塑料压力管道热熔对接自动焊机的研制

在我国塑料压力管道的焊接领域属于朝阳领域，有着极为光明的发展前景。在我国塑料压力管道应用才刚刚起步，焊接技术与国际先进水平相比，比较落后，同时缺乏焊接基础理论的研究，这在某种程度上制约了塑料压力管道在我国的推广速度和应用范围。因此，为了推动塑料压力管道在我国的广泛应用，在国家自然科学基金的资助下，天津大学材料科学与工程学院开始着手在塑料压力管道的焊接方法、焊接工艺及焊接的基本理论方面展开全面深入的研究。

　　1热熔对接焊的基本原理热熔对接焊是采用热熔对焊机来加热管道端面，使其熔化，迅速将其贴合，并保持一定的压力，经冷却达到熔接的目的。各尺寸的塑料压力管道均可采取热熔对接方式焊接，该方法经济可靠，其焊接接头在受拉和受压时都比管道本身具有更高的强度。

　　1.1热熔对接焊的四个阶段如和所示，热熔对接焊的过程比较简单大体上可以分为四个阶段。

　　力作用下与加热板接触，以保证管道的二个表面与加热板充分接触，并保持压力Pi不变，如（a）所示。当熔化的塑料开始向两侧流动时，降低压力至P2便于熔化的塑料流动，如（b）所示。

　　切换阶段，当有足够的熔化层厚度时，管道与加热板分开，将加热板快速移出，如（c）所示。

　　压焊和冷却阶段，在压力P3的作用下，将二个管道连在一起，保持压力一定的时间，如（d）所示。

　　1.2热熔对接焊的基本参数影响热熔对接焊的焊接质量参数主要有以下几个加热时间一包括在加热压力Pi作用下塑料表面被加热的时间tl和在加热压力P2作用下塑料表面被加热的时间t2；切换时间t3加热结束至压焊开始的一段时间，包括管道与加热板分开的时间、加热板移出的时间和管道互相靠拢的时间；焊接压力P3焊接时，作用在两个焊接面上的压力；压焊时间t4保持焊接压力的时间；加热板温度Tl加热板表面的真实温度。焊接过程中多余的熔融塑料被挤出，形成了焊接接头，且焊接接头的大小和几何形状影响焊接质量。

　　研究表明，接头性能的好坏主要由焊接过程中的温度、压力及加热时间决定。

　　2热熔对接焊机的开发热熔对接焊机是用来加热塑料管道（或管件）端面的专用设备，使被加热的两端面熔化，迅速将其贴合。

　　保有一定的压力、冷却，达到熔接的目的。塑料压力管道热熔对接焊机主要由夹持及导向装置、液压系统、修整装置、加热板及控制系统等几部分组成。

　　2.1夹持及导向装置夹持及导向装置主要用来夹紧和固定管道（或管件）同时为被焊管材的运动提供导向。在该装置中动力的来源是靠液压缸来提供的，液压杆又起导向和整个装置的连接作用。管道（或管件）的夹持装置分上下两半，通过可转动的螺杆压紧，装卸方便。如所示。

　　2.2液压系统液压系统用来完成焊接过程中的所需的各种动作和各阶段所需的不同压力。液压系统原理图如所示。该系统采用溢流阀调节系统的压力。液压缸采用双出杆形式，固定活塞杆，在油压的作用下缸筒在活塞杆上来回运动。同时两个液压缸通过机械连接方式将h面与其轴线的其固定在一起，以保证同步。该系统压力稳定，可调节，且噪音低。

　　2.3修整装置用来切削和修整管材（或管件）的端面，保证两相互焊接端面平行与平整，以及保证管材（或管件）的端f两个切板面上都装有切害塑料压力管道热熔对接自动焊机的研制2.4加热板加热板主要用来加热管材（或管件）的端面。加热板的材料必须导热容易、且不易腐蚀，一般用铝合金制成。加热板的使用区域为离加热板边界20mm的区域。加热板内部有加热元件，并且使用温度传感器测量加热板的温度，以便控制的温度变化不超过给定的范围，并保证各点温度均匀。为了防止塑料粘在加热板上，在加热板表面涂有聚四氟乙烯薄膜，薄膜厚度为30~50m，聚四氟乙烯的最大使用温度为270 24控制系统控制系统用来提供不同管材（或管件）的焊接工艺参数，在线显示各种焊接工艺参数和环境条件以及对加热板的温度实施控制，保证加热板的温度变化控制在一定的范围内。整个系统由一80C196单片机控制，主要包括：信息处理，包括工艺参数的计算与给定；环境条件的获取，包括环境温度及风速等；工艺参数和环境条件的显示；工艺参数的设置，可人工根据经验设置，也可根据被焊材料自动从数据库中选取。

　　该控制系统主要包括：温度控制系统和焊接过程控制系统。用80C196单片机实施这两个系统的控制。

　　该系统采用热电偶检测加热板的温度，同时利用集成温度传感器AD590检测环境温度，一方面作为热电偶的补偿温度，另一方面用于修正焊接过程参数的比较温度。并根据PID算法对加热元件进行控制。对液压缸的控制是通过控制换向阀的两个电磁铁（1DT和2DT）的通断，从而达到控制液压系统的油路来实现焊接过程的控制。如所示。

　　本文采用双向可控硅调工方式，双向可控硅串在50Hz交流电源和加热装置中，只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。如所示。

　　试验证明，采用PID算法控制温度可获得满意的效果。PID算法的递推公式为：其中焊过程4-就是将同塑料管道热熔对蓖焊的8个SShWAusNAKAKnUgR E（n）第n次测量温度值与设定温度值之差Kp比例系数T采样时间T，积分时间常数Td微分时间常数在PID控制中，积分的作用是消除残差，为了克服积分饱和，防止超调，提高控制性能，采取积分分离的措施。即其中，P为设定温度偏差，即控制精度，如2若积分分离值卩值过大，达不到积分分离的目的；若积分分离值卩值过小，一旦被控量无法跳出积分分离区，则只能进行PD算法控制，将会出现残差。为了实现积分分离，PD的递推公式为：2.6.2热电偶冷端补偿热电偶的温度一热电势关系是在冷端温度为0c时测得的，而工作中冷端温度不是0c而是环境温度to.因此采用AD590测量环境温度to来对热电偶的冷端进行补偿。冷端置于环境温度t0时，可得E（（0，0）冷端温度补偿值。热电偶冷端温2.6.3工艺过程控制方法热熔对接焊的工艺参数较多，动作过程也较复杂，因此焊接质量的好坏受人为因素的影响也较大。但利用计算机控制焊接的工艺参数和工艺过程，可避免由于人为因素的影响。本文采用预置参数控制热熔对接参数储存计算机，同时考虑焊接现场环境温度及风速的影响，利用传感器测量出环境温度和风速，并根据这些参数修改储存于计算机的工艺参数，得出适合于现场的焊接工艺参数，并根据这些工艺参数完成其工艺过程，从而不用人工干预，实现自动焊接过程。

　　2.6.4软件设计用80C196单片机控制热熔对接焊机，其软件设计时主要考虑解决以下几个问题：键盘扫描和键码识别；塑料压力管道参数和控制温度值的设定；温度采样、冷端补偿、标度转换、PID计算和加热控制；焊接工艺过程控制，包括液压缸的动作控制和时间控制及工艺参数的修正；过流检测处理和报警处理。

　　软件包括主程序、外部中断服务程序、HSI.0中断服务程序、HIS数据有效中断服务程序、温度采集与数据处理程序（包括标度变换、三字节浮点数的转换及加减乘除和BCD码转换为二进制数程序等）、PID控制程序、键码识别与动作控制程序、时间显示程序及报警程序等。液压缸动作过程时间控制利用DS12887时钟芯片产生一秒钟中断来实现。温度采样时间控制采用8155芯片定时器实现。

　　3结论热熔对接焊的工艺参数较多，动作过程也较复杂，因此焊接质量的好坏受人为因素的影响也较大。但利用计算机控制焊接的工艺参数和工艺过程，可避免由于人为因素的影响，同时利用计算机控制塑料压力管道的焊接，还可以自动修正焊接现场环境条件对焊接工艺参数的影响，从而能保证焊接的质量。