CN104816467B - 一种电熔管件智能焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电熔管件智能焊接方法，包括：焊接准备工作、升温阶段、恒温阶段、焊接结束几个步骤；通过控制电熔管件电阻丝阻值从而控制其温度来进行电熔管件的焊接，本发明电熔焊接前无需预先设定焊接参数，能有效提高焊接质量，防止并丝现象的发生。

Description

一种电熔管件智能焊接方法

技术领域

本发明涉及电熔管件焊接技术领域，特别涉及一种电熔管件智能焊接方法。

背景技术

聚乙烯管道采用电熔焊接进行管道连接时，管道接头的质量容易受到环境因素和人为操作因素的影响。焊接过程中的焊接参数通常需要操作人员根据实际情况进行人工设定，焊接参数设置的好坏以及环境因素变化的不可测性都将影响到焊接质量从而直接影响整个聚乙烯管道寿命。电熔焊接技术的深入研究和发展对聚乙烯市场乃至城市基础建设有着重要意义。

目前电熔焊机在进行管道焊接时，需要操作人员在焊接开始前预先设定焊接参数，即焊接过程中焊机电源输出的电压或者电流，焊接时焊机电源在焊接电路上输出相应的电压或电流，使电熔管件电阻丝发热，一段时间后电熔焊接面的聚乙烯材料熔融，冷却后即可得到管道接头，完成电熔管件的焊接。管道接头的焊接质量主要影响因素是焊接过程中电熔管件电阻丝的温度，因此传统的设置焊接参数的焊接方法要求在焊接前设定合适的焊接参数。电熔焊接往往在野外施工现场进行，施工环境复杂多变，理论上环境因素的改变要求焊接参数也做出相应调整才能保证焊接质量，但实际施工过程中操作人员往往根据自身经验对焊接参数进行调整，这种做法无法保证参数设置的合理性，因此也无法保证管道接头的焊接质量。

有鉴于此，有必要提出一种新的全自动聚乙烯电熔焊接方法，利用自动控制技术对电熔焊接过程进行实时监控，按照特定的焊接控制策略对焊机电源的输出进行控制，从而维持电熔管件电阻丝温度恒定，消除参数设定以及人为因素对焊接质量的干扰，科学提高接头强度，确保管道有足够的使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种电熔管件智能焊接方法，无需预先设定焊接参数的环节，提高了焊接效率；焊接过程中通过控制算法控制焊接电源输出使电熔管件电阻丝的阻值恒定，从而间接控制焊接温度，能够防止并丝现象的发生，提高了焊接的质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明电熔管件智能焊接方法，包括以下几个步骤：

步骤一：焊接准备工作：

a)线路检查：

焊接开始前，测量初始状态下电熔管件电阻丝初始阻值；计算电熔管件电阻丝初始阻值与其标准阻值的偏差，通过上述偏差判断焊接线路是否存在故障，若无故障，则进入步骤b)；否则，检查焊接线路重复上述过程。

b)确定电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值：

电熔管件电阻丝在恒温时与其对应的目标温度关系，如下式所示：

R_s＝R₀(1+α(T_s-T₀))

其中，R_s为电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值，R₀为电熔管件电阻丝在标准温度时的电阻值，α为电熔管件电阻丝的电阻温度系数(℃^-1)，T_s为目标温度，T₀为标准温度。

步骤二：升温阶段：

焊接开始，通过控制焊机电源以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，同时焊机测量焊接电路的实时电压V和电流I，获取电熔管件电阻丝的实时阻值R；且检测到R＞0.8R_s时，焊接进入恒温阶段，否则返回步骤二。

步骤三：恒温阶段：

焊机电源停止以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，转换为通过控制算法调节焊机电源的输出电压，该输出电压使电熔管件电阻丝阻值达到并保持R_s，从而该电熔管件电阻丝维持在目标温度。

步骤四：焊接结束：

计算进入恒温阶段以来焊接电路的平均电流值I_a，当I-I_a＞2A时，焊机电源停止工作，焊接结束；否则返回步骤三。

进一步地，所述步骤一焊接线路是否存在故障的判断具体为：控制焊机电源输出初始电压，初始电压范围为0-5V；并检测该初始电压下焊接电路中的电流输出值，获得初始状态下电熔管件电阻丝初始阻值，计算电熔管件电阻丝初始阻值与其标准阻值的偏差，若上述偏差在标准阻值的±20％以内，则进入步骤b)；否则，检查焊接线路重复上述过程。

进一步地，所述步骤三中的控制算法为模糊PID控制算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明涉及的智能焊接方法，省去了操作人员预先设定参数的环节，提高了焊接效率，通过控制算法调节焊接电源输出来控制电熔管件电阻丝阻值恒定，从而间接控制电熔管件电阻丝的焊接温度，能够防止并丝现象的发生，减少了人为因素以及参数设置对焊接质量的影响，提高了焊接的质量。

(2)该方法不需要测温装置即可实现对焊接温度的控制，因此不需要对现有电熔焊机和电熔管件进行结构或电路上的改动，降低成本。

(3)该方法能够通过软件升级的方法应用在大部分焊机上，扩大了该方法的适用性。

附图说明

图1是本发明电熔管件智能焊接方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明涉及的电熔管件智能焊接方法，包括以下几个步骤：

步骤一：焊接准备工作：

a)线路检查：

将电熔焊机与电熔管件连接，在焊接开始前，控制焊机电源输出初始电压，初始电压范围为0-5V，并检测该初始电压下焊接电路中的电流输出值，获得初始状态下电熔管件电阻丝初始阻值；计算电熔管件电阻丝初始阻值与其标准阻值的偏差，若上述偏差在标准阻值的±20％以内，则进入步骤b)；若偏差超过±20％，表明线路连接存在短路、短路、线路老化等问题，检查焊接线路，排除故障后重复上述过程，直到电熔管件电阻丝初始阻值与标准阻值偏差不超过±20％。

焊接电路两端施加不超过5V的电压不会对电阻丝温度造成太大影响，因此能够保证测得的电熔管件电阻丝初始阻值为室温下的的电阻值。当电熔管件电阻丝初始阻值过小时，表明线路可能存在短路的隐患；当电熔管件电阻丝初始阻值过大时，焊接线路可能接触不良或者线路老化。

b)确定电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值：

电熔管件电阻丝在恒温时与其对应的目标温度关系，如下式所示：

R_s＝R₀(1+α(T_s-T₀))

其中，R_s为电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值，R₀为电熔管件电阻丝在标准温度时的电阻值，α为电熔管件电阻丝的电阻温度系数(℃^-1)，T_s为目标温度，T₀为标准温度。

电熔管件中使用纯铜作为发热电阻丝的材料，铜的电阻温度系数大，电阻温度关系近似于一条直线，因此能够通过控制电阻丝阻值的方式间接控制电阻丝温度；电熔管件内嵌电阻丝在标准温度下的阻值以及电阻温度系数均为已知数，例如管径为250mm的弯头型Dn250电熔管件，标准温度T₀为20℃下的电熔管件电阻丝标准阻值为R₀为1.10Ω，电阻温度系数α为0.0039℃^-1，根据公式可求得目标温度T_s为220℃时对应的电阻丝阻值R_s为1.96Ω。

步骤二：升温阶段：

焊接开始，通过控制焊机电源以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，同时焊机测量焊接电路的实时电压V和电流I，获取电熔管件电阻丝的实时阻值R；且检测到R＞0.8R_s时，焊接进入恒温阶段，否则返回步骤二。

由于聚乙烯的晶体熔化温度T_m为135℃左右，为提高焊接效率，在焊接开始后应迅速提升电熔管件电阻丝温度，因此在升温阶段以电熔管件能够承受的最大功率进行焊接；如管径为250mm的弯头型Dn250电熔管件，可以控制焊机电源以42V的电压进行焊接，使电熔管件加热电阻丝迅速升温。

步骤三：恒温阶段：

焊机电源停止以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，转换为通过模糊PID控制算法调节焊机电源的输出电压，该输出电压使电熔管件电阻丝阻值达到并保持R_s，从而该电熔管件电阻丝维持在目标温度。

在升温阶段，随着电熔管件电阻丝温度的不断升高，其电熔管件电阻丝的阻值也不断变大，为防止电熔管件内嵌电阻丝阻值在升温过程中超过目标电阻值R_s导致超调现象的发生，需要在实时电阻值R超过目标电阻值R_s之前停止最大功率焊接，转为通过控制算法调节焊机电源的输出电压。

控制算法可使用模糊PID控制算法，首先使用模糊控制调整PID控制器的比例、积分、微分参数，再使用PID控制器控制电源输出，从而对电熔管件加热电阻丝这种具有时滞性的控制对象实现快速精确的控制。

步骤四：焊接结束：

计算进入恒温阶段以来焊接电路的平均电流值I_a，当I-I_a＞2A时，焊机电源停止工作，焊接结束；否则返回步骤三。

焊接进入恒温阶段后，电熔管件内嵌电阻丝阻值维持恒定，焊接电路的电流也相对稳定，通常在±0.5A以内波动，若出现I-I_a＞2A的现象，表明电熔管件即将发生并丝现象。

并丝是指嵌在电熔管件电阻丝在焊接过程中发生位置变化，使相邻的电阻丝直接并在一起的现象；发生并丝的主要原因是随着焊接的进行，电熔管件电阻丝周围的聚乙烯材料受热不断熔融，聚乙烯熔体在内部压力的作用下产生轴向或者径向流动从而带动周围的电阻丝移动。发生并丝现象时，电阻瞬间降低，焊接电流瞬间升高。因此当I-I_a＞2A时，表明电熔管件电阻丝周围的聚乙烯材料已经充分熔融，此时停止焊接将能够取得良好的焊接质量。

以上列举的只是本发明的具体实施例子。本发明除了上述例子外，还可以有很多变形。由本发明内容能够直接联想到的变形，也应认为是本发明的保护范畴。以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电熔管件智能焊接方法，其特征在于，该焊接方法包括以下几个步骤：

步骤一：焊接准备工作：

a)线路检查：

焊接开始前，测量初始状态下电熔管件电阻丝初始阻值；计算电熔管件电阻丝初始阻值与其标准阻值的偏差，通过上述偏差判断焊接线路是否存在故障，若无故障，则进入步骤b)；否则，检查焊接线路重复上述过程；

b)确定电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值：

电熔管件电阻丝在恒温时与其对应的目标温度关系，如下式所示：

R_s＝R₀(1+α(T_s-T₀))

其中，R_s为电熔管件电阻丝在目标温度下对应的目标电阻值，R₀为电熔管件电阻丝在标准温度时的电阻值，α为电熔管件电阻丝的电阻温度系数(℃^-1)，T_s为目标温度，T₀为标准温度；

步骤二：升温阶段：

焊接开始，通过控制焊机电源以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，同时焊机测量焊接电路的实时电压V和电流I，获取电熔管件电阻丝的实时阻值R；且检测到R＞0.8R_s时，焊接进入恒温阶段，否则返回步骤二；

步骤三：恒温阶段：

焊机电源停止以电熔管件能够承受的最大功率对电熔管件进行焊接，转换为通过控制算法调节焊机电源的输出电压，该输出电压使电熔管件电阻丝阻值达到并保持R_s，从而该电熔管件电阻丝维持在目标温度；

步骤四：焊接结束：

计算进入恒温阶段以来焊接电路的平均电流值I_a，当I-I_a＞2A时，焊机电源停止工作，焊接结束；否则返回步骤三。

2.根据权利要求1所述的电熔管件智能焊接方法，其特征在于，所述步骤一焊接线路是否存在故障的判断具体为：控制焊机电源输出初始电压，初始电压范围为0-5V；并检测该初始电压下焊接电路中的电流输出值，获得初始状态下电熔管件电阻丝初始阻值，计算电熔管件电阻丝初始阻值与其标准阻值的偏差，若上述偏差在标准阻值的±20％以内，则进入步骤b)；否则，检查焊接线路重复上述过程。

3.根据权利要求1所述的电熔管件智能焊接方法，其特征在于，所述步骤三中的控制算法为模糊PID控制算法。