CN110370651B - 一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塑料管道电熔焊接技术，旨在提供一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法。是在利用电熔焊机和电熔管件对塑料管材或复合管材进行焊接的过程中，以带超声探头的超声检测仪对电熔接头进行扫查，并利用获得的回波信号计算电熔管件内的熔区深度；控制该熔区深度为拟焊接的管材厚度的10～40％，就能保证熔区完全覆盖焊接界面，使管材与电熔管件完全焊透。本发明可以使电熔焊机能够不依赖管件、环境条件等因素，能够自适应地进行焊接工艺调整，通过安装于管件之上的超声探头主动检测焊接面的状态对焊接过程的进行智能判断，实现最佳焊接效果，真正实现焊接智能化。本发明既能保证焊接界面充分熔融，又能够防止焊接界面温度过高。

Description

一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法

技术领域

本发明涉及塑料管道电熔焊接技术，特别涉及一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法。

背景技术

与金属管道相比，塑料管道与复合管道具有耐腐蚀、柔韧性好、重量轻、使用寿命长、性能可设计等优势，广泛应用于建筑给排水、矿浆输送、燃气输送、油气输送、油田集输以及核电站冷却水输送等领域。电熔连接是塑料管及复合管最常见的连接方式。

电熔焊接是一个材料的物理熔接过程：首先将待连接的塑料管或复合管端部插入预埋有电阻丝的电熔管件中，并使管材外表面和管件内表面紧密接触。将电熔管件连接于固定电压的电源，使电熔管件内的埋藏电阻丝通电发热。热量逐渐向管材和管件内聚乙烯材料传递，使管材外壁面和管件内壁面逐渐熔融为一体。电熔焊接结束后，接头缓慢冷却，原有的焊接界面消失，形成具有一定强度的电熔接头。

电熔连接技术已经运用多年，自动化程度也较高，操作简单，接头较为牢固可靠，但对操作者的要求较高，比如操作电压和电流及加热与冷却时间的控制等等，操作不当将会造成电熔连接的质量问题。特别是目前国内外电熔管件生产没有统一标准。虽然绝大多数厂家使用39.5V的标准电压焊接，但有些厂家采用在电熔管件中布置小电阻，从而能进行大电流、短时间焊接，而还有些厂家通过布置较大电阻，从而焊接电流小、焊接时间长。例如，同样DN90的电熔直通管件，目前市场上供应的电熔管件的焊接时间从90s到160s不等。一旦现场焊接时间设置错误，将会形成冷焊或者过焊缺陷，给管道安全带来巨大隐患。

目前，部分研发机构在研制智能电熔焊机，这类焊机主要解决焊接过程数据记录，从而使焊接过程可追溯的问题。部分焊机生产厂家推出全自动电熔焊机，主要解决通过扫码或RIFD全自动输入焊接时间的问题。但对于厂家而言，每次新推出电熔管件型号，都需要根据焊接电压和焊接时间的不同要求，对焊机工艺参数进行调整。新焊机的开发不仅成本高，而且缺乏验证数据，可靠性低，限制了电熔焊接技术在各类新领域中的应用。

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，提供一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法，其特征在于，是在利用电熔焊机和电熔管件对塑料管材或复合管材进行焊接的过程中，以带超声探头的超声检测仪对电熔接头进行扫查，并利用获得的回波信号计算电熔管件内的熔区深度；控制该熔区深度为拟焊接的管材厚度的10～40％，就能保证熔区完全覆盖焊接界面，使管材与电熔管件完全焊透。

本发明中，所述电熔管件内的熔区深度是通过下述方式获得的：在焊接开始前，利用超声检测仪扫查获得电熔管件外表面回波信号、电熔管件内电阻丝回波信号和焊接界面回波信号；在焊接开始后，利用超声检测仪扫查获得固态聚乙烯与熔融聚乙烯熔区上表面回波信号；根据电熔管件材质的声速和扫查获得的回波信号的时间差，通过计算分别得到初始电阻丝到焊接界面距离和单边熔区深度，两者的差值即电熔管件内的熔区深度。

本发明中，所述超声探头是直探头超声探头，在电熔接头的圆周方向等距间隔布置1～8个；或者，所述超声探头是相控阵超声探头。

本发明中，具体包括以下步骤：

(1)在焊接开始前，利用超声检测仪扫查获得电熔管件外表面回波信号、电熔管件内电阻丝回波信号和焊接界面回波信号；根据电熔管件材质的声速，利用电阻丝回波信号与外表面回波信号的时间差td计算电阻丝到电熔管件外表面的距离ld；利用界面回波信号与外表面回波信号的时间差tr计算焊接界面到电熔管件外表面的距离，即电熔管件厚度lr；将电熔管件厚度lr减去电阻丝到电熔管件外表面的距离ld，即得到初始电阻丝到焊接界面距离l0；

(2)对电熔管件和塑料管材或复合管材进行电熔焊接操作，焊接过程中继续使用超声检测仪实时检测并获取超声回波信号；焊接界面回波信号因逐渐熔融而消失，在电阻丝与电熔管件表面之间逐渐出现固态聚乙烯与熔融聚乙烯间熔融界面的回波信号；根据电熔管件材质的声速，利用电熔管件外表面回波信号和熔融界面回波信号的时间差tj计算熔区上表面与电熔管件外表面之间的距离lj，该距离数值在焊接过程中是逐渐增大的；然后，以电阻丝到电熔管件外表面的距离ld减去熔区上表面与电熔管件外表面距离lj，所得差值即单边熔区深度s；单边熔区深度s与电阻丝到焊接界面的初始距离l0的差值，即电熔管件内的熔区深度sg；

(3)实时获取电熔管件内的熔区深度sg的数值，当熔区深度sg达到管材厚度的10～40％，结束焊接；此时能够保证熔区完全覆盖焊接界面，使塑料管材或复合管材与电熔管件完全焊透。

本发明中，在焊接前进行准备工作：检查管材和电熔管件的表面质量，清除表面污渍；在超声探头与电熔管件之间涂覆耦合剂，确保超声信号能进入电熔管件。

本发明中，焊机的初始电压为39.5～40V；在电熔焊接过程中对电压进行实时调整，并根据控制焊接温度和时间，防止发生过焊。

发明原理描述：

理论情况下，电熔管件与管材的贴合面就是初始焊接界面，电熔管件的厚度是可测量的，确认了电阻丝到电熔管件外表面的距离ld就可以通过电熔管件的厚度来计算电阻丝到焊接界面初始距离。但实际上，电熔管件产品的厚度是不均匀的，特别是大管件，其厚壁和薄壁处可能差别5％。此外，不同厂家电熔管件产品中的电阻丝布线位置、管件的形状都是不同的。有些厂家的管件外表面不是圆柱面，无法直接测量，只能通过超声的方法测量观察点的厚度。这也是要在本发明中引入超声检测和计算的原因。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

1、本发明利用超声检测辅助塑料管道进行智能电熔焊接，可以使电熔焊机能够不依赖管件、环境条件等因素，也不需要进行焊接前的参数输入、扫码以及环境温度补偿等，对于管道不圆度大、管道-管件非圆配合的方式也能够自适应地进行焊接工艺调整，完全通过安装于管件之上的超声探头主动检测焊接面的状态而对焊接过程的进行智能判断，实现最佳焊接效果，真正实现焊接的智能化。

2、本发明既能保证焊接界面充分熔融，又能够防止焊接界面温度过高。

3、本发明适用于高密度聚乙烯管、钢丝/钢带等增强塑料复合管、玻纤/碳纤以及芳纶纤维等增强的塑料复合管的智能电熔焊接。

附图说明

图1为超声检测辅助塑料管道智能电熔焊接流程图；

图2为超声检测辅助塑料管道智能电熔焊接系统示意图；

图3为焊接前超声探头扫查获取的回波信号示意图；

图4为焊接过程超声探头扫查获取的回波信号示意图；

图5为焊接前超声相控阵扫查获取的回波信号示意图；

图6为焊接过程超声相控阵扫查获取的回波信号示意图。

附图标记：2-1超声探头、2-2电熔管件、2-3待焊接的塑料管道、2-4管材与管件界面(焊接界面)；3-1电熔管件外表面超声回波信号、3-2电熔管件内电阻丝的超声回波信号、3-3焊接界面回波信号、3-4熔区上表面超声回波信号；4-1为电熔管件外表面超声相控阵成像回波信号、4-2电熔接头相控阵成像图谱中电阻丝回波信号、4-3电熔接头相控阵成像图谱中焊接界面回波信号、4-4电熔接头相控阵成像图谱中熔融区上表面超声回波信号。

具体实施方式

本发明所述方法可基于现有电熔焊机的少量改造而实现。改造后的电熔焊机系统由电熔焊机、超声检测仪和控制器三部分集成而成。超声检测仪用于对电熔管件内的熔区深度进行实时检测，并将检测信号传给控制器。控制器计算焊接面的熔区深度，并判断是否继续焊接，然后将控制信号发送给电熔焊机。电熔焊机根据控制器的信号判断是否继续焊接以及是否降压继续焊接。所采用的控制器可以是单独的控制器件，并通过信号线与超声仪和电熔焊机连接在一起，也可以是集成的控制模块。由于目前超声仪和电熔焊机多为数字式控制，可以采用集成的控制模块同时控制超声仪和电熔焊机，同时协调两者按照本发明的方法进行智能焊接。此类设备改造操作难度不大，本领域技术人员依其技术能力都能完成，故本发明不再赘述。

下面结合附图，对本发明所述利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法进行详细描述。

该方法的具体实施流程如图1所示，包括：

(1)智能电熔焊接准备

检查待测塑料管道电熔接头的表面质量，清除接头表面污渍。将电熔焊机与待焊接电熔管件连接好。同时在待焊接电熔管件表面固定一组(包含一个或多个)超声探头，并将超声探头与超声检测仪相连接。超声探头与电熔管件之间涂覆耦合剂，确保超声信号能进入电熔管件。

所布置的探头采用探头固定装置或扫查架固定在管件表面，确保在焊接过程中探头不会晃动或移动，导致探头与管件表面耦合失效。探头固定装置或扫查架是进行超声检测的常用机械结构，可以是刚性的或柔性的，应与被检测的工件尺寸相配套。

超声探头可以在圆周布置一个或多个，如图2中在圆周方向等间距布置了4个超声探头2-1。对于不圆度较大的拟焊接塑料管，需布置多个探头，确保每一个圆周位置都能够充分熔融。对于直径超过200mm的塑料管，考虑到熔融过程的熔料流动，还应在管件装配好后的管件上表面(重力方向为下)安装探头，确保管材与管件能够熔透。

扫描时所使用的超声耦合剂，需采用粘性大且与聚乙烯声速接近的耦合剂，确保在焊接过程中不会快速流失，建议按中国发明专利“聚乙烯管道热熔对接接头耦合聚焦超声检测方法及检测装置”(ZL200810121786.7)中所述方法配置耦合剂。

(2)焊接界面识别

打开超声检测仪，在焊接开始前，以超声探头扫查获取的回波信号示意图如图3所示。可以得到明显的探头和电熔管件外表面回波3-1，电熔管件内部的电阻丝回波信号3-2以及电熔管件与管材表面的焊接界面回波信号3-3。根据聚乙烯的声速，可以分别利用电阻丝回波信号3-2与外表面回波信号3-1的时间差，以及界面回波信号3-3与外表面回波信号3-1的时间差，计算出电阻丝到管件外表面的距离以及焊接界面到管件外表面的距离(即管件的厚度)。将管件的厚度减去电阻丝到管件外表面的距离，即可得到初始电阻丝到焊接界面距离。

聚乙烯是制造电熔管件最主要的材料，对于采用高密度聚乙烯材料(HDPE)制造的电熔管件，声速v可取2400m/s；对于采用中密度聚乙烯材料(MDPE)制造的电熔管件，声速v可取2200m/s。对于其他塑料材料，也可以查阅相应技术手册得到声速值。

如图3所示，电阻丝回波信号3-2和外表面回波信号3-1的时间差为td，界面回波信号3-3和外表面回波信号3-1的时间差为tr，则计算电阻丝到管件外表面的距离为：

ld＝td×v/2；

焊接界面到管件外表面的距离(即管件的厚度)为：

lr＝tr×v/2；

式中除以2是因为回波信号的时间差是计算发射和接收来回双程。则初始电阻丝到焊接界面距离l0＝lr-ld。

(3)电熔焊接过程智能调整焊接时间

对电熔管件进行电熔焊接。焊机的初始电压基本为39.5V～40V。焊接过程超声检测仪进行实时检测，并实时关注焊接界面附近的超声回波信号。焊接过程超声探头扫查获取的回波信号示意图如图4所示。随着焊接进行，焊接界面逐渐熔融，并与管材表面逐渐熔为一体。随着焊接界面的消失，在超声检测仪中可以观测到焊接界面的超声回波信号3-3逐渐减弱并最终消失，即图3中有信号3-3，随着焊接进行信号3-3逐渐减弱，最终在图4看不到了。同时在电阻丝与管件表面之间出现另一个回波信号，这是固态聚乙烯与熔融聚乙烯界面的回波信号3-4。同样基于聚乙烯声速，以及管件外表面回波信号3-1和固态聚乙烯与熔融聚乙烯界面的回波信号3-4的时间差tj，可以计算熔区上表面与管件外表面之间的距离

lj＝tj×v/2

利用电阻丝与管件外表面距离(ld)减去熔区上表面与管件外表面距离(lj)即可得到单边熔区深度

s＝ld-lj

将单边熔区深度s减去初始电阻丝到焊接界面距离l0，即可得到电熔管件内的熔区深度

sg＝s-l0

根据对称性，电阻丝与管材一侧的熔区的厚度是一样的，也是s；所以把s减去电阻丝与焊接界面的距离，就是电熔管件中的熔区厚度。

当电熔管件内熔区深度sg达到拟焊接管材厚度tg的10％～40％，焊接结束。此时已保证熔区完全覆盖焊接界面，能使管材与管件完全焊透。管材厚度tg为产品基本参数，可以由厂家提供或现场测量得到。

上述电阻丝、焊接界面以及熔区表面的距离也可以由其他方法计算，例如电阻丝到焊接界面的距离，例如可以直接由电阻丝回波信号和焊接界面回波信号的时间差计算得到。这些计算方法本质上与本发明具体例举的计算方法没有差异，这里不再一一赘述。

本发明所述超声检测仪可以采用低成本的直探头超声探头，在整个圆周等间隙布置1-8个，用于监测不同位置的熔透情况。作为替代方案，也可以采用相控阵超声探头监测整个熔区长度方向的熔透情况。图5为焊接前超声相控阵扫查获取的回波信号示意图，图6为焊接过程超声相控阵扫查获取的回波信号示意图。可采用本发明前述方法进行计算，即采用回波信号时间差的方式进行计算，只需要将超声相控阵检测结果中信号4-1替换超声检测仪扫查结果的信号3-1，用信号4-2替换信号3-2，用信号4-3替换信号3-3，用信号4-4替换信号3-4即可。

对于部分数字式超声仪，甚至可以直接从仪器中直接读取电阻丝到管件外表面的距离ld，焊接界面到管件外表面的距离(即管件的厚度)lr，熔区上表面与管件外表面之间的距离lj，这样就省去部分计算过程。

电熔焊接过程中，可通过智能控制方式调整焊接电压、实时检测焊接电流，以据此计算电阻丝的电阻值。由于电阻与温度呈线性变化关系，从而可以据此计算焊接界面温度。但焊接界面温度超过一定值时，逐渐降低焊接电压，防止发生过焊，但仍然保持焊接过程持续进行。直至步骤(3)中管材与管件完全焊透后，焊接结束。防止发生过焊的具体实施方案可参考中国发明专利“能够防止产生冷焊与过焊缺陷的电熔焊接方法及电熔焊机”(ZL201110428347.2)。

本发明利用超声检测辅助塑料管道进行智能电熔焊接，可以使电熔焊机能够不依赖管件、环境条件等因素，也不需要进行焊接前的参数输入、扫码以及环境温度补偿等，对于管道不圆度大、管道-管件非圆配合的方式也能够自适应地进行焊接工艺调整，完全通过安装于管件之上的超声探头主动检测焊接面的状态而对焊接过程的进行智能判断，实现最佳焊接效果，真正实现焊接的智能化。

Claims (5)

1.一种利用超声检测辅助实现塑料管道智能电熔焊接的方法，其特征在于，是在利用电熔焊机和电熔管件对塑料管材或复合管材进行焊接的过程中，以带超声探头的超声检测仪对电熔接头进行扫查，并利用获得的回波信号计算电熔管件内的熔区深度；控制该熔区深度为拟焊接的管材厚度的10～40％，就能保证熔区完全覆盖焊接界面，使管材与电熔管件完全焊透；该方法具体包括以下步骤：

(1)在焊接开始前，利用超声检测仪扫查获得电熔管件外表面回波信号、电熔管件内电阻丝回波信号和焊接界面回波信号；根据电熔管件材质的声速，利用电阻丝回波信号与外表面回波信号的时间差td计算电阻丝到电熔管件外表面的距离ld；利用界面回波信号与外表面回波信号的时间差tr计算焊接界面到电熔管件外表面的距离，即电熔管件厚度lr；将电熔管件厚度lr减去电阻丝到电熔管件外表面的距离ld，即得到初始电阻丝到焊接界面距离l0；

(2)对电熔管件和塑料管材或复合管材进行电熔焊接操作，焊接过程中继续使用超声检测仪实时检测并获取超声回波信号；焊接界面回波信号因逐渐熔融而消失，在电阻丝与电熔管件表面之间逐渐出现固态聚乙烯与熔融聚乙烯间熔融界面的回波信号；根据电熔管件材质的声速，利用电熔管件外表面回波信号和熔融界面回波信号的时间差tj计算熔区上表面与电熔管件外表面之间的距离lj，该距离数值在焊接过程中是逐渐增大的；然后，以电阻丝到电熔管件外表面的距离ld减去熔区上表面与电熔管件外表面距离lj，所得差值即单边熔区深度s；单边熔区深度s与电阻丝到焊接界面的初始距离l0的差值，即电熔管件内管材的熔区深度sg；

(3)实时获取电熔管件内的熔区深度sg的数值，当熔区深度sg达到管材厚度tg的10～40％，结束焊接；此时能够保证熔区完全覆盖焊接界面，使塑料管材或复合管材与电熔管件完全焊透。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电熔管件内的熔区深度是通过下述方式获得的：在焊接开始前，利用超声检测仪扫查获得电熔管件外表面回波信号、电熔管件内电阻丝回波信号和焊接界面回波信号；在焊接开始后，利用超声检测仪扫查获得固态聚乙烯与熔融聚乙烯熔区上表面回波信号；根据电熔管件材质的声速和扫查获得的回波信号的时间差，通过计算分别得到初始电阻丝到焊接界面距离和单边熔区深度，两者的差值即电熔管件内的熔区深度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声探头是直探头超声探头，在电熔接头的圆周方向等距间隔布置1～8个；或者，所述超声探头是相控阵超声探头。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接前进行准备工作：检查管材和电熔管件的表面质量，清除表面污渍；在超声探头与电熔管件之间涂覆耦合剂，确保超声信号能进入电熔管件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，焊机的初始电压为39.5～40V；在电熔焊接过程中对电压进行实时调整，并根据控制焊接温度和时间，防止发生过焊。

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