第二節　塑料焊接技術的發展歷程

塑料焊接是現代工業重要的塑料加工成型工藝之一。常見的塑料加工成型工藝有擠出、注塑、壓延、滾塑等，其特征是批量大、熱成型。但是，一些產品往往還要進行機械加工、表面處理、機械連接等二次加工，塑料焊接就是一種重要的二次加工。本節主要介紹塑料焊接技術（包括塑料壓力管道焊接）的現狀與發展。

一、塑料焊接技術概述

（一）塑料

塑料焊接技術的發展是伴隨著塑料的發展而發展的。今天所說的塑料，單指人工合成的塑料（又稱合成樹脂），是用人工方法合成的高分子物質。最早的塑料是用硝酸處理過的纖維素、由天然的纖維素加工而成的，并不是完全人工合成的塑料。人類歷史上第一種完全人工合成的塑料是酚醛樹脂，由美國人貝克蘭在1909年用苯酚和甲醛制得的，并取得第一個熱固性樹脂——酚醛樹脂的專利權，這帶來了塑料突破性的進展。1920年以后塑料工業獲得了迅速發展。20世紀40年代乙烯類單體的自由基引發聚合迅速發展，實現工業化的塑料包括氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等。在這一時期塑料工業處于飛速發展階段。1983年起塑料工業超過歷史最高水平，產量達72Mt。目前，以塑料為主體的合成材料的世界體積產量早已超過全部金屬的產量。鋼鐵生產已有兩千多年的歷史，而塑料問世不過百多年，足可見塑料工業發展速度之驚人。

還有一種材料稱為塑料合金，它是利用物理共混或化學接枝的方法而獲得的高性能、功能化、專用化的一類新材料。它能改善或提高現有塑料的性能并降低成本，廣泛用于汽車、電子、精密儀器、辦公設備、包裝材料、建筑材料等領域，成為塑料工業中最為活躍的品種之一。

塑料按其熱行為的不同可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱固性塑料成型后再加熱也不會變軟、不熔化，因此這種塑料不能進行焊接，多用于開關、插座等。熱塑性塑料成型后再加熱仍可軟化乃至熔化，具有良好的加工性能和可焊性。由于焊接時要求塑料能熔化和迅速冷卻而將兩塑料表面連接在一起，因此一般情況下塑料焊接就是指熱塑性塑料的焊接。

（二）塑料焊接方法

塑料焊接是利用熱作用，使塑料連接處發生熔融，并在一定壓力下粘接在一起。塑料焊接可以使用焊條填充材料，也可以直接加熱焊件而部使用填充材料。

塑料設備的性能主要取決于其連接接頭的性能，大多數工程應用均要求接頭與母材具有相同的性能，而焊接方法和焊接技術則對接頭性能具有重要的影響。

由于塑料材質、種類及使用條件的不同，焊接時所采用的方法也不同。不同的塑料焊接方法不外乎加熱方式的不同。除了大多與塑料的熔融特性及流動特性有關外，可能還遵循著各自特有的機理。

熱塑性塑料的焊接方法大體可分為三大類，即熱焊接、摩擦焊接、電磁焊接。熱焊接包括熱氣焊、熱壓焊、擠出焊、加熱工具焊和紅外輻射焊接等；摩擦焊接可分為旋轉焊、振動焊、高頻焊和超聲波焊接等；電磁焊接有電熱絲焊接、感應焊接、電容焊接和脈沖焊等。目前常采用的塑料焊接方法有熱風焊、擠出焊、熱熔焊和電熔焊等。熱風焊方法歷史最長，應用廣泛，適合于焊接大型設備或構件，如板材對接、角形焊縫，但只能用于手工操作，生產效率較低。擠出焊是20世紀60年代經過一系列的技術改造之后開發的一種加工工藝，它的出現大大縮短了焊接厚壁板材所需要的時間。

（三）塑料焊接方法的發展

塑料焊接最初的工藝是熱熔焊接，就是通過加熱把兩塊塑料的結合面熔化，并使其相互粘接的一種方法，也是在塑料大發展時期發展起來的。隨后，發明了超聲波焊接和高頻焊接。它們的基本原理都是把一種能量（超聲波動能、高頻電場的電能）轉變成可以使塑料熔融的熱能，進而實現塑料的焊接。

擠出焊是20世紀60年代經過一系列的技術改造之后開發的一種加工工藝，它的出現大大縮短了焊接厚壁板材所需要的時間。

超聲波金屬焊接是19世紀30年代偶然發現的，塑料超聲波焊接也是借鑒金屬技術發展而發展的。所需熱量是用超聲波激發塑料作高頻機械振動而產生的。超聲焊是目前熱塑性材料使用得最廣泛的焊接方法之一，其操作簡單，不需要填充焊料，生產效率高，焊接周期短，易于實現自動化，適于大批量生產，焊接強度高且一致性好，焊后外觀無任何印痕，無需修復。對于一些特異材料，只能采用超聲焊。但超聲波焊只能焊接小焊面，且設備成本高。對于較大部件，雖可采用多頭焊機，但結構復雜且價格昂貴，不太適宜低模量熱塑性材料。超聲焊適于焊接幾乎所有熱塑性塑料材料，尤其適于剛性較大的材料，因不受待焊面污染的限制，廣泛用于醫藥制品、食品工業的自動化焊接。

激光技術是從20世紀70年代開始應用在塑料焊接中的。激光作為一種焊接用熱源，具有準直性優良、光束能量密度高、作用區域小等優點。在焊接過程中，通過光路系統，將激光器產生的光束聚焦于待焊接區域，形成熱作用區；在熱作用區中的塑料被熔化；在隨后的凝固過程中，已熔化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來。激光焊接塑料具有低成本、高速度、加工方便、易實現精密數控容易、原材料適用范圍廣、接合性和工藝性好等綜合優勢，隨著塑料焊接工藝研究和塑料激光焊接設備的逐步商品化，塑料激光焊接的應用必將越來越廣泛，技術越來越成熟。同其他塑料焊接方法相比，它具有非接觸、不透氣、不漏水、焊接速度低、精度高、焊縫強度高、無飛邊、無殘渣、熱應力最小等優點。

最近幾年還出現了塑料冷焊接，廣泛應用于聚氯乙烯管道的連接，它的工藝機理和技術還在發展完善之中。塑料冷焊接是將塑料管材和管件的承插連接口通過溶劑溶合固化，又粘接固化在一起的工藝。冷焊接與熱焊接的區別：普通塑料焊接屬于加熱焊接，冷焊接不通過加熱方式進行。

二、塑料壓力管道焊接技術現狀與發展

塑料壓力管道具有質量輕（密度是鋼的1/7）、耐腐蝕性強、流體阻力小、熱導率低（約為鋼的1/100）、施工方便且壽命長等特點，廣泛用于燃氣、給水輸送等各個領域。在塑料管道系統的制造和使用過程中，管道之間的連接是影響其結構完整性及持久強度的重要因素。由于管道輸送的流體中不乏危險介質，如天然氣和煤氣等，結構一旦破壞后果不堪設想，因此管道的連接技術是影響塑料管道是否廣泛應用的關鍵技術之一。目前公認焊接是一種高質量、高效率的塑料管道連接技術，聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯壓力管道均采用電熔或熱熔技術連接。

（一）電熔焊技術的發展

電熔焊技術是利用電流產生的熱效應使塑料熔化，由于聚合物分子的擴散、冷卻后連接在一起，達到焊接的目的。當前，隨著高密度聚乙烯管道在燃氣和給排水等領域應用的不斷深入，電熔焊技術也得到了飛速發展和廣泛應用，主要體現在以下幾個方面：

（1）電熔管件的材質緊隨管道材質的發展，電熔管件的結構得到不斷改進。國際上已有多家電熔管件制造商開發生產出PE100材料的電熔管件。

（2）電熔焊設備實現了多功能化，可以在現場進行焊接質量的控制，并且確保設備和安裝的可追溯性。

（3）電熔管件的自動識別系統實現了標準化，識別系統有數字識別系統、機電識別系統和自調節系統3種類型。目前大多數電熔管件采用的是數字識別系統。

聚乙烯燃氣管道的應用發展到20世紀90年代，產生一些明顯的變化。如電熔連接多功能控制器的采用，以及管網安裝中獨立承包商的介入，需要明確界定責任。而這首先要求的是可靠的數據記錄。采用電子數據處理的焊接控制器可在現場自動記錄所需要的各種數據，提高統計分析的效率，同時也有助于評價產品供應商和安裝隊伍的表現。如果發生質量事故，詳細的數據在質量分析中非常有用。可追溯性延伸了電熔管件數據載體的數據范圍，因此要求采用磁卡或24位的條形碼來記錄施工數據。

（二）熱熔對接焊技術的發展

塑料壓力管道熱熔對接焊技術的應用時間已有40多年。實踐證明，該方法可以焊出高質量的焊接接頭。熱熔對接焊的發展方向也是全自動化。這樣不僅可消除人為因素的影響，并且可實現可追溯性。這主要是針對大口徑管道，因為傳統焊接設備用于直徑大于315mm的管道時已出現問題。

近年來，熱熔對接焊在改善焊接質量和可用性方面有新的進展，主要是計算機數字控制技術在塑料焊接技術中得到了成功的應用。熱熔對接焊的工藝參數較多，動作過程也較復雜，因此焊接質量的好壞受人為因素的影響也較大。但利用計算機控制焊接的工藝參數和工藝過程，可避免由于人為因素的影響。它控制精度高，重復準確性好，操作簡便實用，且焊接結果獨立于設備的操作者，即影響焊接質量的人為因素幾乎為零。由于所有焊接工藝參數的理論值和實際值都被儲存在計算機中，隨時可以調用，因此焊工在焊接時不必手工操作，而使整個焊接過程都按程序自動進行，從而不但提高了焊接接頭的質量，而且減少了工作時間、降低了費用、同時實現了可追溯性。熱熔對接焊自動控制系統分為預置參數控制和自動調節參數控制兩種。

（三）塑料管道焊接新方法

塑料壓力管道的發展方向是大直徑、厚管壁，并且輸送介質的壓力也向高壓方向發展，這為熱熔對接焊的發展帶來了契機，可以充分發揮熱熔對接焊的優越性。塑料壓力管道焊接技術也一直向自動化、智能化和信息化方向發展，能自動適應環境的變化以及自動調整在新材料上焊接的焊接參數；具有記憶功能，自動記錄所采用的焊接參數；采用磁卡作為數據載體；對塑料焊機采用ID卡進行授權管理；按ISO 9000質量體系規范管理等。隨著網絡技術的發展，將對焊機利用網絡進行輔助管理、遠程故障診斷及遠程參數設置，充分利用網絡的快捷、方便，使塑料焊接技術向前發展。

國外也有機構研究了一些新的方法。美國天然氣研究所開發了一種用于連接和修理輸送天然氣的聚乙烯管線的新方法。該方法使用了自調、恒溫加熱的技術。該技術能較好地控制溫度，且裝配費用低。該產品于1995年在美國開始商業銷售。

熱熔對接焊和電熔焊在聚乙烯管道的焊接中得到了廣泛應用，但其焊接時間較長。因此，20世紀80年代后期有人提出了利用紅外線輻射的方法焊接聚乙烯管道焊。其焊接過程與熱熔對接焊基本一致，只是加熱工具是用鎢絲或鎳鉻絲制成，利用鎢絲或鎳鉻絲加熱時產生的紅外線對管道端面輻射加熱。這種方法主要優點是減少了焊接時間、加熱板不用與管道端面直接接觸、可以避免熱源污染等。但非接觸加熱不易消除管道端面的不平度的影響；采用鎢絲或鎳鉻絲作為發熱元件也使加熱板造價高。研究表明，利用紅外輻射焊接可以形成比熱熔對接焊更高的焊接強度，而焊接時間可以減少50%。該方法目前仍停留在試驗室中使用，沒有在工程中推廣應用。

（四）我國塑料壓力管道焊接技術的發展現狀

與發達國家相比，我國在塑料壓力管道焊接技術方面仍舊存在一定的差距。就熱熔對接焊機而言，全自動焊接設備應用仍不普遍，焊接質量受人為因素影響較大。電熔焊技術只在小管徑管道上使用效果比較好；在大直徑管道上使用時仍舊存在難以保證焊接質量問題；同時，國內使用的電熔管件大都依賴于進口或中外合資生產，沒有自主知識產權的電熔管件。

隨著科學技術的發展，塑料管道焊接技術將向自動化、智能化和信息化方向發展。塑料壓力管在我國大規模的應用將為我國廣泛開展塑料壓力管道焊接基礎理論、焊接技術規范及質量控制體系的研究提供條件，開發性能優良、價格合理、操作簡便的焊接設備將會使管道焊接更加方便、直接，這些具有重大的社會效益和經濟效益。