第一章 概述
第一节 塑料焊接基本知识
高分子材料是由分子量很大的大分子组成的材料，包括橡胶、纤维、塑料、高分子胶黏剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。高分子材料与金属材料（黑色金属和有色金属）、无机非金属材料（如水泥、绝热棉、耐火材料、陶瓷）一样，是科学技术、经济建设中的重要材料。
塑料是以高分子合成树脂为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂和着色剂等添加剂为辅料成分的材料；在一定温度、压力下塑制成型；按照理化特性不同，分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料以热塑性树脂为主体成分，加工塑化成型后具有链状线性分子结构；受热后又软化，可以反复塑制成型，如聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）等。其优点是加工成型简便，具有较好的力学性能；缺点是耐热性和刚性比较差。例如，煤气管采用中高密度聚乙烯制作。
热固性塑料以热固性树脂为主体成分，加工固化成型后具有网状体型的结构，受热后不再软化，超过一定温度发生分解炭化，不可以反复成型。其优点是耐热性高，受压不易变形等；缺点是力学性能不好，焊接性差。这类塑料有酚醛塑料、环氧塑料等。
塑料的连接方法主要有胶接、机械连接和焊接。塑料焊接主要针对聚氯乙烯（PVC：包括氯化聚氯乙烯PVC-C、硬质聚氯乙烯PVC-U、软质聚氯乙烯PVC-R）、聚丙烯（PP：包括嵌段共聚聚丙烯PP-B、均聚聚丙烯PP-H、无规共聚聚丙烯PP-R）、聚乙烯（PE：包括高密度聚乙烯PE-HD、中密度聚乙烯PE-MD、低密度聚乙烯PE-LD）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚四氟乙烯（PTFE-TFM）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯塑料（ABS）与聚酰胺（PA）等热塑性塑料和塑料合金的单层管材和板材。
一、塑料焊接原理
1.焊接原理[1]
采用加热、加压或其他方法，使热塑性塑料制品的两个或多个表面融合成一个整体的方法，称为塑料焊接。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，因为范德华作用力，紧密地连接在一起。
热塑性材料在特定的温度范围内，能反复加热软化和冷却变硬，而热固性塑料受热后成为不熔的物质，再次受热不再具有可塑性。不言而喻，凡加热能熔融冷却后又能保持一定强度的塑料，即热塑性塑料都可以进行焊接，在高温下很不稳定的热塑性塑料当属例外。
热塑性塑料属于线性非晶态高聚物，其温度-形变曲线如图1-1所示，在不同的温度条件下会呈现出三种不同的态势，即玻璃态、高弹态和黏流态，并具有两个转化区：玻璃态转化区和黏流态转化区。热塑性塑料的玻璃化转变温度Tg一般低于室温，所以在室温下处于高弹态，塑料的焊接便是在高弹态与黏流态相互转化过程中实现的，分子间并没有产生化学反应，属于物理变化。
图1-1 热塑性塑料温度-形变曲线
2.塑料焊接三要素
塑料焊接的三要素：温度、压力和时间。
（1）温度 聚合物的自黏力与其所处的物理状态有关，其物理状态首先取决于温度。当结晶型聚合物处于玻璃态时，即使相互接触保持很长时间，两个接触表面之间也不会黏合，而当聚合物转化为黏流状态时，其集合强度便接近聚合物的内聚力，此时所得到的焊接接头就不会有明显的分界线。
（2）压力 升高温度可使分子之间相互作用，但实践证明仅仅是温度达到要求而不给压力，仍然不能形成高强度的接头。不管是热气焊接还是热板接触焊接，除温度以外形成接头的另一个必要条件，是让焊件的两个表面层接近到一定的距离，这就必须施加压力。压力作用不仅使距离达到要求，还使焊接区的聚合物得到流动，使不平坦处得到补偿，排除妨碍大分子相互作用的弱界面层（聚合物表面的氧化部分、污染物、空气等），从而获得高强度的接头。
（3）时间 要有适当的热熔时间和足够的冷却时间。当热功率一定时，时间不够会出现虚焊，时间过长会造成焊件变形，熔渣溢出，有时还会在非焊接部位出现热斑（变色）。必须保证焊接面吸收足够的热量达到充分熔融的状态，才能保证分子间充分扩散熔合，同时必须保证足够的冷却时间使焊缝达到足够的强度。
二、塑料焊接分类
塑料的焊接方法大体可分为四大类，即热风焊、挤出焊、电熔焊及热熔焊。
1.热风焊
将压缩空气（或惰性气体）经过焊枪的加热器，加热到焊接塑料所需的温度，然后用这种经过预热的气体加热焊件和焊条，使之达到熔融状态，从而在不大的压力下使焊件得以结合。
热风焊接的主要设备由供气系统和加热系统组成。供气系统的作用是提供干净的、具有一定稳定压力和大流量的气体。压缩气体的压力一般控制在1000～2800Pa，压力过小供气量不足，影响焊接速度和焊枪的寿命，压力过大会使焊缝表面发毛和枪芯寿命缩短。加热系统由加热元件和控制部分构成，以保证压缩气体通过加热元件后，压缩气体的温度可以在100～700℃之间调节并稳定，以适应各种不同的塑料。
2.挤出焊
通常采用的工艺方式为：预热被焊母材表面至焊接温度，使母材表面软化，同时焊条经送料器喂入螺杆内部，焊条经过加热均匀熔化、螺杆搅拌重新塑化后挤出，在施加压力的状态下被挤出至已经加热的被焊母材表面，焊料与被焊母材之间依焊接风嘴不同形状和实际要求压成焊缝，不同界面的材料完全相熔合。随着温度的下降，焊条熔体和被焊母材相互渗透后被固化结合成为一个整体，从而保证较高的焊接强度。挤出焊枪有两个独立热源，分别加热熔融焊条以及对母材进行预热，既保证了母材能够有足够的流动性，又保证了焊条熔体不致温度过高而被破坏。
3.电熔焊
用电熔焊机给镶嵌在电熔管件内壁的电阻丝加热，其加热的能量使管件和被焊接件的连接面熔融，在管件两端的间隙封闭后，界面熔融区的熔融物在高温和压力作用下，其分子链段相互扩散，当界面上互相扩散的深度达到链缠结所必需的尺寸，自然冷却后界面就可以得到必要的焊接强度，形成可靠的焊接连接。
具体焊接操作过程包括焊接前准备、清洁电源输出接头、材料截取、焊接面清理、焊接件承插、输出接头连接、焊接模式设定、焊接数据输入、焊接及自然冷却。可见，能否形成可靠的焊接连接，主要由电熔管件的设计、电阻的温度-电阻特性、电熔焊机提供的电源电压的稳定性、管件和焊接件的材料性质、管件和焊接件连接界面的预处理状况、管件和焊接件连接界面间的缝隙宽度和均匀性、管件和焊接件的对中和夹持稳定状况、焊接工艺参数、焊接时环境温度和操作人员水平等因素决定。
4.热熔焊
利用加热工具将焊接件断面加热到210℃左右，在可控压力下持续一定时间，使两端面熔合为一体，形成符合质量要求的焊接接头。其主要工艺过程为调整、加热、切换、合缝加压和冷却。对接时界面上处于黏流态的材料有流动也有扩散，流动太大不利于扩散和缠结，所以要把流动限制在一定范围，在有限的流动中实现“熔后焊接”。因此，对接工艺的关键是要在对接过程中调整好温度、时间、压力三个参数，要把连接界面材料的性能、应力状况、几何形态以及环境条件等因素一起考虑，才能实现可靠的熔焊。
三、塑料焊接工艺及焊接工艺评定
1.塑料焊接工艺
塑料焊接工艺通常是指焊接过程中的一整套技术规定，包括焊接方法、焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、工艺参数以及焊接接头质量要求等。因此，不同的方法也就有不同的焊接工艺，这里也就带来了焊接工艺参数的概念，为保证焊接质量而选定的诸多物理量被称为焊接工艺参数。焊接工艺是焊接质量优劣的重要保证，塑料焊接工艺主要参数包括：温度、压力和时间。
塑料焊接工艺是塑料焊接生产的指导性工艺文件，是用于指导焊工施焊的作业指导书，对于承压特种设备的焊接必须编制焊接工艺。焊接工艺要求在相关制造标准中都有明确规定，焊接工艺是保证塑料焊接质量的重要措施。焊接工艺应根据设计文件、制造标准的规定由企业自主编制。焊接工艺分为通用焊接工艺和专用焊接工艺。
塑料焊接工艺的主要内容包括：①编制单位名称；②焊接工艺编号及相应焊接工艺评定编号；③焊接方法名称及自动化等级；④焊接接头形式；⑤塑料母材牌号及规格；⑥焊接材料牌号及规格；⑦焊接规范参数；⑧焊接操作技术；⑨焊接设备；⑩焊缝及试件质量要求、检验方法及验收标准。
2.焊接工艺评定
塑料焊接工艺评定是塑料焊接工作中的重要环节。根据安全技术规范，在焊接工艺实施之前应对所拟订的焊接工艺进行验证性试验及结果评价，其目的是使焊接接头符合标准要求。然后把评定的工艺参数移植到生产中，来指导生产，以保证产品质量，提高生产效率。
（1）定义：焊接工艺评定（WPQ）是指为使焊接接头符合标准要求，对所拟订的焊接工艺进行验证性试验及结果评价的过程。
（2）焊接工艺评定原则和一般要求：焊接工艺评定应以可靠的塑料焊接性能为依据，并在产品焊接之前完成。塑料焊接工艺评定一般要求应按照相应的规程标准实施，对于燃气管道，热熔焊和电熔焊的焊接工艺评定应按照TSG D2002—2006《燃气用聚乙烯管道焊接技术规则》的规定进行。焊接工艺评定的一般程序为：拟订焊接工艺预规程—施焊试件和制取试样—检验试件和试样—测定焊接接头是否具有所要求的使用性能—对拟订的焊接工艺预规程评定（以验证拟订的焊接工艺的正确性，并评定施焊单位能力）—编制焊接工艺评定报告（PQR）。
四、塑料焊接常见缺陷
1.焊接缺陷分类
大量实践证明，塑料焊接件中最薄弱的环节就是其焊接接头。如塑料管道系统中，焊接接头失效破坏引起的泄漏事故经常发生，造成很大人员伤亡和经济损失。塑料焊接件焊接接头失效的最主要原因就是在连接过程中操作不当或者工艺参数选取不当引起缺陷，造成焊接接头综合性能下降。塑料焊接件焊接缺陷按性质分为裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、孔洞、外观缺陷。按缺陷形状可将夹渣、孔洞分为条形缺陷和圆形缺陷。
塑料焊接因焊接方法不同，其缺陷类型和成因也存在差异，常见的缺陷主要有裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、孔洞。
（1）裂纹 裂纹指由于环境或应力的作用，在焊接接头的熔合面上出现局部缝隙，严重削弱了接头的性能，缩短接头寿命，在承受载荷的条件下极易失效。形成裂纹的原因一般有两点：一是焊接区域温度过低，焊缝熔池区部分急剧向各自母体收缩且收缩率不同而造成裂纹；二是熔融时间较短，塑料分子来不及充分扩散而形成裂纹。裂纹属于局部面缺陷，具体形貌如图1-2所示。
图1-2 裂纹
（2）未熔合 未熔合在焊接过程中表现为焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合。其形成的原因是：由于两管材的热力学性能不一致而产生不匹配，如熔点温度、收缩速率的差异，造成焊缝处产生未熔合缺陷；由于焊接端面的温度过低或闭合时的压力不足，界面层没有完全浸润，分子之间扩散的深度不足，不能形成足够的扩散与缠结，焊接熔合区不均匀，从而形成未熔合缺陷；焊接端面如果有磕碰、划伤，使得两端面在熔融后的热流动距离不同也会造成未熔合，具体形貌如图1-3所示。
图1-3 未熔合（电熔焊）
（3）未焊透 未焊透指母材之间没有熔化，焊缝材料没有进入接头的根部造成的缺陷。
产生未焊透的原因主要有：焊接电压过低，加热时间较短，冷却过快，坡口角度太小，根部钝边太厚，间隙太小。
未焊透也是一种比较危险的缺陷，其危害性取决于缺陷的形状、深度和长度。
（4）夹渣 夹渣指在焊接过程中熔合面存在微小杂质颗粒或大量微小气泡致使塑料分子链缠结不牢，使整个熔合面的结合程度下降，严重削弱接头性能。其形成的原因是：接头管材两端面有异物存在，在焊接过程中异物夹在熔池中直接形成夹渣；或者是过高的焊接界面温度使焊接区域的材料发生严重降解，降解物夹在熔池内而形成夹渣。夹渣属于整体面缺陷，具体形式如图1-4所示。
图1-4 夹渣
（5）孔洞（气孔） 孔洞是焊接过程中熔池中的气体在熔池凝固时未能逸出而造成的穴，一般呈球形或椭球形。其形成的原因有：焊接端面表面油污未清理干净，随着加热温度的升高而蒸发，在较短的熔接时间内气态的油污未能及时从熔池中逸出；或者是在材料成形过程中扩散进入材料内部的水分在焊接过程中发生水分解产生的气体在熔池中不能及时排出。
当材料在冷却过程中体积缩小时，如果此时压力不足就会在熔池产生空隙，导致形成缩孔。当在焊接过程中焊接件断面存在较大气孔、缩孔或固体颗粒时，导致在焊缝内部形成孔洞。孔洞使接头内部结构不连续，存在孔洞处力学性能严重下降，削弱了接头的性能，其属于体积型缺陷，具体形貌如图1-5所示。
图1-5 孔洞
2.焊接缺陷的危害性
焊接缺陷对焊接构件的危害，主要有以下三个方面：
（1）引起应力集中。焊接接头中应力的分布是十分复杂的，凡是结构截面有突然变化的部位，应力的分布便不均匀，在某些点的应力值可能比平均应力值大许多倍，这种现象称为应力集中。造成应力集中的原因很多，而焊缝中存在缺陷是其中一个很重要的因素。焊缝内存在的裂纹、未焊透及其他带尖缺口的缺陷，使焊缝截面不连续，产生突变部位，在外力作用下将产生很大的应力集中。当应力超过缺陷前端部位材料的断裂强度时，材料就会产生开裂破坏。
（2）缩短使用寿命。缺陷会削弱焊缝的有效工作截面，影响焊缝的力学性能，大大缩短使用寿命。
（3）缺陷可能穿透构件，发生泄漏，影响致密性。