料等。高分子材料與金屬材料（黑色金屬和有色金屬）、無機非金屬材料（如水泥、絕熱棉、耐火材料、陶瓷）一樣，是科學技術、經(jīng)濟建設中的重要材料。

塑料是以高分子合成樹脂為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑和著色劑等添加劑為輔料成分的材料；在一定溫度、壓力下塑制成型；按照理化特性不同，分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

熱塑性塑料以熱塑性樹脂為主體成分，加工塑化成型后具有鏈狀線性分子結構；受熱后又軟化，可以反復塑制成型，如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）等。其優(yōu)點是加工成型簡便，具有較好的力學性能；缺點是耐熱性和剛性比較差。例如，煤氣管采用中高密度聚乙烯制作。

熱固性塑料以熱固性樹脂為主體成分，加工固化成型后具有網(wǎng)狀體型的結構，受熱后不再軟化，超過一定溫度發(fā)生分解炭化，不可以反復成型。其優(yōu)點是耐熱性高，受壓不易變形等；缺點是力學性能不好，焊接性差。這類塑料有酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。

塑料的連接方法主要有膠接、機械連接和焊接。塑料焊接主要針對聚氯乙烯（PVC：包括氯化聚氯乙烯PVC-C、硬質(zhì)聚氯乙烯PVC-U、軟質(zhì)聚氯乙烯PVC-R）、聚丙烯（PP：包括嵌段共聚聚丙烯PP-B、均聚聚丙烯PP-H、無規(guī)共聚聚丙烯PP-R）、聚乙烯（PE：包括高密度聚乙烯PE-HD、中密度聚乙烯PE-MD、低密度聚乙烯PE-LD）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚四氟乙烯（PTFE-TFM）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）與聚酰胺（PA）等熱塑性塑料和塑料合金的單層管材和板材。

一、塑料焊接原理

1.焊接原理^[1]

采用加熱、加壓或其他方法，使熱塑性塑料制品的兩個或多個表面融合成一個整體的方法，稱為塑料焊接。塑料焊接的基本原理是熱熔狀態(tài)的塑料大分子在焊接壓力的作用下相互擴散，因為范德華作用力，緊密地連接在一起。

熱塑性材料在特定的溫度范圍內(nèi)，能反復加熱軟化和冷卻變硬，而熱固性塑料受熱后成為不熔的物質(zhì)，再次受熱不再具有可塑性。不言而喻，凡加熱能熔融冷卻后又能保持一定強度的塑料，即熱塑性塑料都可以進行焊接，在高溫下很不穩(wěn)定的熱塑性塑料當屬例外。

熱塑性塑料屬于線性非晶態(tài)高聚物，其溫度-形變曲線如圖1-1所示，在不同的溫度條件下會呈現(xiàn)出三種不同的態(tài)勢，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，并具有兩個轉化區(qū)：玻璃態(tài)轉化區(qū)和黏流態(tài)轉化區(qū)。熱塑性塑料的玻璃化轉變溫度T_g一般低于室溫，所以在室溫下處于高彈態(tài)，塑料的焊接便是在高彈態(tài)與黏流態(tài)相互轉化過程中實現(xiàn)的，分子間并沒有產(chǎn)生化學反應，屬于物理變化。

2.塑料焊接三要素

塑料焊接的三要素：溫度、壓力和時間。

（1）溫度　聚合物的自黏力與其所處的物理狀態(tài)有關，其物理狀態(tài)首先取決于溫度。當結晶型聚合物處于玻璃態(tài)時，即使相互接觸保持很長時間，兩個接觸表面之間也不會黏合，而當聚合物轉化為黏流狀態(tài)時，其集合強度便接近聚合物的內(nèi)聚力，此時所得到的焊接接頭就不會有明顯的分界線。

（2）壓力　升高溫度可使分子之間相互作用，但實踐證明僅僅是溫度達到要求而不給壓力，仍然不能形成高強度的接頭。不管是熱氣焊接還是熱板接觸焊接，除溫度以外形成接頭的另一個必要條件，是讓焊件的兩個表面層接近到一定的距離，這就必須施加壓力。壓力作用不僅使距離達到要求，還使焊接區(qū)的聚合物得到流動，使不平坦處得到補償，排除妨礙大分子相互作用的弱界面層（聚合物表面的氧化部分、污染物、空氣等），從而獲得高強度的接頭。

（3）時間　要有適當?shù)臒崛蹠r間和足夠的冷卻時間。當熱功率一定時，時間不夠會出現(xiàn)虛焊，時間過長會造成焊件變形，熔渣溢出，有時還會在非焊接部位出現(xiàn)熱斑（變色）。必須保證焊接面吸收足夠的熱量達到充分熔融的狀態(tài)，才能保證分子間充分擴散熔合，同時必須保證足夠的冷卻時間使焊縫達到足夠的強度。

二、塑料焊接分類

塑料的焊接方法大體可分為四大類，即熱風焊、擠出焊、電熔焊及熱熔焊。

1.熱風焊

將壓縮空氣（或惰性氣體）經(jīng)過焊槍的加熱器，加熱到焊接塑料所需的溫度，然后用這種經(jīng)過預熱的氣體加熱焊件和焊條，使之達到熔融狀態(tài)，從而在不大的壓力下使焊件得以結合。

熱風焊接的主要設備由供氣系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)組成。供氣系統(tǒng)的作用是提供干凈的、具有一定穩(wěn)定壓力和大流量的氣體。壓縮氣體的壓力一般控制在1000～2800Pa，壓力過小供氣量不足，影響焊接速度和焊槍的壽命，壓力過大會使焊縫表面發(fā)毛和槍芯壽命縮短。加熱系統(tǒng)由加熱元件和控制部分構成，以保證壓縮氣體通過加熱元件后，壓縮氣體的溫度可以在100～700℃之間調(diào)節(jié)并穩(wěn)定，以適應各種不同的塑料。

2.擠出焊

通常采用的工藝方式為：預熱被焊母材表面至焊接溫度，使母材表面軟化，同時焊條經(jīng)送料器喂入螺桿內(nèi)部，焊條經(jīng)過加熱均勻熔化、螺桿攪拌重新塑化后擠出，在施加壓力的狀態(tài)下被擠出至已經(jīng)加熱的被焊母材表面，焊料與被焊母材之間依焊接風嘴不同形狀和實際要求壓成焊縫，不同界面的材料完全相熔合。隨著溫度的下降，焊條熔體和被焊母材相互滲透后被固化結合成為一個整體，從而保證較高的焊接強度。擠出焊槍有兩個獨立熱源，分別加熱熔融焊條以及對母材進行預熱，既保證了母材能夠有足夠的流動性，又保證了焊條熔體不致溫度過高而被破壞。

3.電熔焊

用電熔焊機給鑲嵌在電熔管件內(nèi)壁的電阻絲加熱，其加熱的能量使管件和被焊接件的連接面熔融，在管件兩端的間隙封閉后，界面熔融區(qū)的熔融物在高溫和壓力作用下，其分子鏈段相互擴散，當界面上互相擴散的深度達到鏈纏結所必需的尺寸，自然冷卻后界面就可以得到必要的焊接強度，形成可靠的焊接連接。

具體焊接操作過程包括焊接前準備、清潔電源輸出接頭、材料截取、焊接面清理、焊接件承插、輸出接頭連接、焊接模式設定、焊接數(shù)據(jù)輸入、焊接及自然冷卻。可見，能否形成可靠的焊接連接，主要由電熔管件的設計、電阻的溫度-電阻特性、電熔焊機提供的電源電壓的穩(wěn)定性、管件和焊接件的材料性質(zhì)、管件和焊接件連接界面的預處理狀況、管件和焊接件連接界面間的縫隙寬度和均勻性、管件和焊接件的對中和夾持穩(wěn)定狀況、焊接工藝參數(shù)、焊接時環(huán)境溫度和操作人員水平等因素決定。

4.熱熔焊

利用加熱工具將焊接件斷面加熱到210℃左右，在可控壓力下持續(xù)一定時間，使兩端面熔合為一體，形成符合質(zhì)量要求的焊接接頭。其主要工藝過程為調(diào)整、加熱、切換、合縫加壓和冷卻。對接時界面上處于黏流態(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調(diào)整好溫度、時間、壓力三個參數(shù)，要把連接界面材料的性能、應力狀況、幾何形態(tài)以及環(huán)境條件等因素一起考慮，才能實現(xiàn)可靠的熔焊。

三、塑料焊接工藝及焊接工藝評定

1.塑料焊接工藝

塑料焊接工藝通常是指焊接過程中的一整套技術規(guī)定，包括焊接方法、焊前準備、焊接材料、焊接設備、焊接順序、焊接操作、工藝參數(shù)以及焊接接頭質(zhì)量要求等。因此，不同的方法也就有不同的焊接工藝，這里也就帶來了焊接工藝參數(shù)的概念，為保證焊接質(zhì)量而選定的諸多物理量被稱為焊接工藝參數(shù)。焊接工藝是焊接質(zhì)量優(yōu)劣的重要保證，塑料焊接工藝主要參數(shù)包括：溫度、壓力和時間。

塑料焊接工藝是塑料焊接生產(chǎn)的指導性工藝文件，是用于指導焊工施焊的作業(yè)指導書，對于承壓特種設備的焊接必須編制焊接工藝。焊接工藝要求在相關制造標準中都有明確規(guī)定，焊接工藝是保證塑料焊接質(zhì)量的重要措施。焊接工藝應根據(jù)設計文件、制造標準的規(guī)定由企業(yè)自主編制。焊接工藝分為通用焊接工藝和專用焊接工藝。

塑料焊接工藝的主要內(nèi)容包括：①編制單位名稱；②焊接工藝編號及相應焊接工藝評定編號；③焊接方法名稱及自動化等級；④焊接接頭形式；⑤塑料母材牌號及規(guī)格；⑥焊接材料牌號及規(guī)格；⑦焊接規(guī)范參數(shù)；⑧焊接操作技術；⑨焊接設備；⑩焊縫及試件質(zhì)量要求、檢驗方法及驗收標準。

2.焊接工藝評定

塑料焊接工藝評定是塑料焊接工作中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)安全技術規(guī)范，在焊接工藝實施之前應對所擬訂的焊接工藝進行驗證性試驗及結果評價，其目的是使焊接接頭符合標準要求。然后把評定的工藝參數(shù)移植到生產(chǎn)中，來指導生產(chǎn)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

（1）定義：焊接工藝評定（WPQ）是指為使焊接接頭符合標準要求，對所擬訂的焊接工藝進行驗證性試驗及結果評價的過程。

（2）焊接工藝評定原則和一般要求：焊接工藝評定應以可靠的塑料焊接性能為依據(jù)，并在產(chǎn)品焊接之前完成。塑料焊接工藝評定一般要求應按照相應的規(guī)程標準實施，對于燃氣管道，熱熔焊和電熔焊的焊接工藝評定應按照TSG D2002—2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規(guī)則》的規(guī)定進行。焊接工藝評定的一般程序為：擬訂焊接工藝預規(guī)程—施焊試件和制取試樣—檢驗試件和試樣—測定焊接接頭是否具有所要求的使用性能—對擬訂的焊接工藝預規(guī)程評定（以驗證擬訂的焊接工藝的正確性，并評定施焊單位能力）—編制焊接工藝評定報告（PQR）。

四、塑料焊接常見缺陷

1.焊接缺陷分類

大量實踐證明，塑料焊接件中最薄弱的環(huán)節(jié)就是其焊接接頭。如塑料管道系統(tǒng)中，焊接接頭失效破壞引起的泄漏事故經(jīng)常發(fā)生，造成很大人員傷亡和經(jīng)濟損失。塑料焊接件焊接接頭失效的最主要原因就是在連接過程中操作不當或者工藝參數(shù)選取不當引起缺陷，造成焊接接頭綜合性能下降。塑料焊接件焊接缺陷按性質(zhì)分為裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、孔洞、外觀缺陷。按缺陷形狀可將夾渣、孔洞分為條形缺陷和圓形缺陷。

塑料焊接因焊接方法不同，其缺陷類型和成因也存在差異，常見的缺陷主要有裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、孔洞。

（1）裂紋　裂紋指由于環(huán)境或應力的作用，在焊接接頭的熔合面上出現(xiàn)局部縫隙，嚴重削弱了接頭的性能，縮短接頭壽命，在承受載荷的條件下極易失效。形成裂紋的原因一般有兩點：一是焊接區(qū)域溫度過低，焊縫熔池區(qū)部分急劇向各自母體收縮且收縮率不同而造成裂紋；二是熔融時間較短，塑料分子來不及充分擴散而形成裂紋。裂紋屬于局部面缺陷，具體形貌如圖1-2所示。

（2）未熔合　未熔合在焊接過程中表現(xiàn)為焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結合。其形成的原因是：由于兩管材的熱力學性能不一致而產(chǎn)生不匹配，如熔點溫度、收縮速率的差異，造成焊縫處產(chǎn)生未熔合缺陷；由于焊接端面的溫度過低或閉合時的壓力不足，界面層沒有完全浸潤，分子之間擴散的深度不足，不能形成足夠的擴散與纏結，焊接熔合區(qū)不均勻，從而形成未熔合缺陷；焊接端面如果有磕碰、劃傷，使得兩端面在熔融后的熱流動距離不同也會造成未熔合，具體形貌如圖1-3所示。

（3）未焊透　未焊透指母材之間沒有熔化，焊縫材料沒有進入接頭的根部造成的缺陷。

產(chǎn)生未焊透的原因主要有：焊接電壓過低，加熱時間較短，冷卻過快，坡口角度太小，根部鈍邊太厚，間隙太小。

未焊透也是一種比較危險的缺陷，其危害性取決于缺陷的形狀、深度和長度。

（4）夾渣　夾渣指在焊接過程中熔合面存在微小雜質(zhì)顆粒或大量微小氣泡致使塑料分子鏈纏結不牢，使整個熔合面的結合程度下降，嚴重削弱接頭性能。其形成的原因是：接頭管材兩端面有異物存在，在焊接過程中異物夾在熔池中直接形成夾渣；或者是過高的焊接界面溫度使焊接區(qū)域的材料發(fā)生嚴重降解，降解物夾在熔池內(nèi)而形成夾渣。夾渣屬于整體面缺陷，具體形式如圖1-4所示。

（5）孔洞（氣孔）　孔洞是焊接過程中熔池中的氣體在熔池凝固時未能逸出而造成的穴，一般呈球形或橢球形。其形成的原因有：焊接端面表面油污未清理干凈，隨著加熱溫度的升高而蒸發(fā)，在較短的熔接時間內(nèi)氣態(tài)的油污未能及時從熔池中逸出；或者是在材料成形過程中擴散進入材料內(nèi)部的水分在焊接過程中發(fā)生水分解產(chǎn)生的氣體在熔池中不能及時排出。

當材料在冷卻過程中體積縮小時，如果此時壓力不足就會在熔池產(chǎn)生空隙，導致形成縮孔。當在焊接過程中焊接件斷面存在較大氣孔、縮孔或固體顆粒時，導致在焊縫內(nèi)部形成孔洞。孔洞使接頭內(nèi)部結構不連續(xù)，存在孔洞處力學性能嚴重下降，削弱了接頭的性能，其屬于體積型缺陷，具體形貌如圖1-5所示。

2.焊接缺陷的危害性

焊接缺陷對焊接構件的危害，主要有以下三個方面：

（1）引起應力集中。焊接接頭中應力的分布是十分復雜的，凡是結構截面有突然變化的部位，應力的分布便不均勻，在某些點的應力值可能比平均應力值大許多倍，這種現(xiàn)象稱為應力集中。造成應力集中的原因很多，而焊縫中存在缺陷是其中一個很重要的因素。焊縫內(nèi)存在的裂紋、未焊透及其他帶尖缺口的缺陷，使焊縫截面不連續(xù)，產(chǎn)生突變部位，在外力作用下將產(chǎn)生很大的應力集中。當應力超過缺陷前端部位材料的斷裂強度時，材料就會產(chǎn)生開裂破壞。

（2）縮短使用壽命。缺陷會削弱焊縫的有效工作截面，影響焊縫的力學性能，大大縮短使用壽命。

（3）缺陷可能穿透構件，發(fā)生泄漏，影響致密性。