CN109605757A - 一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及塑料管件焊接技术，旨在提供一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法。包括：实时测量电熔管件两端的电压值和通过电熔管件的电流值；计算焊接过程中电阻丝的实时电阻值；根据电熔管件的设计参数或超声扫查结果，已知该批次电熔管件中的电阻丝线圈的布线圈数为N；如果实时检测的电阻值突然减小1/N的整数倍随后又呈线性逐渐增大，表明电阻丝发生了局部线圈短路，判定电熔焊接过程发生过焊。本发明针对电熔焊接常见的过焊缺陷，能够判断因焊接电阻丝局部短路造成焊接电阻减小，从而使焊接功率增大造成的过焊缺陷；只需增加简单的计算模块，可基于现有电熔焊机而实现；或通过网络上传数据，实现在服务器或云端的计算与数据管理。
Description
技术领域
本发明涉及塑料管道焊接技术，特别涉及一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法。
背景技术
塑料管道与传统金属管道相比具有耐腐蚀、寿命长、绝缘性好、便于运输等显著优点，广泛应用于城市管网。塑料的连接方式主要有电熔焊接、热熔焊接和机械连接。其中电熔焊接以其操作简单易于掌握、可用于连接不同材质的管材、自动化程度较高而受人为因素和外界环境影响较小等优点，广泛应用于各种场合。
电熔焊接又称作电阻植入焊，其焊接过程可分为四个基本阶段。首先是准备阶段，需要刮除管材表面的氧化皮和脏物，以保证焊接表面清洁。其次是定位阶段，用电熔套筒把两根管材连接到一起，使管材外表面与套筒内表面相互接触。第三是焊接阶段，通过给套筒内壁的电阻丝通电使电阻丝发热熔化聚乙烯材料，塑料熔化形成密闭压力熔池，管材外壁与套筒内壁熔合在一起。最后是保持阶段，静置套筒和管材直到完全冷却，冷却后形成具有一定机械强度的电熔接头。
冷焊和过焊缺陷是常见的由焊接工艺不合理造成的缺陷。如果焊接界面温度过低或者没有在熔融温度以上持续足够长的时间，会产生冷焊缺陷，含冷焊缺陷的电熔接头在服役过程中可能会发生沿熔合面发生贯穿裂纹扩展失效；如果焊接输入热量过多，可能会使电熔接头内部的聚乙烯因温度过高而发生裂解，产生过焊缺陷。关于冷焊与过焊的成因及其对内部温度场的影响，已有系统的文献研究和报道。同时，关于冷焊与过焊的无损检测方法也一直是学者研究和关注的热点。关于冷焊的检测与判定，也已有较为成熟的方法能够实现。然而无损检测一方面设备成本较高，目前能够配套相应检测设备的仍然仅限于研究机构或核电站工程的重要塑料管道的电熔管件；另一方面，无损检测对检测人员或设备操作人员的要求高，也限制了其大范围推广应用。
为此，有学者希望通过电熔焊机来实现电熔焊接过程冷焊与过焊的控制，如郑津洋等提出，对于某一规格的电熔套筒，只要给定需要的焊接输入热量，电熔焊机就可以自动确定合理的焊接工艺。目标是确定电熔接头能获得足够的焊接输入热量的前提下，不会发生冷焊和过焊缺陷。然而这一技术是通过计算整个焊接过程的热量来进行冷焊与过焊判断的，这一方法的实现需要特定的智能焊机系统的配合，无法在普通焊机上简易实现。
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，提出一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法。
为解决技术问题，本发明采用的解决方案是：
提供一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法，是在塑料管道电熔焊接过程中对电阻丝的电阻值变化情况进行实时监测，包括：
(1)实时测量电熔管件两端的电压值U和通过电熔管件的电流值I；
(2)根据下式计算焊接过程中电阻丝的实时电阻值R：
(3)根据电熔管件的设计参数或超声扫查结果，已知该批次电熔管件中的电阻丝线圈的布线圈数为N；如果实时检测的电阻值突然减小1/N的整数倍随后又呈线性逐渐增大，表明电阻丝发生了局部线圈短路，判定电熔焊接过程发生过焊。
本发明中，如果在焊接过程中出现多次电阻值跳变式减小，且每次都减小原电阻值的1/N的整数倍，则表明在电阻丝中有多个线圈发生短路。
本发明中，所述电阻值呈线性逐渐增大，是指电阻丝的电阻值会随着加热温度升高而呈线性增大，其变化形式如下式所示：
R＝R0[1+αt(T-T0)]
式中：R0为电熔接头的初始电阻，Ω；R为实时测量的电阻值，Ω；T0为环境温度，℃；αt为电阻丝温度系数，℃-1；T为电阻丝实时温度，℃。
本发明中，进一步包括：
(1)在电熔焊机的控制器中设置计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息；或者，
(2)电熔焊机通过内嵌的通讯模块将实时检测到的电压值U和电流值I传送至本地服务器或云端服务器；在服务器中安装计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，并通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明针对电熔焊接常见的过焊缺陷，能够判断因焊接电阻丝局部短路造成焊接电阻减小，从而使焊接功率增大造成的过焊缺陷。
2、本发明只需增加简单的计算模块，可以基于现有电熔焊机而实现；或者通过网络上传数据，实现在服务器或云端的计算与数据管理。
具体实施方式
与现有技术相同，本发明在塑料管道电熔焊接过程中，以焊接输入总热量为控制变量，以测量的焊接界面温度结果为监测变量，以电阻丝的焊接输入电压为控制参数，实时调整电熔接头的焊接输入功率。
在电熔焊接过程中，电阻丝的电阻值会随着温度升高而线性增大，其变化形式如下式所示：
R＝R0[1+αt(T-T0)]
式中：R0为电熔接头的初始电阻，Ω；R为实时测量的电阻值，Ω；T0为环境温度，℃；αt为电阻丝温度系数，℃-1；T为电阻丝实时温度，℃。
焊接过程实时测量的电阻值R，可以通过如下方法计算：
式中：U为实时测量的电熔管件两端电压，V，I为实时测量的电熔管件的电流，A。
在焊接过程中，由于焊接热量不断输入，电阻丝温度不断升高，因而电阻值也会不断连续地增加。但是，如果电阻丝发生短路，那么电阻值R就会突然减小，其减少的幅度与电熔管件的结构有关。
假设电熔管件中的电阻丝线圈的布线圈数为N，则如果发生局部线圈短路，则电阻会突然减小1/N的整数倍。例如，对于直通或弯头的电熔管件，通常其单边的布线圈数基本为15～20圈，则其全部的布线圈数为30-40圈。在正常焊接过程，电阻值R会持续不断增大直至焊接结束，但当发生线圈发生短路时，电阻值R会突然减少1/40～1/30。通常现在的电压与电流测量精度均能够达到1‰，利用其计算完全能够达到测量1/40～1/30的阻值变化的精度。
电阻线圈每次与周围线圈短路都会减小当前电阻的1/N，如果在焊接过程中发现多次电阻跳变式减小，则说明有多个线圈发生短路。
利用这一原理就可在现有的电熔焊机上集成过焊报警功能：通常电熔焊机每隔0.5～1s测量一次电压U和电流I，则很容易能够得到管件中的电阻R。焊接过程中，电阻R应当是逐渐增加的变化，一旦某一时刻t计算得到的R突然减小，随后又缓慢增加，则可以判断在t时刻发生的线圈短路。
对R减小的判断取决于通过电压、电流测量计算电阻R的精度。对于布线圈数为N的电熔管件，通常要求测量R的波动应小于1/2N，这样实际电阻变化1/N能够被明显地区分出来。例如总布线圈数为N＝40圈的电熔管件，发生线圈短路的电阻变化为2.5％，则要求实际测量得到的电阻R应当小于1.25％。
本发明所述方法适用于所有类型的电熔管件，包括直通、弯头、三通、鞍形等，而且适用于现有各种电熔焊机配套使用。实现该方法只需要有焊接过程的电压和电流数据即可，但与现有焊机不同的是，所记录的电压、电流数据并非用于计算焊接输入热量，而是用于计算实时电阻。通常焊接过程的电阻是不断增加的，而过焊最常见的现象是伴随着电阻丝的短路。如果能够检测到电阻丝短路，则能够推断电熔焊接过程发生过焊，这一基本原理对各种电熔焊接的方法都适用。
需要说明的是，本方法不仅可以与焊机集成，在焊机的焊接过程中实时进行电熔焊接过焊的判断，而且可以与其他电熔焊接过程的电压、电流测量模块集成，例如外接于电熔管件与焊机之间的单独测量模块，也可以测量电压与电流，并将数据记录并实时上传至服务器，则服务器端根据本发明的计算方法也可以实时地获知焊接现场是否发生过焊缺陷，从而对焊接现场进行远程监控。
例如：在电熔焊机的控制器中设置计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息；或者，电熔焊机通过内嵌的通讯模块将实时检测到的电压值U和电流值I传送至本地服务器或云端服务器；在服务器中安装计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，并通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息。
Claims (4)
1.一种塑料管道电熔焊接过焊缺陷的自动诊断方法，其特征在于，是在塑料管道电熔焊接过程中对电阻丝的电阻值变化情况进行实时监测，包括：
(1)实时测量电熔管件两端的电压值U和通过电熔管件的电流值I；
(2)根据下式计算焊接过程中电阻丝的实时电阻值R：
(3)根据电熔管件的设计参数或超声扫查结果，已知该批次电熔管件中的电阻丝线圈的布线圈数为N；如果实时检测的电阻值突然减小1/N的整数倍随后又呈线性逐渐增大，表明电阻丝发生了局部线圈短路，判定电熔焊接过程发生过焊。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果在焊接过程中出现多次电阻值跳变式减小，且每次都减小原电阻值的1/N的整数倍，则表明在电阻丝中有多个线圈发生短路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻值呈线性逐渐增大，是指电阻丝的电阻值会随着加热温度升高而呈线性增大，其变化形式如下式所示：
R＝R0[1+αt(T-T0)]
式中：R0为电熔接头的初始电阻，Ω；R为实时测量的电阻值，Ω；T0为环境温度，℃；αt为电阻丝温度系数，℃-1；T为电阻丝实时温度，℃。
4.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(1)在电熔焊机的控制器中设置计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息；或者，
(2)电熔焊机通过内嵌的通讯模块将实时检测到的电压值U和电流值I传送至本地服务器或云端服务器；在服务器中安装计算模块，在判定发生过焊时发出警告信息，并通过电熔焊机的显示屏或报警装置发出提示信息。
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