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技術(shù)文章
塑料熱風(fēng)焊接技術(shù)及應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：3422 發(fā)布時(shí)間：2014-8-19
在與化工相關(guān)的行業(yè)中，普遍使用的塑料容器、儲(chǔ)槽以及部分管路系統(tǒng)，都需要借助熱風(fēng)焊接工藝，才能達(dá)到理想的連接牢度。而熱風(fēng)工藝本身也因其簡單實(shí)用，而被行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士廣泛接受，尤其是對于PE、PP、PVC和PVDF等塑料種類的焊接，更具有*的優(yōu)勢。
塑料焊接，實(shí)際上就是相容的塑料材料中相互纏繞的大分子鏈?zhǔn)軣嶂?，由于具備了足夠的能量和空間，在自身的分子熱運(yùn)動(dòng)和外在壓力的作用下，相互遷移和擴(kuò)散到對方的熔融區(qū)中，并隨著溫度的下降和時(shí)間的推移，再次發(fā)生纏繞、冷卻、結(jié)晶和定型的過程。在塑料制品的諸多連接技術(shù)中，熱風(fēng)焊接工藝是比較常見的一種，化工行業(yè)中普遍使用的塑料容器、儲(chǔ)槽以及部分管路系統(tǒng)等均可以使用該工藝。本文對幾種主要的熱風(fēng)焊接工藝進(jìn)行了簡單的介紹。
圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)
通常，圓嘴熱風(fēng)焊的工藝過程包括5個(gè)階段，分別是：待焊部件的表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻。每個(gè)階段的具體操作要求取決于待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其工作原理（如圖所示）是：利用加熱后的風(fēng)或空氣，同時(shí)預(yù)熱焊條與待焊的母材相應(yīng)部位；待其熔融之后，操作者通過對焊條垂直施加一定的壓力，將焊條的熔融區(qū)與待焊母材的熔融區(qū)進(jìn)行對接，并保持一定的焊接速度，使其具有足夠的承壓時(shí)間；zui后，進(jìn)行冷卻定型。
圓嘴熱風(fēng)焊接的工作原理示意圖
在正式焊接之前，應(yīng)先對待焊部件的表面進(jìn)行相關(guān)處理，這樣做的目的是：一方面，為了在焊接區(qū)域加工出焊縫所需要的破口或槽口，例如V形或X形槽口（如圖所示）；另一方面，為了去除材料表面的雜質(zhì)、臟物或者氧化層等影響焊接質(zhì)量的不利因素。
V形焊縫示意圖
X形焊縫示意圖
由于圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)主要用于塑料零部件的修復(fù)，因此，在進(jìn)行圓嘴熱風(fēng)焊接的過程中，操作者必須小心控制所施加的壓力和焊接速度。這是因?yàn)?，通過設(shè)定合適并且可準(zhǔn)確控制的溫度，能保證得到合適的大分子熔融區(qū)。如果所施加的壓力太小，則大分子鏈無法進(jìn)行遷移和擴(kuò)散；如果壓力太大，則大分子鏈會(huì)被擠出熔融區(qū)，無法停留在界面內(nèi)參與遷移和擴(kuò)散過程，也就無法實(shí)現(xiàn)真正的焊接。
在冷卻過程中，塑料在微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生明顯的變化：對于無定形材料，其改變表現(xiàn)為焊接區(qū)分子鏈的取向；對于半結(jié)晶的材料，結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí)，形成的晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)在承受應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞，而不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度降低，同時(shí)形成的晶粒比較小，而這種較小的晶粒結(jié)構(gòu)非常容易在遭受化學(xué)物質(zhì)和溶劑侵蝕以及承受應(yīng)力的情況下發(fā)生破壞。因此，應(yīng)盡量避免使用過快的冷卻速度。
同時(shí)，焊接過程中支撐焊件的材料也會(huì)影響冷卻速度。在焊接時(shí)，應(yīng)避免使用混凝土、厚的金屬板或其他容易從焊接區(qū)域吸收熱量的材料作為支撐件，否則，即使提高熱風(fēng)的溫度，也不能很好地解決問題。
快速熱風(fēng)焊接
快速熱風(fēng)焊接技術(shù)也是利用加熱后的風(fēng)或者空氣來預(yù)熱焊條與待焊母材相應(yīng)部位的方法實(shí)現(xiàn)焊接的。但是，快速熱風(fēng)焊接技術(shù)所使用的焊接風(fēng)嘴比較特殊，風(fēng)嘴底部的形狀一般為凸出的彎曲面，用來將焊條壓入母材的待焊部位，而焊條則穿過焊接風(fēng)嘴內(nèi)部，并從風(fēng)嘴中伸展出一段。加熱時(shí)，一部分熱風(fēng)對風(fēng)嘴底部的焊條進(jìn)行加熱，另外一部分熱風(fēng)則用于加熱母材的待焊區(qū)域。由圖可知，在快速焊接的工藝過程中，焊條從快速焊接風(fēng)嘴中出來，并在焊接風(fēng)嘴中*行部分預(yù)熱。同時(shí)，從風(fēng)嘴中吹出的部分熱風(fēng)對母材的待焊部位進(jìn)行預(yù)熱。焊接壓力則通過風(fēng)嘴的末端施加到焊條上，完成整個(gè)焊縫的焊接。
與圓嘴熱風(fēng)焊接工藝一樣，該工藝過程同樣包括表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻這5個(gè)階段，并且每個(gè)階段的具體操作要求也與待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。
快速熱風(fēng)焊接技術(shù)
擠出焊接
擠出焊接技術(shù)是20世紀(jì)60年代經(jīng)過一系列技術(shù)改進(jìn)后成功開發(fā)的一種加工工藝，它的出現(xiàn)大大縮短了焊接厚壁板材所需要的時(shí)間。上表列出了對厚度為25mm的高密度聚乙烯（HDPE）材料上的長度為1m的單V形焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，采用擠出焊接和快速熱風(fēng)焊接兩種工藝各自需要的時(shí)間?？梢钥闯觯瑪D出焊接技術(shù)的平均用時(shí)僅為快速熱風(fēng)焊接技術(shù)的1/6。由此可知，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如大型酸洗槽等，擠出焊接已經(jīng)成為一種非常經(jīng)濟(jì)的焊接方法。
擠出焊接雖然也是通過熱風(fēng)進(jìn)行焊接，但是，它和前面所述的兩種熱風(fēng)焊接存在明顯的不同之處，即它是通過擠出機(jī)或類似擠出機(jī)的裝置對焊條進(jìn)行加熱擠出，使其先形成均勻塑化或熔融的熔體條，并不經(jīng)過冷卻就直接壓在待焊部位進(jìn)行焊接。在熔體條被壓入母材上之前，母材的待焊部位必須事*行預(yù)熱至熔融溫度，使其變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后在焊條熔體上施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接，冷卻后即可形成堅(jiān)固的焊縫。
在擠出焊接的過程中，焊條和待焊母材/制件采用了不同的加熱方式。焊條不僅可以在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中以及在通向焊接靴的熔體導(dǎo)管中進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，而且能夠在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中，通過螺桿的剪切作用而受到剪切摩擦熱。相比之下，待焊母材/制件則通常通過擠出焊槍出風(fēng)口的熱風(fēng)進(jìn)行對流加熱。提高熱風(fēng)的流量和熱風(fēng)溫度可以提高待焊母材/制件的表面溫度，同時(shí)得到比較厚的熔體層。另外，在擠出焊接的過程中，需要操作者人工施加壓力，并且在整個(gè)焊縫的焊接過程中，需要確保所施加的壓力始終保持同等大小，從而確保熔融的焊條和待焊母材/制件的熔融表面緊密接觸，促進(jìn)大分子鏈間的良好擴(kuò)散和相互纏繞。
在焊接過程中，除了大分子鏈間的擴(kuò)散之外，熱塑性聚合物在冷卻時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。對于無定形聚合物，焊接區(qū)域在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生分子鏈的取向。對于半結(jié)晶熱塑性聚合物來說，結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí)，形成的晶體結(jié)構(gòu)在承受應(yīng)力時(shí)可能會(huì)發(fā)生破壞；不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度的降低，并產(chǎn)生較小的晶粒，而這種結(jié)構(gòu)在化學(xué)物質(zhì)、溶劑或應(yīng)力的作用下也非常容易發(fā)生破壞
塑料焊接，實(shí)際上就是相容的塑料材料中相互纏繞的大分子鏈?zhǔn)軣嶂?，由于具備了足夠的能量和空間，在自身的分子熱運(yùn)動(dòng)和外在壓力的作用下，相互遷移和擴(kuò)散到對方的熔融區(qū)中，并隨著溫度的下降和時(shí)間的推移，再次發(fā)生纏繞、冷卻、結(jié)晶和定型的過程。在塑料制品的諸多連接技術(shù)中，熱風(fēng)焊接工藝是比較常見的一種，化工行業(yè)中普遍使用的塑料容器、儲(chǔ)槽以及部分管路系統(tǒng)等均可以使用該工藝。本文對幾種主要的熱風(fēng)焊接工藝進(jìn)行了簡單的介紹。
圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)
通常，圓嘴熱風(fēng)焊的工藝過程包括5個(gè)階段，分別是：待焊部件的表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻。每個(gè)階段的具體操作要求取決于待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其工作原理（如圖所示）是：利用加熱后的風(fēng)或空氣，同時(shí)預(yù)熱焊條與待焊的母材相應(yīng)部位；待其熔融之后，操作者通過對焊條垂直施加一定的壓力，將焊條的熔融區(qū)與待焊母材的熔融區(qū)進(jìn)行對接，并保持一定的焊接速度，使其具有足夠的承壓時(shí)間；zui后，進(jìn)行冷卻定型。
圓嘴熱風(fēng)焊接的工作原理示意圖
在正式焊接之前，應(yīng)先對待焊部件的表面進(jìn)行相關(guān)處理，這樣做的目的是：一方面，為了在焊接區(qū)域加工出焊縫所需要的破口或槽口，例如V形或X形槽口（如圖所示）；另一方面，為了去除材料表面的雜質(zhì)、臟物或者氧化層等影響焊接質(zhì)量的不利因素。
V形焊縫示意圖
X形焊縫示意圖
由于圓嘴熱風(fēng)焊接技術(shù)主要用于塑料零部件的修復(fù)，因此，在進(jìn)行圓嘴熱風(fēng)焊接的過程中，操作者必須小心控制所施加的壓力和焊接速度。這是因?yàn)?，通過設(shè)定合適并且可準(zhǔn)確控制的溫度，能保證得到合適的大分子熔融區(qū)。如果所施加的壓力太小，則大分子鏈無法進(jìn)行遷移和擴(kuò)散；如果壓力太大，則大分子鏈會(huì)被擠出熔融區(qū)，無法停留在界面內(nèi)參與遷移和擴(kuò)散過程，也就無法實(shí)現(xiàn)真正的焊接。
在冷卻過程中，塑料在微觀結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生明顯的變化：對于無定形材料，其改變表現(xiàn)為焊接區(qū)分子鏈的取向；對于半結(jié)晶的材料，結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí)，形成的晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)在承受應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞，而不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度降低，同時(shí)形成的晶粒比較小，而這種較小的晶粒結(jié)構(gòu)非常容易在遭受化學(xué)物質(zhì)和溶劑侵蝕以及承受應(yīng)力的情況下發(fā)生破壞。因此，應(yīng)盡量避免使用過快的冷卻速度。
同時(shí)，焊接過程中支撐焊件的材料也會(huì)影響冷卻速度。在焊接時(shí)，應(yīng)避免使用混凝土、厚的金屬板或其他容易從焊接區(qū)域吸收熱量的材料作為支撐件，否則，即使提高熱風(fēng)的溫度，也不能很好地解決問題。
快速熱風(fēng)焊接
快速熱風(fēng)焊接技術(shù)也是利用加熱后的風(fēng)或者空氣來預(yù)熱焊條與待焊母材相應(yīng)部位的方法實(shí)現(xiàn)焊接的。但是，快速熱風(fēng)焊接技術(shù)所使用的焊接風(fēng)嘴比較特殊，風(fēng)嘴底部的形狀一般為凸出的彎曲面，用來將焊條壓入母材的待焊部位，而焊條則穿過焊接風(fēng)嘴內(nèi)部，并從風(fēng)嘴中伸展出一段。加熱時(shí)，一部分熱風(fēng)對風(fēng)嘴底部的焊條進(jìn)行加熱，另外一部分熱風(fēng)則用于加熱母材的待焊區(qū)域。由圖可知，在快速焊接的工藝過程中，焊條從快速焊接風(fēng)嘴中出來，并在焊接風(fēng)嘴中*行部分預(yù)熱。同時(shí)，從風(fēng)嘴中吹出的部分熱風(fēng)對母材的待焊部位進(jìn)行預(yù)熱。焊接壓力則通過風(fēng)嘴的末端施加到焊條上，完成整個(gè)焊縫的焊接。
與圓嘴熱風(fēng)焊接工藝一樣，該工藝過程同樣包括表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴(kuò)散和冷卻這5個(gè)階段，并且每個(gè)階段的具體操作要求也與待焊部件的具體外觀形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)。
快速熱風(fēng)焊接技術(shù)
擠出焊接
擠出焊接技術(shù)是20世紀(jì)60年代經(jīng)過一系列技術(shù)改進(jìn)后成功開發(fā)的一種加工工藝，它的出現(xiàn)大大縮短了焊接厚壁板材所需要的時(shí)間。上表列出了對厚度為25mm的高密度聚乙烯（HDPE）材料上的長度為1m的單V形焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，采用擠出焊接和快速熱風(fēng)焊接兩種工藝各自需要的時(shí)間?？梢钥闯觯瑪D出焊接技術(shù)的平均用時(shí)僅為快速熱風(fēng)焊接技術(shù)的1/6。由此可知，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如大型酸洗槽等，擠出焊接已經(jīng)成為一種非常經(jīng)濟(jì)的焊接方法。
擠出焊接雖然也是通過熱風(fēng)進(jìn)行焊接，但是，它和前面所述的兩種熱風(fēng)焊接存在明顯的不同之處，即它是通過擠出機(jī)或類似擠出機(jī)的裝置對焊條進(jìn)行加熱擠出，使其先形成均勻塑化或熔融的熔體條，并不經(jīng)過冷卻就直接壓在待焊部位進(jìn)行焊接。在熔體條被壓入母材上之前，母材的待焊部位必須事*行預(yù)熱至熔融溫度，使其變?yōu)槿廴趹B(tài)，然后在焊條熔體上施加壓力實(shí)現(xiàn)焊接，冷卻后即可形成堅(jiān)固的焊縫。
在擠出焊接的過程中，焊條和待焊母材/制件采用了不同的加熱方式。焊條不僅可以在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中以及在通向焊接靴的熔體導(dǎo)管中進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，而且能夠在擠出機(jī)或類似擠出機(jī)裝置的型腔中，通過螺桿的剪切作用而受到剪切摩擦熱。相比之下，待焊母材/制件則通常通過擠出焊槍出風(fēng)口的熱風(fēng)進(jìn)行對流加熱。提高熱風(fēng)的流量和熱風(fēng)溫度可以提高待焊母材/制件的表面溫度，同時(shí)得到比較厚的熔體層。另外，在擠出焊接的過程中，需要操作者人工施加壓力，并且在整個(gè)焊縫的焊接過程中，需要確保所施加的壓力始終保持同等大小，從而確保熔融的焊條和待焊母材/制件的熔融表面緊密接觸，促進(jìn)大分子鏈間的良好擴(kuò)散和相互纏繞。
在焊接過程中，除了大分子鏈間的擴(kuò)散之外，熱塑性聚合物在冷卻時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。對于無定形聚合物，焊接區(qū)域在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生分子鏈的取向。對于半結(jié)晶熱塑性聚合物來說，結(jié)晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時(shí)，形成的晶體結(jié)構(gòu)在承受應(yīng)力時(shí)可能會(huì)發(fā)生破壞；不合適的溫度和過快的冷卻速度則會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶度的降低，并產(chǎn)生較小的晶粒，而這種結(jié)構(gòu)在化學(xué)物質(zhì)、溶劑或應(yīng)力的作用下也非常容易發(fā)生破壞