CN102009474A - 电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料管道或塑料复合管道电熔焊接技术，旨在提供一种电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法。该方法包括：测量不同焊接条件下电熔接头的剥离能E、特征线与电阻丝的距离L，并获取单位面积剥离能E_p与距离L之间的拟合曲线，作为标定依据；电熔接头焊接质量检测与自动评判的实现。本发明可以防止质量不合格的电熔接头投入使用，保障了塑料管或复合管系统的安全。将用于实现该方法的软件模块集成于电熔焊接或电熔接头的超声检测仪器，实现焊机对焊接质量的自动控制或检测仪器对待检测的电熔焊接接头的自动评价功能，避免了人为因素的干扰，使焊接接头的质量更加可靠以及评价结果更加客观。

Description

电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法

技术领域

本发明涉及塑料管道或塑料复合管道电熔焊接技术，特别涉及电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法。

背景技术

随着我国经济的持续发展和能源结构和政策的调整，为我国管道行业带来了巨大的发展空间。近年来，塑料管道和各种复合管以其优异的综合性能在各行业中得到快速的发展和应用，代表性产品有聚乙烯管、聚丙烯管、聚氯乙烯管、铝塑复合管、钢塑复合管、玻璃纤维增强树脂塑料管等。电熔焊接是塑料管道和复合管最主要的连接方式，对于在复杂恶劣环境(如高压、泥浆等)下使用的复合管道，电熔焊接是唯一适用的连接方法。管道接头是管道系统的薄弱环节。对于输送石油、天然气等能源介质的塑料或复合管道，一旦出现事故，可能造成巨大的经济损失与管道周围区域的相关人员伤亡。为保障这些管道系统的安全运行，接头的焊接工艺确定与焊接质量检测及评价方法必不可少。

电熔焊接的基本原理是将两根待连接管道承插于电熔套筒内，利用嵌于电熔套筒内表面的低阻值电阻丝通电后发热使周围的聚合物材料熔融，冷却固化后形成一体，从而达到焊接的目的。从焊接原理角度讲，电熔焊接相对于其他焊接方式受人为因素影响较小。对于目前普遍应用的39.5V恒电压输出的电熔焊机，焊接时间的长短是唯一需要人工输入的焊接参数。然而，实际上电熔焊接接头质量不仅与焊接时间、焊接电压等焊接工艺参数有关，而且与电熔套筒的电阻值及套筒内表面与管材外表面的间隙等设计参数相关。因此电熔套筒的最佳焊接时间是需要综合考虑电熔套筒的电阻值以及管材与套筒的配合间隙后才能确定。

对于电熔套筒的电阻值及套筒与管材装配间隙等参数的设计问题，国内外尚未形成统一的技术标准，因而各个生产厂家的产品参数都各不相同。目前电熔套筒生产厂商对焊接工艺(焊接时间)的确定主要有两种方式。一种是忽略管材套筒间隙的影响，在参考已有稳定的产品工艺(电阻值)和焊接工艺(焊接时间)的基础上略加调整，形成自己的产品及其相应的焊接工艺；或者通过目前国家标准中的拉伸试验或静液压试验对接头进行力学性能测试，使待测电熔接头达到相应的测试指标要求，并由此来确定最佳焊接时间。实际上拉伸或静液压过程的薄弱点往往在管材上，并不能有效检测焊接面的质量。上述两种方法都无法确定最佳的焊接时间。

实践证明，焊接时间过长会使电阻丝附近温度过高而使材料发生劣化降解并最终导致接头力学性能下降；焊接时间过短会使焊接界面未能充分的熔合，从而未能有效形成界面强度。这种焊接时间过长或过短形成导致电熔接头理学性能下降的缺陷分别称为“过焊”和“冷焊”缺陷。这类缺陷在工程中极易发生，因而是电熔接头焊接质量评价的关键。由于过焊和冷焊的电熔接头其材料都已经发生了熔合，所以接头在外观上与正常焊接接头没有差别；这类接头内部没有孔洞、气泡、裂纹等宏观缺陷，因而超声检测等常规检测手段也无法区分冷焊与过焊接头。此外，冷焊与过焊接头在管道焊接好后的试压过程也未必会破坏。鉴于“冷焊”和“过焊”缺陷的这种难以检测、隐秘性强的特点，业内尚无完整、可靠的检测与质量评价方法。

郑津洋等基于冷焊“特征线”提出聚烯烃管道电熔接头冷焊缺陷的超声检测方法，明确提出如何根据DN90中特征线与金属丝的距离来对冷焊缺陷进行识别，并在某一生产厂家的DN90规格燃气管中得到了应用验证。然而，该方法没有涉及如何界定“冷焊”缺陷，因此也就无法对不同生产厂家、不同规格(管径大小、径厚比)、不同材料的聚烯烃管进行“冷焊”或“过焊”缺陷判定。此外，对于电熔接头应用最为广泛的各种复合管领域，如钢丝缠绕复合管等，目前仍没有一套完整的焊接工艺确定与接头焊接质量检测及评价方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法。

为解决技术问题，本发明采取的技术方案为：

提供一种电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，包括：

步骤一：测量不同焊接条件下电熔接头的剥离能E、特征线与电阻丝的距离L，并获取单位面积剥离能E_p与距离L之间的拟合曲线，作为标定依据：

(1)确定初始焊接时间

初始焊接时间参数根据管径大小，由以下公式确定：

$t_0=\left\{\begin{array}{c}3D-35,D<125\\ 4D-160,D\&GreaterEqual;125\end{array}\right.$

其中，t₀为初始焊接时间，单位：秒；D为塑料管或复合管外径，单位：mm；

(2)在零时间点与初始焊接时间值之间，选择至少4个相同间隔的时间点作为焊接时间，进行电熔接头焊制；

(3)测定各电熔接头特征线与电阻丝距离

利用超声相控阵B扫描截面成像设备对所得的各电熔接头横截面进行检测，获得超声截面图；测量超声截面图中特征线与电阻丝的距离L，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块；

(4)对前述各电熔接头进行拉伸剥离试验，计算单位面积拉伸剥离能，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块；

(5)获取制单位面积剥离能E_p和特征线与电阻丝距离L对应曲线

E_p-L曲线运算模块以单位时间剥离能E_p为纵坐标、以特征线与电阻丝距离L为横坐标，绘制E_p-L散点图；然后用三次样条曲线进行拟合，得到E_p-L对应关系曲线，该曲线中单位面积剥离能峰值E_p max对应的时间即为最佳焊接时间；

步骤二：电熔接头焊接质量检测与自动评判的实现：

(a)测量待检电熔接头特征线与电阻丝的距离L_d；

(b)E_p-L曲线运算模块根据L_d的数值获取与L_d对应的单位面积剥离能E_pd；

(c)E_p-L曲线运算模块向工控机的处理器发送质量判定结果，并显示于显示设备上；

所述质量判定结果，是根据电熔接头单位面积剥离能的大小，将由焊接工艺引起的电熔焊接接头质量分为冷焊、轻微冷焊、正常、轻微过焊、过焊五级：

若E_pd≥1.4E_p max，则判定接头存在过焊缺陷；

若1.4E_p max＞E_pd＞1.2E_p max，则判定接头存在轻微过焊缺陷；

若0.8E_p max≤E_p≤1.2E_p max，则判定接头正常，即不存在冷焊或过焊缺陷；

若0.8E_p max＞E_pd＞0.6E_p max，则判定接头存在轻微冷焊缺陷；

若E_pd≤0.6E_p max，则判定接头存在冷焊缺陷。

本发明中，所述步骤(3)中，利用超声相控阵B扫描截面成像设备进行检测时，将探头放置方向与轴向平行，探头表面通过耦合剂甘油实现耦合。

本发明中，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，每个数据测3个或以上数据，取其平均值。

本发明中，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，若曲线为单调递增函数关系，则在现有最大焊接时间基础上再增加等间隔点的焊接时间焊制新的接头，按照步骤(3)和步骤(4)的方法得到特征线与电阻丝的距离L以及单位面积剥离能E_p，重新按照步骤

(5)的方法绘制E_p-L曲线；反复进行该过程，直至E_p-L曲线出现峰值为止。

本发明中，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，若曲线为单调递减函数关系，则在现有最大焊接时间基础上再减少等间隔点的焊接时间焊制新的接头，按照步骤(3)和步骤(4)的方法得到特征线与电阻丝的距离L以及单位面积剥离能E_p，重新按照步骤(5)的方法绘制E_p-L曲线；反复进行该过程，直至出现峰值为止。

本发明的有益效果为：

本发明明确地提出一个定量的指标来衡量塑料管道或复合管道电熔接头焊接质量的好坏，给出具体的实施方法，对电熔接头焊接质量进行分级，从而可以防止质量不合格的电熔接头投入使用，保障了塑料管或复合管系统的安全。将用于实现该方法的软件模块集成于电熔焊接或电熔接头的超声检测仪器，实现焊机对焊接质量的自动控制或检测仪器对待检测的电熔焊接接头的自动评价功能，避免了人为因素的干扰，使焊接接头的质量更加可靠以及评价结果更加客观。

附图说明

图1聚乙烯管中特征线与电阻丝的超声截面图；

图2钢丝缠绕复合管中特征线与电阻丝的超声截面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例子对本发明的实现方法进行详细表述。

本发明中，单位面积剥离能E_p以及特征线与电阻丝的距离L是通过拉伸剥离试验和超声相控阵B扫描截面成像试验来实现的。用拉伸剥离试验确定焊接界面的单位面积剥离能E_p，根据单位面积剥离能的大小和剥离试样的破坏位置判断接头焊接界面是否达到最佳力学性能。通过超声相控阵B扫描截面成像试验可以获得电熔接头截面的超声成像图，逐渐增强超声检测仪器的发射声强度，直至图像中出现清晰的电阻丝与特征线回波信号后保存图像。利用图片编辑工具，如Windows画图板等，测量特征线与金属丝的距离L。制作不同焊接时间的电熔接头，分别进行上述两个试验，测量不同焊接时间电熔接头的特征线与电阻丝之间的距离，并记录每个焊接时间的电熔接头的单位面积剥离能，建立焊接时间t、单位面积剥离能E_p以及特征线与金属丝的距离L三者之间的对应关系，绘制E_p-L对应关系图。对于待检测接头，采用超声相控阵B扫描截面成像试验测量特征线与金属丝的距离L_d，查对应规格的E_p-L对应关系图得到待测接头的单位面积剥离能。通过剥离能的大小判断待测电熔接头是否存在冷焊或过焊缺陷。

要实现上述发明内容，需按照如下两个步骤实施：

步骤一：测量不同焊接条件下电熔接头的剥离能E、特征线与电阻丝的距离L，并获取单位面积剥离能E_p与距离L之间的拟合曲线，作为标定依据：

(1)确定初始焊接时间

初始焊接时间参数根据管径大小，由以下公式计算：

$t_0=\left\{\begin{array}{c}3D-35,D<125\\ 4D-160,D\&GreaterEqual;125\end{array}\right.$

其中

t₀为初始焊接时间，单位：秒；

D为塑料管或复合管外径，单位：mm

(2)选定初始焊接时间的0.2，0.4，0.6，0.8倍作为焊接时间焊制电熔接头；

如当管径为90mm时，根据步骤(1)中公式计算得到t₀为235s。则分别取焊接时间为47s，94s，141s，188s焊制电熔接头。

(3)测定各电熔接头的特征线与电阻丝距离

采用超声相控阵B扫描截面成像设备对电熔接头横截面进行检测，获得超声截面图。探头放置方向与轴向平行，探头表面通过甘油等耦合剂实现耦合。

获得清晰的电熔接头超声截面图之后，分别找出图像中的电阻丝超声反射信号和特征线信号，用Windows画图板等工具测量特征线与电阻丝的距离L，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块。以聚乙烯管和钢丝缠绕复合管为例(如图1、2)，图中上部的横线即为特征线，在中间部分沿着横向不连续分布的为电阻丝回波信号。

所述的“E_p-L曲线运算模块”是内置于工控机的软件功能模块，其实现方式可有多种，本领域技术人员通过常规的软件编程即可实现，本发明对此不再赘述。

(4)对电熔接头进行拉伸剥离试验，计算单位面积拉伸剥离能，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块；

对于外径大于等于90mm的塑料管或复合管电熔接头，试验方法参照国家标准GB/T19808-2005执行。对于外径小于90mm的电熔接头，沿圆周方向取30°接头试样作为拉伸剥离试样，试验方法同样参照GB/T19808-2005执行。

试样制备好后，测量试样宽度和熔合面长度，计算得到熔合面面积A。

进行拉伸剥离试验，记录剥离过程中力-位移曲线。设拉伸剥离过程记录的位移

剥离力F与x一一对应。则剥离能用如下公式计算：

$E={\&Integral;}_0^{x_f}F\left(x\right)\&CenterDot;\mathrm{dx}$

式中：

E为电熔接头拉伸剥离能；

x为拉伸过程记录的位移；

F为与x相对应的拉伸剥离力。

将测量得到的剥离力和位移带入上式，采用梯形法、辛普森法等数值积分方法计算剥离能。为保证数值积分方法得到的剥离能的精度，位移和拉力至少5秒钟记录一次。

单位面积拉伸剥离能用以下公式计算：

$E_p=\frac{E}{A}$

式中：

E_p为电熔接头单位面积剥离能；

A为拉伸剥离试样的熔合面面积；

(5)获取单位面积剥离能E_p和特征线与电阻丝间距L对应曲线

采用步骤(3)和(4)对每一焊接时间焊制的电熔接头对应特征线与电阻丝距离、单位面积剥离能进行测量计算。每个数据测3个或以上数据，取其平均值。E_p-L曲线运算模块将以单位时间剥离能E_p为纵坐标，特征线与电阻丝间距L为横坐标，绘制E_p-L散点图，然后用三次样条曲线进行拟合，得到E_p-L对应关系曲线，该曲线中单位面积剥离能峰值E_p max对应的时间即为最佳焊接时间。

若曲线为单调递增函数关系，则在现有最大焊接时间基础上在增加0.2t₀的焊接时间焊制新的电熔接头。按照步骤(3)和(4)的方法得到特征线与电阻丝的距离以及单位面积剥离能，重新按照步骤(5)的方法绘制E_p-L曲线。反复进行该过程，直至E_p-L曲线出现峰值为止。例如DN90电熔接头分别用47s，94s，141s，188s焊接时间焊制后，用上述步骤得到的E_p-L曲线为单调递增曲线，则下一步在最大焊接时间188s基础上增加0.2×235s，共235s焊接时间焊制电熔接头。测得该电熔接头特征线与电阻丝的距离以及单位面积剥离能，与前面4个点一起绘制在E_p-L曲线上。若曲线仍然单调递增，则用235+0.2*235s焊接时间继续焊制电熔接头进行试验，直至得到的E_p-L曲线出现峰值。

若曲线为单调递减函数关系，则在现有最大焊接时间基础上在减少0.2t₀的焊接时间直至出现峰值为止。试验过程与E_p-L曲线单调递增的情况相同，不再赘述。

若拟合的曲线存在极大(峰)值，则单位面积剥离能峰值对应的时间即为最佳焊接时间，并记峰值单位面积剥离能记为E_p max。

步骤二：电熔接头焊接质量检测与自动评判的实现：

(a)测量接头检测特征线与电阻丝的距离

测量待测电熔接头中特征线与电阻丝的距离L_d，具体测量方法同步骤一中的(3)。

(b)查单位面积剥离能

E_p-L曲线运算模块根据步骤一中得到的E_p-L曲线图，在与待测电熔接头同一规格的E_p-L曲线图中找到与L_d对应的单位面积剥离能E_pd。

(c)判定电熔接头焊接质量

E_p-L曲线运算模块向工控机的处理器发送质量判定结果，并显示于显示设备上；

所述质量判定结果，是根据电熔接头单位面积剥离能的大小，将由焊接工艺引起的电熔焊接接头质量分为冷焊、轻微冷焊、正常、轻微过焊、过焊五级。

若E_pd≥1.4E_p max，判定接头存在过焊缺陷；

若1.4E_p max＞E_pd＞1.2E_p max，判定接头存在轻微过焊缺陷；

若0.8E_p max≤E_p≤1.2E_p max，判定接头正常，即不存在“冷焊”或“过焊”缺陷；

若0.8E_p max＞E_pd＞0.6E_p max，判定接头存在轻微冷焊缺陷；

若E_pd≤0.6E_p max，判定接头存在冷焊缺陷。

最后，以上公布的仅是本发明的具体实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，包括：

步骤一：测量不同焊接条件下电熔接头的剥离能E、特征线与电阻丝的距离L，并获取单位面积剥离能E_p与距离L之间的拟合曲线，作为标定依据：

(1)确定初始焊接时间

初始焊接时间参数根据管径大小，由以下公式确定：

$t_0=\left\{\begin{array}{c}3D-35,D<125\\ 4D-160,D\&GreaterEqual;125\end{array}\right.$

其中，t₀为初始焊接时间，秒；D为塑料管或复合管外径，mm；

(2)在零时间点与初始焊接时间值之间，选择至少4个相同间隔的时间点作为焊接时间，进行电熔接头焊制；

(3)测定各电熔接头特征线与电阻丝距离

利用超声相控阵B扫描截面成像设备对所得的各电熔接头横截面进行检测，获得超声截面图；测量超声截面图中特征线与电阻丝的距离L，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块；

(4)对前述各电熔接头进行拉伸剥离试验，计算单位面积拉伸剥离能，并将其数值输入E_p-L曲线运算模块；

(5)获取制单位面积剥离能E_p和特征线与电阻丝距离L对应曲线

E_p-L曲线运算模块以单位时间剥离能E_p为纵坐标、以特征线与电阻丝距离L为横坐标，绘制E_p-L散点图；然后用三次样条曲线进行拟合，得到E_p-L对应关系曲线，该曲线中单位面积剥离能峰值E_p max对应的时间即为最佳焊接时间；

步骤二：电熔接头焊接质量检测与自动评判的实现：

(a)测量待检电熔接头特征线与电阻丝的距离L_d；

(b)E_p-L曲线运算模块根据L_d的数值获取与L_d对应的单位面积剥离能E_pd；

(c)E_p-L曲线运算模块向工控机的处理器发送质量判定结果，并显示于显示设备上；

所述质量判定结果，是根据电熔接头单位面积剥离能的大小，将由焊接工艺引起的电熔焊接接头质量分为冷焊、轻微冷焊、正常、轻微过焊、过焊五级：

若E_pd≥1.4E_p max，则判定接头存在过焊缺陷；

若1.4E_pmax＞E_pd＞1.2E_p max，则判定接头存在轻微过焊缺陷；

若0.8E_p max≤E_p≤1.2E_p max，则判定接头正常，即不存在冷焊或过焊缺陷；

若0.8E_p max＞E_pd＞0.6E_p max，则判定接头存在轻微冷焊缺陷；

若E_pd≤0.6E_p max，则判定接头存在冷焊缺陷。

2.根据权利要求1所述的电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用超声相控阵B扫描截面成像设备进行检测时，将探头放置方向与轴向平行，探头表面通过耦合剂甘油实现耦合。

3.根据权利要求1所述的电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，其特征在于，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，每个数据测3个或以上数据，取其平均值。

4.根据权利要求1所述的电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，其特征在于，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，若曲线为单调递增函数关系，则在现有最大焊接时间基础上再增加等间隔点的焊接时间焊制新的接头，按照步骤(3)和步骤(4)的方法得到特征线与电阻丝的距离L以及单位面积剥离能E_p，重新按照步骤(5)的方法绘制E_p-L曲线；反复进行该过程，直至E_p-L曲线出现峰值为止。

5.根据权利要求1所述的电熔接头焊接质量检测与实现自动评判的方法，其特征在于，所述步骤(5)获取E_p-L对应关系曲线时，若曲线为单调递减函数关系，则在现有最大焊接时间基础上再减少等间隔点的焊接时间焊制新的接头，按照步骤(3)和步骤(4)的方法得到特征线与电阻丝的距离L以及单位面积剥离能E_p，重新按照步骤(5)的方法绘制E_p-L曲线；反复进行该过程，直至出现峰值为止。

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