CN102052539A - 采用榫卯结构的管道电熔接头及电熔焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料管道或塑料复合管道焊接领域，旨在提供采用榫卯结构的管道电熔接头及电熔焊接方法。该管道电熔接头包括分别连接于两段管材的两个相对的管道端头，在所述两个管道端头的端面上，其中一个端面上设置环形凸出部，另一个端面上设置环形凹槽；所述凸出部与凹槽尺寸和形状相匹配，当凸出部进入凹槽后两个端面紧密贴合。该焊接方法主要是在电熔套筒的中间冷焊区埋设电阻丝。通过使用本发明中管道电熔接头和焊接方法焊制的塑料管或复合管，其电熔接头内部不存在未融合区，相比传统的电熔接头具有更好的结构连续性，机械性能更好。可以避免在内压作用下由于套筒内冷焊区的存在而产生应力集中，进而发生裂纹贯穿套筒而失效。

Description

采用榫卯结构的管道电熔接头及电熔焊接方法

技术领域

本发明属于塑料管道或塑料复合管道焊接领域，具体涉及采用榫卯结构的管道电熔接头及电熔焊接方法。

背景技术

电熔焊接广泛用于连接塑料和塑料复合管道，如聚乙烯管、钢丝缠绕复合管等。电熔焊接具有焊接过程受人为因素干扰较少、接头强度大于管材强度、焊接质量稳定可靠等优点。为提高电熔接头焊接质量，确保电熔接头能达到管道设计寿命的要求，已有相当部分国内外技术人员对制备电熔接头的结构、工艺、操作方法、设备附件等进行规范约束或改进。如浙江大学郑津洋教授针对电熔焊接准备过程中手工刮削氧化皮不稳定的问题，提出了一种“聚乙烯管氧化皮刮削器”；针对电熔焊接可能出现的焊接时间过长或不足而造成接头“过焊”或者“冷焊”缺陷的问题，提出了一种“聚烯烃管道电熔焊接接头冷焊缺陷的超声检测方法”；针对电熔焊接最佳焊接工艺的确定方法，提出了“基于特征线的管道电熔焊接时间测定方法”；针对电熔焊接操作过程依赖于焊工素质，无法智能化管理的问题，提出了一种新型焊机，即“通过无线网络实现焊接质量监控的电熔焊机及实现方法”。

但是，即便电熔焊接技术不断改进和完善，电熔接头失效的风险仍然存在。一种典型的失效形式是在内压作用下，沿着电熔接头内冷焊区的第一根电阻丝向外产生裂纹，最终导致套筒破裂。导致这种失效形式发生的主要原因是由于内冷焊区管材和套筒并没有粘合在一起，在内压的作用下，在套筒内冷焊区第一根电阻丝的位置产生应力集中。由于电阻丝的存在破坏的接头的结构连续性，在应力的作用下很容易产生裂纹萌生扩展。

这种失效形式的根本原因是内冷焊区的存在，如果能消除内冷焊区，使得中间部分的管材和套筒也能粘合在一起，就可以避免这种失效形式发生。但是内冷焊区过小或没有又可能导致熔料大量地向中间流动，从而导致电阻丝搭接短路，造成局部过热等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中内冷焊区的长短可能导致应力集中或者电阻丝短路的缺陷，提供一种采用榫卯结构的管道电熔接头及电熔焊接方法。

为解决技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种采用榫卯结构的管道电熔接头，包括分别连接于两段管材的两个相对的管道端头，在所述两个管道端头的端面上，其中一个端面上设置环形凸出部，另一个端面上设置环形凹槽；所述凸出部与凹槽尺寸和形状相匹配，当凸出部进入凹槽后两个端面紧密贴合。

作为一种改进，所述管道端头与管材为一体式结构。凸出部或凹槽是在管道端头的端面上以铣刀加工而成。

作为一种改进，所述管道端头与管材为分体式结构，管道端头一端的外沿环设延伸的模套，模套将管材固定并使管道端头与管材的两端面紧密贴合，所述凸出部或凹槽设置于管道端头的另一端。

作为一种改进，设管材的壁厚为e，则管道端头的厚度取0.5e和1.5e之间，模套厚度为0.05e～0.1e，模套向外延伸的角度为5°。

作为一种改进，设管材的壁厚为e，则凸出部的高度为0.3e～1e、宽度≤0.4e、外缘厚度≥0.3e；凸出部高度+0.1e≥凹槽的深度≥凸出部高度，凸出部宽度+0.1e≥凹槽宽度≥凸出部宽度，凸出部外缘厚度≥凹槽外缘厚度≥凸出部外缘厚度-0.1e。

传统的电熔套筒为在电熔接头中间区域产生一个内冷焊区，中间区域没有布设电阻丝，而只通过一根连接线。

作为更进一步的目的，本发明还提供了一种采用榫卯结构的管道电熔接头的电熔焊接方法，包括：

(1)对待焊接的管材进行端部处理，采用榫卯结构的管道电熔接头：两个相对的管道端头分别连接于两段管材，在其中一个端面上设置环形凸出部，另一个端面上设置环形凹槽；所述凸出部与凹槽尺寸和形状相匹配，使得凸出部进入凹槽后两个端面紧密贴合；

(2)在电熔套筒的中间区域埋设电阻丝，电阻丝的布线密度小于两端熔焊区域中电阻丝的布线密度，根据常规电熔焊接工艺要求进行焊接，从而防止焊区内焊接压力过大。

作为一种改进，所述中间冷焊区埋设电阻丝的铺设要求为：

1)长度要求：设管材的壁厚为e，中间冷焊区长度Ln≥2e；

2)布线密度：中间冷焊区电阻丝的埋设间距dn取1.2dr≤dn≤3dr，dr为单边熔融区的电阻丝埋设间距。

本发明的有益之处在于：

通过使用本发明中管道电熔接头和焊接方法焊制的塑料管或复合管，其电熔接头内部不存在未融合区，相比传统的电熔接头具有更好的结构连续性，机械性能更好。可以避免在内压作用下由于套筒内冷焊区的存在而产生应力集中，进而发生裂纹贯穿套筒而失效。

附图说明

图1为电熔套筒电阻丝分布图；

图2为用铣刀加工管材端面图；

图3为可套在管材端部的独立的带凹槽或凸出部的管道端头；

图4为用铣刀加工好的管材端焊制的电熔接头。

图中附图标记为：1为外冷焊区；2为电极；3为熔焊区；4为中间冷焊区(传统电熔接头两个内冷焊区合并)；5为管材；6为凹槽宽度；7为凹槽深度；8为凹槽外缘厚度；9为凸出部高度；10为凸出部外缘厚度；11为凸出部宽度；12为管材；13为管道端头的底面；14为管道端头外沿环设延伸的模套；15为管道端头的厚度；16为带凹槽的管道端头；17为管道端头的厚度；18为带凸出部的管道端头；19为管道端头外沿环设延伸的模套；20为管道端头的底面。

具体实施方式

以下结合附图来详细说明本发明的实施例。

本发明包含两部分内容：

一方面是提出一种新的电熔套筒布线工艺。传统的电熔套筒为在电熔接头中间区域产生一个内冷焊区，中间区域没有布线。本发明提出在电熔套筒的中间区域也埋设电阻丝，但电阻丝的布线密度比熔焊区小，从而防止焊区内焊接压力过大。

另一方面是对焊接的管材进行端部处理，可以有两种方法：

一种方法是在电熔焊接前进行端面清理的同时，用铣刀在待连接的管材两个端面分别铣出一个凹槽和一个凸出部。凹槽和凸出部的大小、位置刚好使之可以贴合在一起(凹槽要略大于凸出部)。另一种方法是专门生产独立的带有凹槽或凸出部的管道端头。两种管道端头可以相互配合在一起，同时可以分别套装在管材的端部。

电熔焊接前，将管材两端加工出来的凹槽和凸出部、或套装在端部的管道端头伸入前述改制的电熔套筒并通过轴向压紧力使相互之间配合贴紧。然后采用普通的电熔焊机进行焊接即可。

具体实施例1：

1、电熔套筒的布线工艺：

电阻丝埋入铺设要点如下：1)长度要求：设管材的壁厚为e，外冷焊区1的长度Lw≥0.8e；熔合区3长度Lr≥e+5mm；原位于中间的两侧内冷焊区合并为中间冷焊区4，长度Ln≥2e。2)布线密度：中间冷焊区的电阻丝埋设间距dn要大于熔合区的电阻丝埋设间距dr，可取1.2dr≤dn≤3dr。

2、管道端头加工凹槽和凸出部

凸出部高度9为0.3e～1e；凸出部宽度11≤0.4e；凸出部外侧厚度≥0.3e。凹槽深度7大于等于凸出部高度，小于等于凸出部高度+0.1e；凹槽宽度6大于等于凸出部宽度，小于等于凸出部宽度+0.1e；凹槽外缘厚度8大于等于凸出部外缘厚度-0.1e，小于等于凸出部外缘厚度。

3、独立的带凹槽或凸出部的管道端头

带凹槽或凸出部的管道端头为与管材基体材料相同的高分子材料。如PE80聚乙烯管就用PE80聚乙烯；钢丝缠绕复合管(PSP)就用基体材料聚乙烯(同时需要匹配材料型号)。

带凹槽或凸出部的管道端头的厚度取0.5e和1.5e之间，凹槽和凸出部的尺寸及分布和管材端部加工的凹槽和凸出部相同。带凹槽或凸出部的管道端头通过模套套在管材端部，模套厚度约为0.05e～0.1e。模套根部与管道端头的底面相连。模套内侧的内径与管材内径相同；模套外侧的外径与管材外径相同。因此，模套内侧的外径比管材内径略大；模套外侧的内径比管材外径略小；模套向外延伸的角度5°左右。

采用在管材端部铣凹槽和凸出部方案：将现有管材端部铣刀替换为一端有一段突起，一端有一段凹陷的铣刀，从而能铣出如图2所示的管材端部。测量总套筒长度为L，在距离管材端部L/2的地方做标记。将铣削好的管材从套筒两端插入，直至管材上标记线与套筒端部平面齐平。用力向内压紧管材，使凸出部紧紧插到凹槽内部。

采用管材端部套上管道端头的方案：模套套在管材上后，用力压紧，使得管道端头底部的凹凸面贴紧管材端部，并且使得模套的高分子材料发生变形从而紧贴在管材表面。测量总套筒长度为L，在已套上管道端头的管材距离管道端头凹槽或凸出部底面L/2的地方做标记。将分别套上管道端头的两根管材插入到电熔套筒内部，直至管材上标记线与套筒端部平面齐平。然后压紧，使得管道端头能够贴紧。

需要说明的是，管材端部加工的凹槽和凸出部以及带凹槽或凸出部的管道端头上的凹槽和凸出部的截面形状并不限于矩形，其他的如圆弧形、抛物线形等，以及单层凸出部、多层凸出部、添加密封圈亦属于本发明的变形。

Claims (7)

1.采用榫卯结构的管道电熔接头，包括分别连接于两段管材的两个相对的管道端头，其特征在于，在所述两个管道端头的端面上，其中一个端面上设置环形凸出部，另一个端面上设置环形凹槽；所述凸出部与凹槽尺寸和形状相匹配，当凸出部进入凹槽后两个端面紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的采用榫卯结构的管道电熔接头，其特征在于，所述管道端头与管材为一体式结构。

3.根据权利要求1所述的采用榫卯结构的管道电熔接头，其特征在于，所述管道端头与管材为分体式结构，管道端头一端的外沿环设延伸的模套，模套将管材固定并使管道端头与管材的两端面紧密贴合，所述凸出部或凹槽设置于管道端头的另一端。

4.根据权利要求3所述的采用榫卯结构的管道电熔接头，其特征在于，设管材的壁厚为e，则管道端头的厚度取0.5e和1.5e之间，模套厚度为0.05e～0.1e，模套向外延伸的角度为5°。

5.根据权利要求1至4任意一项中所述的采用榫卯结构的管道电熔接头，其特征在于，设管材的壁厚为e，则凸出部的高度为0.3e～1e、宽度≤0.4e、外缘厚度≥0.3e；凸出部高度+0.1e≥凹槽的深度≥凸出部高度，凸出部宽度+0.1e≥凹槽宽度≥凸出部宽度，凸出部外缘厚度≥凹槽外缘厚度≥凸出部外缘厚度-0.1e。

6.一种采用榫卯结构的管道电熔接头的电熔焊接方法，包括：

(1)对待焊接的管材进行端部处理，采用榫卯结构的管道电熔接头：两个相对的管道端头分别连接于两段管材，在其中一个端面上设置环形凸出部，另一个端面上设置环形凹槽；所述凸出部与凹槽尺寸和形状相匹配，使得凸出部进入凹槽后两个端面紧密贴合；

(2)在电熔套筒的中间冷焊区埋设电阻丝，电阻丝的布线密度小于两端熔焊区域中电阻丝的布线密度，根据常规电熔焊接工艺要求进行焊接。

7.根据权利要求6所述的采用榫卯结构的管道电熔接头的电熔焊接方法，其特征在于，所述中间冷焊区埋设电阻丝的铺设要求为：

1)长度要求：设管材的壁厚为e，中间冷焊区长度Ln≥2e；

2)布线密度：中间冷焊区电阻丝的埋设间距dn取1.2dr≤dn≤3dr，dr为单边熔融区的电阻丝埋设间距。

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