CN113895043B - 一种pvc-u排水管材的热熔焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PVC‑U排水管材的热熔焊接方法，属于热熔焊接技术领域。PVC‑U排水管材的热熔焊接方法包括如下步骤：S1.管材装夹：将待焊接管段铣削端面并对中固定；S2.吸热焊接：将管材端面接触加热板吸热，达到设定熔珠高度后，移除加热装置，对接至焊接压力；S3.保压冷却：焊接压力保压后，降压进行保压冷却，最后卸压取出管材。本发明提供了一种PVC‑U排水管材的热熔焊接方法，通过特定的热熔焊接取代常规的PVC‑U排水管材连接方式，利用材料玻璃态和橡胶态的转变，实现材料的热熔连接，焊口质量稳定，焊接接头强度可以达到本体拉伸强度要求。

Description

一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法
技术领域
本发明涉及热熔焊接技术领域，更具体地，涉及一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法。
背景技术
现阶段，PVC-U排水管以其质轻，高强，耐腐蚀，抗老化广泛应用于建筑排水领域，其连接方式主要有胶水粘接和橡胶圈连接两种，普通的重力流排水，基本选用胶水粘接，高层建筑的重力流排水，可能产生低压排水现象，考虑到气密性问题，采用橡胶圈连接，但这两种方式均存在相关问题。
胶水粘接：PVC胶水利用材料互溶和在空气中固化的方式实现PVC管道的粘接，但粘接效果不仅受承口插口配合尺寸，胶黏剂涂抹均匀性以及承插过程影响，同时胶黏剂的质量也影响粘接接口的长期使用效果。并且PVC胶黏剂有强烈的刺激性气味，严重影响操作人员健康和施工安装环境。
胶圈连接：广泛应用于给排水PVC管道的连接，操作简单施工方便，但橡胶圈易老化，特别是室外建筑排水管道，长期受雨水、光照、高低温条件影响，橡胶老化起不到密封作用，同时配套胶圈也会造成成本的增加。
CN107498883A公开了一种热熔焊接PVC管件的制造方法，公开了具体的热熔焊接步骤：①根据制件规格选取相应的挤出或注塑成型的PVC管状物，利用多角度锯管机将PVC管状物切割成要求的长度和角度；②将切割好的PVC管状物置于焊接机夹具上并固定好；③将2个PVC管状物的管端的待焊接端面处理至平整光滑以满足焊接要求适于吻合；④将端面合拢，检查对中情况，两待焊接端面错边不超过壁厚的10％，否则利用夹具的夹持力进行调整并重新处理至平整光滑；⑤将焊接机加热板置于两管端之间，在t1时间内开始逐步施加压力P1使管端压在加热板上加热，其中焊接温度：200～250℃；在形成均匀的焊珠后逐步降低压力至P2并保持在P2进行吸热，吸热时间为t2；⑥在t3时间内，松开管端，取出加热板，再合拢管端；⑦然后在t4时间内从0开始逐步加压至P1，使得管焊接部位向内向外均形成均匀的翻边；⑧在t5时间内保持压力P1，使焊接部位自然冷却至60℃以下；⑨取出制品进行下个焊口的焊接。该技术方案涉及的重要焊接技术参数基本按照PE管材的焊接参数得来，而PVC材料在PE材料基础上含有氯，该结构限制分子链的移动，旋转和折叠，导致PVC材料不完全结晶，同时考虑到PVC管材的尺寸稳定性，基础配方中需加入碳酸钙，无机组分进一步影响其导热，流动效果，故PVC管材的焊接工艺参数必然不能如上述专利CN107498883A所述的焊接压力P1＝(0.15±0.01)A/B，该公式中0.15MPa为PE材料焊接时的界面压力，对于PVC材料来说，该界面压力过小，焊接强度达不到，另外，吸热时间t2＝管材壁厚×10，该公式也是PE材料的吸热时间，PVC材料导热系数低，需要更长的吸热时间，故该方案并无法解决热熔焊接的焊口质量稳定问题，焊接接头强度无法达到相关要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有PVC-U排水管的热熔焊接存在焊口质量不稳定，焊接接头强度无法达到本体拉伸强度要求的缺陷和不足，提供一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，通过利用材料玻璃态和橡胶态的转变，吸热过程是玻璃态向橡胶态转变，冷却阶段是橡胶态向玻璃态转变，实现材料的热熔连接，无需使用胶黏剂，和任何配件，仅需使用热熔焊接工具即可实现管道的连接，且焊口质量稳定，焊接接头强度可以达到本体拉伸强度要求。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，包括如下步骤：
S1.管材装夹：将待焊接管段铣削端面并对中固定；
S2.吸热焊接：将管材端面对接接触加热板吸热，达到设定熔珠高度后，移除加热装置，对接至焊接压力；
S3.保压冷却：焊接压力保压后，降压进行保压冷却，最后卸压取出管材；
其中，S2中所述焊接压力单位为MPa，其中，P界面为待焊接端面热熔对接时熔体界面间的压力，S截面为PVC管材截面积，S油缸为焊机油缸的有效面积；
S3中保压冷却过程为二次保压：一次保压压力为焊接压力，时间10～15s，二次保压压力为焊接压力的8～15％，时间为6-15min。
其中需要说明的是：
PVC管材端面经过加热板加热熔融后，由于其为非结晶材料，熔区不均匀，外侧熔体熔接性能好，如果采用高压一次保压过程，熔接性能良好的熔区会缓慢挤出焊接区，达不到良好的焊接效果。本发明通过二次保压冷却，其中一次保压为高压保压参数：焊接压力，10～15s，可以实现熔区内材料分子链在压力下相互缠结，融合，二次保压冷无为低压保压参数：10～15％焊接压力，6～15min，保持有效熔区空间，实现缓慢冷却，最终达到良好的焊接效果。
采用本发明的热熔焊接方法可以实现PVC-U排水管材的有效焊接，且焊口质量稳定，焊接接头强度可以达到本体拉伸强度要求。
其中，本发明的焊接(焊口质量)包括如下指标：
1)焊接接头拉伸强度：≥40MPa；
2)焊接接头破坏位置：不应发生在接头部位；
3)焊接翻边外观应均匀无错位。
焊接接头达到管材本体强度要求为基本的管道系统要求，因为管道系统的使用，不能因为连接部位的力学性能差异而降低使用要求，这样产品标准和技术规范则对产品质量的限定将毫无意义。
本发明利用PVC材料的可逆熔融特性，以热熔焊接接头拉伸强度，拉伸破坏位置以及熔珠错边及均匀状态为对象，通过调整焊接压力，吸热时间以及二次保压冷却工艺解决焊接不稳定，焊口质量到不到要求等问题。
优选地，S2中所述吸热过程的吸热时间为管材壁厚值的20～28倍，管材壁厚值单位为mm，吸热时间单位为s。
进一步优选地，S2中所述吸热焊接的吸热是时间为管材壁厚值的22～25倍，管材壁厚值单位为mm，吸热时间单位为s。
吸热过程为加热板把管材端面加热熔融至焊接状态，吸热时间过短，熔融效果不理想，焊接强度达不到要求，吸热时间过长，PVC材料会产生氧化分解，材料性能有损伤，且过长的吸热时间，容易导致熔区过大，端部熔体下垂变形，影响热熔对接。
优选地，S2中热熔对接时熔体界面间的压力为0.9-1.0MPa。
进一步优选地，S2中热熔对接时熔体界面间的压力为0.97～1.0MPa。
熔区界面间的压力为两端面被加热板加热后，对接过程中，熔体端面被挤压的压力，这个压力可以用油缸的表压以及油缸面积和管材端面面积计算转化得出，一般焊接时，先确定界面压力，然后换算表压，操作焊机时，控制表压达到要求。
熔区间的界面压力和焊接压力一样，过大导致假焊，过小熔体相互融合，分子链相互缠结不充分，接口强度达不到。
优选地，S2中所述吸热焊接的焊接温度为210℃-215℃。
进一步优选地，S2中所述吸热焊接的焊接温度为213℃-215℃。
PVC的配方体系的转矩流变图中，分解时间节点会随着温度的升高大幅提前，故加热板温度不宜超过215℃；过低的温度不利于热传导和熔融。
优选地，S2中所述熔珠高度为3～5mm。
更优选地，S2中所述熔珠高度为4～5mm。
限定焊接时的熔珠高度为3-5mm，主要作为焊接主体需要扩大焊接接触面积，提高焊接质量和效果。
焊接过程主要是通过焊接压力实现管材焊接端面熔融物料的相互融合，冷却后成为一体，达到焊接效果，焊接压力过低，管材端面熔融物料融合不充分，焊接质量会下降，焊接压力过高，管材端面熔融物料被挤压出端面，端面物料不是熔融状态，无法焊接，造成假焊。
优选地，S3中保压冷却过程为二次保压：一次保压压力为焊接压力，时间13～15s，二次保压压力为焊接压力的11～15％，时间为12～15min。
优选地，一次保压后，S3中所述熔区内外表面截面形状为“火山”型。
传统的PE，PPR管道对接，其翻边为圆滑、饱满的卷边，其主要原因为PE和PPR材料有固定熔点，吸热后熔区深，熔体流动性好，对接时熔体从端面溢出，形成卷边，而PVC材料熔区比较浅，流动性差，如果按照PE要求形成卷边，基本就是假焊，“火山”型可以保证焊接质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，通过特定的热熔焊接取代常规的PVC-U排水管材连接方式，通过利用材料玻璃态和橡胶态的转变，实现材料的热熔连接，焊口质量稳定，焊接接头强度可以达到本体拉伸强度要求。
本发明的热熔焊接方法制备的PVC-U排水管材的焊口焊口翻边均匀无错边，且焊接接头拉伸强度可以达到40MPa以上，满足相关强度要求，拉伸破坏位置为管体，没有发生在接头，完全满足管道系统要求。
附图说明
图1为PVC-U排水管材装夹示意图。
图2为PVC-U排水管材吸热示意图。
图3为PVC-U排水管材焊接效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，包括以下步骤：
S1.管材装夹：管材规格75mm×2.5mm，如图1所示，将待焊接管段1与待焊接管段2进行卡瓦3装夹，卡瓦3采用硅胶内衬，硅胶垫301扣压在凹槽302内并固定，以此保护PVC-U排水管均匀受力紧固；
拨动油缸操纵杆，调节调压阀缓慢加压，直至油缸移动，此压力为拖动压力，铣削端面，待端面全部铣削到位后，卸压至拖动压力，铣刀空转后完成端面加工，清理端面，对中管材，拧紧卡瓦两段螺栓303固定管材；
S2.吸热焊接：将加热板4温度设定为210℃，通过熔区6界面间压力0.9MPa和拖动压力，计算焊接压力并调节好调压阀，达到焊接温度后，放入加热板4，移动管材接触加热板4，如图2所示，观察熔珠5高度，待熔珠5高度达到3mm后，卸压至拖动压力，开始吸热计时，吸热时间为20倍的管材壁厚值(壁厚单位mm，时间单位s)，吸热完成后，移开加热板4，推动操作杆进行对接；
S3.保压冷却：焊机在焊接压力下保压10s后，降压至10％的焊接压力进行二次保压冷却，时间6min，冷却后形成熔区6，如图3所示，熔区6外表面截面形状达到“火山”型即为合理，最后卸压移除焊机，常温冷却，完成焊接。
实施例2
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，具体参数见表1，包括以下步骤：
S1.管材装夹：将待焊接管段与待焊接管段进行卡瓦装夹，卡瓦采用硅胶内衬，硅胶垫扣压在凹槽内并固定，以此保护PVC-U排水管均匀受力紧固；
拨动油缸操纵杆，调节调压阀缓慢加压，直至油缸移动，此压力为拖动压力，铣削端面，待端面全部铣削到位后，卸压至拖动压力，铣刀空转后完成端面加工，清理端面，对中管材，拧紧卡瓦两段螺栓固定管材；
S2.吸热焊接：设定加热板温度，通过熔区界面间压力和拖动压力，计算焊接压力并调节好调压阀，达到焊接温度后，放入加热板，移动管材接触加热板，观察熔珠高度，待熔珠高度达到后，卸压至拖动压力，开始吸热计时，吸热完成后，移开加热板，推动操作杆进行对接；
S3.保压冷却：焊机在焊接压力下保压后，降压进行二次保压冷却，冷却后形成熔区，熔区表面截面形状达到“火山”型即为合理，最后卸压移除焊机，常温冷却，完成焊接。
实施例3
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，具体参数见表1，包括以下步骤：
S1.管材装夹：将待焊接管段与待焊接管段进行卡瓦装夹，卡瓦采用硅胶内衬，硅胶垫扣压在凹槽内并固定，以此保护PVC-U排水管均匀受力紧固；
拨动油缸操纵杆，调节调压阀缓慢加压，直至油缸移动，此压力为拖动压力，铣削端面，待端面全部铣削到位后，卸压至拖动压力，铣刀空转后完成端面加工，清理端面，对中管材，拧紧卡瓦两段螺栓固定管材；
S2.吸热焊接：设定加热板温度，通过熔区界面间压力和拖动压力，计算焊接压力并调节好调压阀，达到焊接温度后，放入加热板，移动管材接触加热板，观察熔珠高度，待熔珠高度达到后，卸压至拖动压力，开始吸热计时，吸热完成后，移开加热板，推动操作杆进行对接；
S3.保压冷却：焊机在焊接压力下保压后，降压进行二次保压冷却，冷却后形成熔区，熔区表面截面形状达到“火山”型即为合理，最后卸压移除焊机，常温冷却，完成焊接。
实施例4
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，具体参数见表1，包括以下步骤：
S1.管材装夹：将待焊接管段与待焊接管段进行卡瓦装夹，卡瓦采用硅胶内衬，硅胶垫扣压在凹槽内并固定，以此保护PVC-U排水管均匀受力紧固；
拨动油缸操纵杆，调节调压阀缓慢加压，直至油缸移动，此压力为拖动压力，铣削端面，待端面全部铣削到位后，卸压至拖动压力，铣刀空转后完成端面加工，清理端面，对中管材，拧紧卡瓦两段螺栓固定管材；
S2.吸热焊接：设定加热板温度，通过熔区界面间压力和拖动压力，计算焊接压力并调节好调压阀，达到焊接温度后，放入加热板，移动管材接触加热板，观察熔珠高度，待熔珠高度达到后，卸压至拖动压力，开始吸热计时，吸热完成后，移开加热板，推动操作杆进行对接；
S3.保压冷却：焊机在焊接压力下保压后，降压进行二次保压冷却，冷却后形成熔区，熔区表面截面形状达到“火山”型即为合理，最后卸压移除焊机，常温冷却，完成焊接。
表1各实施例的主要参数
对比例1
一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，包括如下步骤，具体参数见上表1，
S1.管材装夹：将待焊接管段与待焊接管段进行卡瓦装夹并固定，拨动油缸操纵杆，调节调压阀缓慢加压，直至油缸移动，此压力为拖动压力，铣削端面，待端面全部铣削到位后，卸压至拖动压力，铣刀空转后完成端面加工，清理端面，对中管材，拧紧卡瓦两段螺栓固定管材；
S2.吸热焊接：设定加热板温度，通过熔区界面间压力和拖动压力，计算焊接压力并调节好调压阀，达到焊接温度后，放入加热板，移动管材接触加热板，观察熔珠高度，待熔珠高度达到后，卸压至拖动压力，开始吸热计时，吸热完成后，移开加热板，推动操作杆进行对接；
S3.保压冷却：焊机在焊接压力下保压，达到焊接时间后卸压移除焊机，常温冷却，完成焊接。
结果检测
PVC-U排水管材质量稳定检测指标包括：
焊接接头拉伸强度、拉伸破坏位置和翻边外观3个判定指标，具体检测方法参考：测试方法：GB/T8804.2-2003。
判定焊接质量合格依据：
拉伸强度≥40MPa、破坏位置不发生在接口位置、翻边应均匀不错位。
检测结果如下表1所示。
表1
序号 焊接接头拉伸强度/MPa 拉伸破坏位置 翻边外观检测
实施例1 40.1 管体 翻边均匀无错边
实施例2 41.5 管体 翻边均匀无错边
实施例3 42.2 管体 翻边均匀无错边
实施例4 42 管体 翻边均匀无错边
对比例1 38.5 接口 翻边均匀无错边
从上述数据可以看出，采用本发明的热熔焊接方法焊接的PVC-U排水管材，焊口翻边均匀无错边，且焊接接头拉伸强度可以达到40MPa以上，满足焊接接头强度要求，拉伸破坏位置为管体，没有发生在接头，完全满足管道系统要求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.管材装夹：将待焊接管段铣削端面并对中固定；
S2.吸热焊接：将管材端面对接接触加热板吸热，达到设定熔珠高度后，移除加热装置，对接至焊接压力；
S3.保压冷却：焊接压力保压后，降压进行保压冷却，最后卸压取出管材；
其中，S2中所述焊接压力单位为MPa，其中，P界面为待焊接端面热熔对接时熔体界面间的压力，S截面为PVC管材截面积，S油缸为焊机油缸的有效面积；
S3中保压冷却过程为二次保压：一次保压压力为焊接压力，时间10～15s，二次保压压力为焊接压力的8～15％，时间为6-15min。
2.如权利要求1所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中所述吸热过程的吸热时间为管材壁厚值的20～28倍，管材壁厚值单位为mm，吸热时间单位为s。
3.如权利要求2所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中所述吸热过程的吸热时间为管材壁厚值的22～25倍，管材壁厚值单位为mm，吸热时间单位为s。
4.如权利要求1～3任意一项所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中热熔对接时熔体界面间的压力为0.9-1.0MPa。
5.如权利要求4所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中热熔对接时熔体界面间的压力为0.97～1.0MPa。
6.如权利要求1～3任意一项所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中所述加热板设定温度为210℃-215℃。
7.如权利要求6所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中所述加热板设定温度为213℃-215℃。
8.如权利要求1～3任意一项所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S2中所述熔珠高度为3～5mm。
9.如权利要求1～3任意一项所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，S3中保压冷却过程为二次保压：一次保压压力为焊接压力，时间13～15s，二次保压压力为焊接压力的11～15％，时间为12～15min。
10.如权利要求9所述PVC-U排水管材的热熔焊接方法，其特征在于，一次保压后，熔区内外表面截面形状为“火山”型。
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