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技術文章
塑料熱風焊接技術及應用
點擊次數：3524 發(fā)布時間：2014-8-19
在與化工相關的行業(yè)中，普遍使用的塑料容器、儲槽以及部分管路系統(tǒng)，都需要借助熱風焊接工藝，才能達到理想的連接牢度。而熱風工藝本身也因其簡單實用，而被行業(yè)內專業(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，實際上就是相容的塑料材料中相互纏繞的大分子鏈受熱之后，由于具備了足夠的能量和空間，在自身的分子熱運動和外在壓力的作用下，相互遷移和擴散到對方的熔融區(qū)中，并隨著溫度的下降和時間的推移，再次發(fā)生纏繞、冷卻、結晶和定型的過程。在塑料制品的諸多連接技術中，熱風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焊接工藝進行了簡單的介紹。
圓嘴熱風焊接技術
通常，圓嘴熱風焊的工藝過程包括5個階段，分別是：待焊部件的表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴散和冷卻。每個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部結構設計。其工作原理（如圖所示）是：利用加熱后的風或空氣，同時預熱焊條與待焊的母材相應部位；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)進行對接，并保持一定的焊接速度，使其具有足夠的承壓時間；zui后，進行冷卻定型。
圓嘴熱風焊接的工作原理示意圖
在正式焊接之前，應先對待焊部件的表面進行相關處理，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、臟物或者氧化層等影響焊接質量的不利因素。
V形焊縫示意圖
X形焊縫示意圖
由于圓嘴熱風焊接技術主要用于塑料零部件的修復，因此，在進行圓嘴熱風焊接的過程中，操作者必須小心控制所施加的壓力和焊接速度。這是因為，通過設定合適并且可準確控制的溫度，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，則大分子鏈無法進行遷移和擴散；如果壓力太大，則大分子鏈會被擠出熔融區(qū)，無法停留在界面內參與遷移和擴散過程，也就無法實現(xiàn)真正的焊接。
在冷卻過程中，塑料在微觀結構上會發(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；對于半結晶的材料，結晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關。當冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時，形成的晶體結構可能會在承受應力時發(fā)生破壞，而不合適的溫度和過快的冷卻速度則會導致結晶度降低，同時形成的晶粒比較小，而這種較小的晶粒結構非常容易在遭受化學物質和溶劑侵蝕以及承受應力的情況下發(fā)生破壞。因此，應盡量避免使用過快的冷卻速度。
同時，焊接過程中支撐焊件的材料也會影響冷卻速度。在焊接時，應避免使用混凝土、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，即使提高熱風的溫度，也不能很好地解決問題。
快速熱風焊接
快速熱風焊接技術也是利用加熱后的風或者空氣來預熱焊條與待焊母材相應部位的方法實現(xiàn)焊接的。但是，快速熱風焊接技術所使用的焊接風嘴比較特殊，風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嘴內部，并從風嘴中伸展出一段。加熱時，一部分熱風對風嘴底部的焊條進行加熱，另外一部分熱風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，焊條從快速焊接風嘴中出來，并在焊接風嘴中*行部分預熱。同時，從風嘴中吹出的部分熱風對母材的待焊部位進行預熱。焊接壓力則通過風嘴的末端施加到焊條上，完成整個焊縫的焊接。
與圓嘴熱風焊接工藝一樣，該工藝過程同樣包括表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴散和冷卻這5個階段，并且每個階段的具體操作要求也與待焊部件的具體外觀形狀和內部結構設計相關。
快速熱風焊接技術
擠出焊接
擠出焊接技術是20世紀60年代經過一系列技術改進后成功開發(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形焊縫進行焊接時，采用擠出焊接和快速熱風焊接兩種工藝各自需要的時間?？梢钥闯?，擠出焊接技術的平均用時僅為快速熱風焊接技術的1/6。由此可知，在某些應用領域中，如大型酸洗槽等，擠出焊接已經成為一種非常經濟的焊接方法。
擠出焊接雖然也是通過熱風進行焊接，但是，它和前面所述的兩種熱風焊接存在明顯的不同之處，即它是通過擠出機或類似擠出機的裝置對焊條進行加熱擠出，使其先形成均勻塑化或熔融的熔體條，并不經過冷卻就直接壓在待焊部位進行焊接。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現(xiàn)焊接，冷卻后即可形成堅固的焊縫。
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或類似擠出機裝置的型腔中以及在通向焊接靴的熔體導管中進行傳導加熱，而且能夠在擠出機或類似擠出機裝置的型腔中，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口的熱風進行對流加熱。提高熱風的流量和熱風溫度可以提高待焊母材/制件的表面溫度，同時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，促進大分子鏈間的良好擴散和相互纏繞。
在焊接過程中，除了大分子鏈間的擴散之外，熱塑性聚合物在冷卻時的微觀結構也會發(fā)生變化。對于無定形聚合物，焊接區(qū)域在冷卻時會發(fā)生分子鏈的取向。對于半結晶熱塑性聚合物來說，結晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關。當冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時，形成的晶體結構在承受應力時可能會發(fā)生破壞；不合適的溫度和過快的冷卻速度則會導致結晶度的降低，并產生較小的晶粒，而這種結構在化學物質、溶劑或應力的作用下也非常容易發(fā)生破壞
塑料焊接，實際上就是相容的塑料材料中相互纏繞的大分子鏈受熱之后，由于具備了足夠的能量和空間，在自身的分子熱運動和外在壓力的作用下，相互遷移和擴散到對方的熔融區(qū)中，并隨著溫度的下降和時間的推移，再次發(fā)生纏繞、冷卻、結晶和定型的過程。在塑料制品的諸多連接技術中，熱風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焊接工藝進行了簡單的介紹。
圓嘴熱風焊接技術
通常，圓嘴熱風焊的工藝過程包括5個階段，分別是：待焊部件的表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴散和冷卻。每個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部結構設計。其工作原理（如圖所示）是：利用加熱后的風或空氣，同時預熱焊條與待焊的母材相應部位；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)進行對接，并保持一定的焊接速度，使其具有足夠的承壓時間；zui后，進行冷卻定型。
圓嘴熱風焊接的工作原理示意圖
在正式焊接之前，應先對待焊部件的表面進行相關處理，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、臟物或者氧化層等影響焊接質量的不利因素。
V形焊縫示意圖
X形焊縫示意圖
由于圓嘴熱風焊接技術主要用于塑料零部件的修復，因此，在進行圓嘴熱風焊接的過程中，操作者必須小心控制所施加的壓力和焊接速度。這是因為，通過設定合適并且可準確控制的溫度，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，則大分子鏈無法進行遷移和擴散；如果壓力太大，則大分子鏈會被擠出熔融區(qū)，無法停留在界面內參與遷移和擴散過程，也就無法實現(xiàn)真正的焊接。
在冷卻過程中，塑料在微觀結構上會發(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；對于半結晶的材料，結晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關。當冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時，形成的晶體結構可能會在承受應力時發(fā)生破壞，而不合適的溫度和過快的冷卻速度則會導致結晶度降低，同時形成的晶粒比較小，而這種較小的晶粒結構非常容易在遭受化學物質和溶劑侵蝕以及承受應力的情況下發(fā)生破壞。因此，應盡量避免使用過快的冷卻速度。
同時，焊接過程中支撐焊件的材料也會影響冷卻速度。在焊接時，應避免使用混凝土、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，即使提高熱風的溫度，也不能很好地解決問題。
快速熱風焊接
快速熱風焊接技術也是利用加熱后的風或者空氣來預熱焊條與待焊母材相應部位的方法實現(xiàn)焊接的。但是，快速熱風焊接技術所使用的焊接風嘴比較特殊，風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嘴內部，并從風嘴中伸展出一段。加熱時，一部分熱風對風嘴底部的焊條進行加熱，另外一部分熱風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，焊條從快速焊接風嘴中出來，并在焊接風嘴中*行部分預熱。同時，從風嘴中吹出的部分熱風對母材的待焊部位進行預熱。焊接壓力則通過風嘴的末端施加到焊條上，完成整個焊縫的焊接。
與圓嘴熱風焊接工藝一樣，該工藝過程同樣包括表面處理、加熱、加壓、分子鏈間擴散和冷卻這5個階段，并且每個階段的具體操作要求也與待焊部件的具體外觀形狀和內部結構設計相關。
快速熱風焊接技術
擠出焊接
擠出焊接技術是20世紀60年代經過一系列技術改進后成功開發(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形焊縫進行焊接時，采用擠出焊接和快速熱風焊接兩種工藝各自需要的時間?？梢钥闯?，擠出焊接技術的平均用時僅為快速熱風焊接技術的1/6。由此可知，在某些應用領域中，如大型酸洗槽等，擠出焊接已經成為一種非常經濟的焊接方法。
擠出焊接雖然也是通過熱風進行焊接，但是，它和前面所述的兩種熱風焊接存在明顯的不同之處，即它是通過擠出機或類似擠出機的裝置對焊條進行加熱擠出，使其先形成均勻塑化或熔融的熔體條，并不經過冷卻就直接壓在待焊部位進行焊接。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現(xiàn)焊接，冷卻后即可形成堅固的焊縫。
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或類似擠出機裝置的型腔中以及在通向焊接靴的熔體導管中進行傳導加熱，而且能夠在擠出機或類似擠出機裝置的型腔中，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口的熱風進行對流加熱。提高熱風的流量和熱風溫度可以提高待焊母材/制件的表面溫度，同時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，促進大分子鏈間的良好擴散和相互纏繞。
在焊接過程中，除了大分子鏈間的擴散之外，熱塑性聚合物在冷卻時的微觀結構也會發(fā)生變化。對于無定形聚合物，焊接區(qū)域在冷卻時會發(fā)生分子鏈的取向。對于半結晶熱塑性聚合物來說，結晶程度和晶粒大小的形成與冷卻速度有關。當冷卻溫度超出規(guī)定的溫度范圍時，形成的晶體結構在承受應力時可能會發(fā)生破壞；不合適的溫度和過快的冷卻速度則會導致結晶度的降低，并產生較小的晶粒，而這種結構在化學物質、溶劑或應力的作用下也非常容易發(fā)生破壞