非金属焊接原理及方法

非金属焊接原理及方法

塑料作为非金属材料的一种，经常被应用于特种设备中，如塑料管道。塑料管道与传统金属管道相比，具有自重轻、耐腐蚀、耐压强度高、卫生安全、水流阻力小、节约能源、节省金属、改善生活环境、使用寿命长、安装方便等特点，受到了管道工程界的青睐。塑料管道品种较多，分类方法也很多。按照管道原材料不同可分为聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚偏氟乙烯(PVDF)、耐热聚乙烯(PE-RT)、多组分共聚ABS管材以及交联聚乙烯(PE-X)管材，在燃气用压力管道中以聚乙烯管比较常见。塑料作为一种非金属材料，在许多工业领域都有着非常重要和广泛的应用。焊接是塑料连接工艺的一种常用方式，塑料的焊接比较容易实现。本章主要介绍塑料焊接的技术和工艺。

一、塑料焊接原理

塑料焊接的基本原理是热熔状态的塑料大分子在焊接压力的作用下相互扩散，产生分子间作用力，从而紧密地焊接在一起。根据这个原理，塑料焊接的必要条件有：导致塑料熔融流动的焊接温度；促进大分子相互扩散，并挤去焊缝中残余气隙的焊接压力；焊接压力及温度的作用时间，在这段时间里，塑料从热熔融直至重新冷却硬化，建立起足够的焊接强度。聚乙烯管道的焊接原理是，聚乙烯一般在190～240℃范围内被熔化(不同原料牌号的熔化温度一般也不相同),此时若使管材(或管件)两个熔化的部分充分接触，并施加适当的压力(电熔焊接的压力来源于焊接过程中聚乙烯自身的热膨胀),冷却后便可牢固地融为一体。

塑料焊接可以使用塑料条作为填充焊料，也可以直接加热焊接而不使用填充焊料。由于塑料材质和种类的不同，以及所用焊接方法的不同，因此具体焊接温度、焊接压力和作用时间各不一样。塑料的焊接工艺首先应该根据母材的焊接性制订。除母材因素外，塑料成型加工往往影响塑料焊接接头的力学性能。塑料焊接接头的性能影响塑料制特种设备的使用性能，大多数工程应用都要求接头与母材具有相同的性能，而焊接方法及工艺将影响焊接接头的性能。

塑料焊接的基本过程包括焊前准备、加热、加压、保温冷却，对于有的焊接工艺来说，这些步骤是按顺序进行的；对于有的焊接工艺来说，某些步骤是同步进行的。总之，决定塑料焊接质量的因素主要有时间、压力、温度。

为了保证焊接质量，焊接表面必须清洁，常在焊接前对焊接表面做脱脂去污处理。处理时，必须注意所选的脱脂清洁剂不能溶解待焊塑料，焊接表面还必须做平整与平行的预加工处理。例如，管道端面对接焊时，必须先用平行机动旋刀削平，热气焊或挤塑焊的母材常需加工坡口，坡口也有平整、平行和对称的要求。

特种设备中用的聚乙烯压力管道，是一种高结晶度的聚合物，这种聚合物随温度的变化可分成三种状态：结晶态(坚硬固体)、高弹态(橡胶状弹性体)、黏流态(黏流体)。

1)结晶态。当温度低于玻璃化温度时，高聚物的大分子和链段都不能运动，高聚物处于脆性结晶态(又称玻璃态),为坚硬的固体，受外力作用时，发生力的形变很小。

2)高弹态。当温度高于玻璃化温度时，高聚物的大分子的链段开始运动，呈现出柔软而富有弹性的高弹态，产生高弹形变，弹性模量降低，形变能力增加，但为可逆形变。

3)黏流态。当温度高于黏流温度时，高聚物的大分子发生相对运动而具有流动性。此时，若对高聚物施加一定作用力，高聚物黏性流动的形变随时间的增加而增加，当外力解除后其形变不能恢复到原来的形状。高聚物的这种不可逆形变称为塑性形变。

分析聚乙烯管道的焊接机理，要获得一个合格的焊口，必须满足的基本条件有：熔接界面必须是干净、干燥的，不干净的界面会影响分子间的相互滑移和缠绕；合理的加热温度和加热时间，以保证获得足够的黏流态的熔体；合适的外力，可以加剧分子变形，使两界面的分子充分地缠结；足够的冷却时间。

二、塑料焊接方法

由于塑料的种类及部件的结构形状不同，采用的连接工艺和方法也不同。塑料的连接方法按连接的物理本质可分为加热焊、溶剂焊、胶接和机械连接。加热焊是通过加热两个连接表面，使其中的一个表面或两个表面发生熔化，然后再施加一定的压力，消除焊接区域的气体及空隙，促进大分子的相互扩散，一定时间之后使工件冷却，塑料重新凝固，形成牢固的接头。如果两个被连接件均为聚合物，则加热时两个连接件表面均熔化，在压力作用下两者相互扩散。如果其中只有一个为聚合物，则要求聚合物熔融体能够很好地润湿另一被连接件，熔化的聚合物事实上起着胶黏剂的作用。根据加热方式的不同，加热焊又可分为直接加热焊、超声波焊、感应加热植入焊和摩擦加热焊等几种，而直接加热焊又有热气焊、热工具焊、电阻植入焊和激光焊等几种，摩擦加热焊又有旋转摩擦焊、线性振动摩擦焊和搅拌摩擦焊。

特种设备塑料焊接中主要用加热焊接法，塑料加热焊接主要有三种方法：热气焊、热熔焊和电熔焊。表5-1是塑料焊接方法的特点。

非金属塑料管道中主要塑料有聚乙烯和聚氯乙烯，大部分塑料有多种连接方法，聚乙烯和聚氯乙烯管道在选择连接方法时应按照如下原则进行：接头要满足使用要求，经济性要高，对环境没有不利的影响。聚乙烯的焊接性较好，自身连接一般采用加热焊。由于任何溶剂均不能溶解聚乙烯，因此这类塑料不能利用溶剂焊进行连接。聚乙烯还可用胶接法进行连接，常用的胶黏剂有环氧树脂、酚醛一丁腈等。不同胶黏剂所需的固化时间相差很大。聚氯乙烯一般利用溶剂焊和加热焊进行焊接。硬度较大的聚氯乙烯可利用环氧树脂、聚氨酯等进行胶接，硬度较小的聚氯乙烯由于存在增塑剂迁移问题，一般采用与增塑剂相溶的丁腈、酚醛-丁腈等胶黏剂进行胶接。