CN104385569B - 马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法及其带状夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料管道焊接技术，旨在提供马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法及其带状夹具。该马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法包括步骤：将马鞍形管件放置在主管道上，取至少两个带状夹具，分别安装在马鞍形管件的支管两侧，焊接结束后拆除带状夹具；该带状夹具的主体的一端接头处设置有条形凹槽，另一端接头处设置卡紧机构和弹簧，卡紧机构处安装有相互连接的压力传感器和小型电子显示器。本发明通过增加额外的夹具进行进一步的夹紧，充分保证了马鞍形管件在焊接过程中熔融区压力的稳定维持，解决了现有焊接条件下熔融区压力不足导致的焊接质量问题，降低了马鞍形管件焊接产品的报废率，提高了经济效益。

Description

马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法及其带状夹具

技术领域

本发明是关于塑料管道焊接技术，特别涉及马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法及其带状夹具。

背景技术

马鞍形管件一般有两类：鞍形分支管件；鞍形三通管件。马鞍形管件是实现主管线分支的主要管件，它的使用让输送管网呈现网络分布的多样性。在需要分支或实现三通的管路处，安装与管路规格对应的马鞍形管件，采用一定的焊接方式使得马鞍形管件与管路实现永久连接，并且保证连接处的强度以及密封性。马鞍形管件与主管路的主要焊接方式有热熔连接和电熔连接。

对于马鞍形管件的电熔连接，工程中常见的问题是管件与管道的连接处强度不足，出现虚焊的现象，导致剥离能降低，有时甚至是焊接后进行的试压也达不到相关标准的要求。这就使得产品的报废率升高，造成了经济损失，不仅增加了产品的成本，而且给管道系统带来巨大的安全隐患。出现这一问题的主要原因是马鞍形管件与主管道焊接过程中压力不足导致的：由于加工、运输、储存等原因，马鞍形管件内表面与相应管道的外表面并不完全贴合匹配；同时焊接过程中熔体会膨胀，且温度升高会使聚乙烯模量减小，致使焊接区域更容易发生变形。

目前我们已采取的措施包括：利用精度更高的数控铣削加工中心对马鞍形管件的内表面进行处理，让其达到完整的圆形；采用更为复杂的电阻丝布线工艺，改变熔融区各处的融化状态。但实际应用表明，这两种措施的效果也并不理想。究其原因主要是对焊接过程中材料热膨胀会产生多大的压力以及聚乙烯受热软化后能否维持焊接区压力这一复杂的材料热-结构耦合问题理解不足。在技术层面上，该问题的关键在于在焊接过程中在熔焊区维持一个相对稳定的熔融压力，所以不管是提高内表面的圆度或是改变布线工艺，仅改善了焊接的初始条件与焊接工艺过程，但并没有真正解决焊接压力不足的问题。针对该问题，工程中采用了加大马鞍形管件的螺栓预紧力等措施，但即使管件两侧已被螺栓完全约束，由于其约束的位置并非为最佳，熔融区的压力也不能得到很好地维持。因此，在现有螺栓紧固的基础上，考虑在马鞍形管件电熔焊接过程中增加一组额外的夹具进行进一步的夹紧，从而解决其焊接压力不足的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够提高马鞍形管件的焊接质量和改变马鞍形管件焊接产品报废率高这一现状的马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法及其带状夹具。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法，用于保证马鞍形管件焊接熔融区的压力稳定，具体包括下述步骤：

(1)电熔焊接前，将马鞍形管件放置在主管道上，拧紧马鞍形管件两侧的连接螺栓；

(2)取至少两个带状夹具，分别安装在马鞍形管件的支管两侧，具体安装方法为：将带状夹具主体箍于马鞍形管件上，并使靠近马鞍形管件上的支管的带状夹具主体的一侧与支管外壁贴紧，将卡紧头卡在条形凹槽中，根据小型电子显示器中显示的读数，调整卡紧头在不同的条形凹槽中卡紧，小型电子显示器中显示的读数达到要求值时，转动卡紧松开开关至关闭状态；所述要求值即能使马鞍形管件与主管道贴合紧密的预紧力值；

(3)利用电熔焊机对马鞍形管件进行焊接操作，焊接结束并冷却完成后，转动卡紧松开开关至打开状态，从马鞍形管件上拆除带状夹具。

提供用于所述的马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法的带状夹具，包括带状夹具主体，所述带状夹具主体的一端接头处设置有条形凹槽，另一端接头处设置卡紧机构和弹簧，卡紧机构、弹簧和条形凹槽共同作用能够使带状夹具主体的两端接头处实现卡紧和松开，用于适用不同直径的马鞍形管件；卡紧机构处安装有相互连接的压力传感器和小型电子显示器(类似于电子手表上使用的小型电子显示器)，压力传感器用于测量带状夹具和马鞍形管件的卡紧力，小型电子显示器用于实时显示压力传感器测量到的卡紧力。

作为进一步的改进，所述带状夹具主体的长度为马鞍形管件外壁圆周长的1.1～1.5倍。

作为进一步的改进，所述带状夹具主体的宽度为能包围马鞍形管件焊接区域俯视图所围面积的最小圆直径的0.5～1倍。

作为进一步的改进，所述带状夹具主体的厚度为马鞍形管件壁厚的0.5～1倍。

作为进一步的改进，所述卡紧机构包括卡紧头和卡紧松开开关，压力传感器设置在卡紧头上。

作为进一步的改进，所述卡紧头的长度在50～100mm之间。

作为进一步的改进，所述条形凹槽设置在以卡紧头与带状夹具主体连接处为起点、距离起点长度为马鞍形管件外壁圆周长±10％所在的区域内。

作为进一步的改进，所述带状夹具主体是纤维增强复合材料材质的带状主体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过增加额外的夹具进行进一步的夹紧，充分保证了马鞍形管件在焊接过程中熔融区压力的稳定维持，解决了现有焊接条件下熔融区压力不足导致的焊接质量问题，降低了马鞍形管件焊接产品的报废率，提高了经济效益。

附图说明

图1为DN110-SDR11马鞍形管件1/4几何模型示意图图。

图2为DN110-SDR11马鞍形管件1/4几何模型在焊接压力下的径向位移等值线图。

图3为DN110-SDR11马鞍形管件电熔焊接装配图。

图4为带状夹具示意图。

图5为DN110-SDR11马鞍形管件电熔焊接装配带状夹具后效果图。

图6为DN110-SDR11马鞍形管件装配带状夹具后焊接压力下的径向位移等值线图。

图中的附图标记为：1马鞍形管件；2焊接区；3最大径向位移处；4最小径向位移处；5连接螺栓；6条形凹槽；7带状夹具主体；8弹簧；9压力传感器；10卡紧松开开关；11卡紧头；12小型电子显示器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

依据马鞍形管件1在电熔焊接过程中，熔融区压力作用下径向位移过大而导致该区压力难以维持的事实，提出马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法，具体包括下述步骤：

(1)电熔焊接前，将马鞍形管件1放置在主管道上，拧紧马鞍形管件1两侧的连接螺栓5；

(2)取至少两个带状夹具，分别安装在马鞍形管件1的支管两侧，具体安装方法为：将带状夹具主体7箍于马鞍形管件1上，并使带状夹具主体7的一侧与马鞍形管件1上的支管外壁贴紧，将卡紧头11卡在条形凹槽6中，根据小型电子显示器12中显示的读数，调整卡紧头11在不同的条形凹槽6中的卡紧，小型电子显示器12中显示的读数达到要求值时，转动卡紧松开开关10至关闭状态；所述要求值即能使马鞍形管件1与主管道贴合紧密的预紧力值；

(3)利用电熔焊机对马鞍形管件1进行焊接操作，并冷却完成后，转动卡紧松开开关10至打开状态，从马鞍形管件1上拆除带状夹具。

用于上述马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法的带状夹具，使得在电熔焊接过程中马鞍形管件1与主管道的焊接熔融区具有足够的压力，从而提高马鞍形管件1的焊接质量，改变由于仅依靠螺栓连接出现马鞍形管件1在焊接过程中约束不足，导致焊接熔融区压力不能稳定维持，致使马鞍形管件1焊接产品报废率高这一现状。

带状夹具包括采用纤维增强复合材料材质的带状夹具主体7，具有较好的柔性。所述带状夹具主体7的一端接头处设置有条形凹槽6，条形凹槽6设置在以卡紧头11与带状夹具主体7连接处为起点、距离该起点长度为马鞍形管件1外壁圆周长±10％所在的区域内；另一端接头处设置卡紧机构和弹簧8，卡紧机构、弹簧8和条形凹槽6共同作用能够实现带状夹具主体7的两端接头处的卡紧和松开，用于适用不同直径的马鞍形管件1；卡紧机构处安装有相互连接的压力传感器9和小型电子显示器12(类似于电子手表上使用的小型电子显示器)，压力传感器9用于测量带状夹具和马鞍形管件1的卡紧力，小型电子显示器12用于实时显示压力传感器9测量到的卡紧力，方便实现一组夹具中夹紧力相等的理想状态，并且可根据不同直径马鞍形管件1焊接的需求设置不同的值。

其中，所述带状夹具主体7的长度为马鞍形管件1外壁圆周长的1.1～1.5倍，带状夹具主体7的宽度为能包围焊接区2俯视图所围面积的最小圆直径的0.5～1倍，带状夹具主体7的厚度为马鞍形管件1壁厚的0.5～1倍。

其中，所述卡紧机构的作用在于保证马鞍形管件1在整个焊接过程中除螺栓的预紧之外始终有一个额外的预压力，使得马鞍形管件1的内表面与主管道的外表面紧密贴合，这里采用卡紧头11和卡紧松开开关10来实现，当然也可采用其他材料制造、使用其他形式的卡紧机构。卡紧头11的长度在50～100mm之间，厚度较带状夹具要厚，其背面装有类似于电子手表上使用的小型电子显示器12，压力传感器9设置在卡紧头11上。

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。以某公司型号为DN110-SDR11马鞍形管件为例，分析采用本发明提出的技术方案后的效果。

采用通用有限元软件对上述马鞍形管件1在进行电熔焊接时的受力进行分析，在焊接熔融区施加焊接时产生的压力。图2为该条件下马鞍形管件1的径向位移等值线图，从图中可以发现，在现有的仅有螺栓紧固的条件下，整个结构的径向位移以焊接区2为中心向周围区域减小，因此焊接区2有分离的趋势，这会导致熔融区压力难以稳定维持，致使焊接质量不能得到保证，表明此时仅靠螺栓紧固并不能很好地约束马鞍形管件1。

为了能够较好地限制马鞍形管件1的径向位移，给其焊接时熔融区提供一个稳定的压力环境，根据本发明提出的技术方案，采用以下具体实施方式：

图3所示为上述马鞍形管件1电熔焊接装配图(未画出主管道)，进行电熔焊接前，将马鞍形管件1安放于主管道上，拧紧两侧的连接螺栓5；然后采用图4所示的一组带状夹具对整个马鞍形管件1进行夹持、夹具的一侧与马鞍形管件1上的支管外壁贴紧、根据不同规格管件需求将夹具中的预紧力调至理想值，使得管件在焊接前与主管道贴合紧密。夹具具体安装过程如下：将带状夹具主体7箍于马鞍形管件1上，卡紧头11会卡在条形凹槽66中，压力传感器9会将实时预紧力的大小传至安装于卡紧头11背面的小型电子显示器12上，依据小型电子显示器12中的读数调整卡紧头11卡在条形凹槽6中的位置，当预紧力达到要求值时，转动卡紧松开开关10至关闭状态，弹簧8是实现夹具打开与闭合的辅助部件。带状夹具在马鞍形管件1上安装的效果如图5所示；最后按照相应的焊接参数设置电熔焊机，对马鞍形管件1进行焊接操作，在规定的冷却时间后，拆除夹具。

再次采用通用有限元软件对本发明提出的连接方式下马鞍形管件1在进行电熔焊接时的受力进行分析，同样在焊接熔融区施加焊接时产生的压力。图6所示为该条件下马鞍形管件1的径向位移等值线图。对比两次的计算结果，发现后者约束条件下焊接区2径向位移的最大值大幅减小(为原结构的1/10)。由于带状夹具的夹持作用，该区域的径向位移值很小且变化不大，其平均值在熔融膨胀范围内，表明新的连接固定方法能够使得马鞍形管件1与主管道贴合更加紧密，可以更好地维持焊接熔融区的压力，利于焊接质量的提高，从而降低焊接产品的报废率、提高经济效益。

显然，本发明的实施方式说明只是本发明实施过程的一个具体描述，本发明提出了一种新型电熔马鞍形管件的连接固定方法，旨在更好地维持电熔焊接过程中马鞍形管件焊接熔融区压力的稳定，采用了额外的一组夹具进行进一步的夹紧。除实施案例中柔性的、采用纤维增强复合材料制成的带状、可配套用于不同规格的马鞍形管件且能实时读出预紧力大小的夹具之外，其他的为实现上述目的，采用不同材料、不同形式的卡紧与松开机构的带状夹具应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法，用于保证马鞍形管件焊接熔融区的压力稳定，其特征在于，具体包括下述步骤：

(1)电熔焊接前，将马鞍形管件放置在主管道上，拧紧马鞍形管件两侧的连接螺栓；

(2)取至少两个带状夹具，分别安装在马鞍形管件的支管两侧，具体安装方法为：将带状夹具主体箍于马鞍形管件上，并使靠近马鞍形管件上的支管的带状夹具主体的一侧与支管外壁贴紧，将卡紧头卡在条形凹槽中，根据小型电子显示器中显示的读数，调整卡紧头在不同的条形凹槽中卡紧，小型电子显示器中显示的读数达到要求值时，转动卡紧松开开关至关闭状态；所述要求值即能使马鞍形管件与主管道贴合紧密的预紧力值；

(3)利用电熔焊机对马鞍形管件进行焊接操作，焊接结束并冷却完成后，转动卡紧松开开关至打开状态，从马鞍形管件上拆除带状夹具。

2.用于权利要求1所述的马鞍形管件电熔焊接时的连接固定方法的带状夹具，包括带状夹具主体，其特征在于，所述带状夹具主体的一端接头处设置有条形凹槽，另一端接头处设置卡紧机构和弹簧，卡紧机构、弹簧和条形凹槽共同作用能够使带状夹具主体的两端接头处实现卡紧和松开，用于适用不同直径的马鞍形管件；卡紧机构处安装有相互连接的压力传感器和小型电子显示器，压力传感器用于测量带状夹具和马鞍形管件的卡紧力，小型电子显示器用于实时显示压力传感器测量到的卡紧力。

3.根据权利要求2所述的带状夹具，其特征在于，所述带状夹具主体的长度为马鞍形管件外壁圆周长的1.1～1.5倍。

4.根据权利要求2所述的带状夹具，其特征在于，所述带状夹具主体的宽度为能包围马鞍形管件焊接区域俯视图所围面积的最小圆直径的0.5～1倍。

5.根据权利要求2所述的带状夹具，其特征在于，所述带状夹具主体的厚度为马鞍形管件壁厚的0.5～1倍。

6.根据权利要求2所述的带状夹具，其特征在于，所述卡紧机构包括卡紧头和卡紧松开开关，压力传感器设置在卡紧头上。

7.根据权利要求6所述的带状夹具，其特征在于，所述卡紧头的长度在50～100mm之间。

8.根据权利要求6所述的带状夹具，其特征在于，所述条形凹槽设置在以卡紧头与带状夹具主体连接处为起点、距离起点长度为马鞍形管件外壁圆周长±10％所在的区域内。

9.根据权利要求2至8任意一项所述的带状夹具，其特征在于，所述带状夹具主体是纤维增强复合材料材质的带状主体。